IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議能耗與時延均衡的GTS調(diào)度新算法設(shè)計*

李 明 ，周四清 ，2

（1.暨南大學，信息科學技術(shù)學院，廣東 廣州 510632；2.暨南大學，經(jīng)濟學院，廣東 廣州 510632)

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對無線移動通信尤其是短距離無線移動通信的需求日益增多。為滿足用戶對低速率、低成本、低能耗的短距離無線通信需求，2003年5月，IEEE 802.15.4工作組正式發(fā)布了針對低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Network)的物理層(PHY)和媒體接入控制(MAC)的IEEE 802.15.4規(guī)范[1]。2004年，ZigBee聯(lián)盟組織采納了IEEE 802.15.4標準，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)等LR-WPAN奠定了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)，從而為相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新契機。

WSN起源于20世紀90年代末，并在21世紀得到迅速發(fā)展，在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居、抗災(zāi)救險和交通領(lǐng)域等人類生活的各方面發(fā)揮著重要作用。例如，美國加州大學伯克利分校Intel實驗室和數(shù)據(jù)，重復傳輸2次，仿真運行20次。

表1 部分仿真參數(shù)

表2 節(jié)點的業(yè)務(wù)量和時延期限

圖4 仿真場景圖

本文采用3個參數(shù)對該GTS調(diào)度算法的性能進行評價：

(2)最大時延差LMAX=(實際時延-時延期限)

(3)設(shè)備節(jié)點的剩余能量 E剩，并與 IEEE 802.15.4的先來先服務(wù) (FCFS)GTS分配機制的性能進行比較，其結(jié)果分別如圖5、圖 6、圖7所示。

圖5 時延期限滿足率(TDR)

圖6 最大時延差(LMAX)

由圖5可知，TDP調(diào)度算法的TDR為100%，而FCFS的 TDR比較低，TDP、GTS分配機制調(diào)度算法的TDR比FCFS分配機制調(diào)度算法的TDR要高。這是因為TDP調(diào)度算法優(yōu)先考慮了時延要求，在滿足時延要求的情況下再進行GTS分配，而FCFS沒有考慮這一點。由圖6可知，采用TDP調(diào)度算法，節(jié)點能在規(guī)定時延范圍內(nèi)完成傳輸，而在FCFS則不能。這是因為TDP優(yōu)先為時延期限小的節(jié)點分配GTS，且以節(jié)點最小時延期限為系統(tǒng)最大延遲，且每到1個節(jié)點傳輸完成時，重新進行調(diào)度，而FCFS沒有進行調(diào)度。由圖7可知，在TDP下，節(jié)點的剩余能量比 FCFS偏多一些，是因為TDP調(diào)度算法在滿足時隙要求情況下，調(diào)節(jié)占空比，使占空比最低，適當增加了節(jié)點的休眠時間，而FCFS調(diào)度沒有考慮能耗問題。

圖7 設(shè)備節(jié)點剩余能量

本文在分析IEEE 802.15.4協(xié)議GTS分配機制基礎(chǔ)上，提出了一種新的TDP調(diào)度算法。該調(diào)度算法對時延期限小的節(jié)點優(yōu)先進行GTS分配且在滿足其時延要求的情況下，根據(jù)業(yè)務(wù)量調(diào)節(jié)超幀結(jié)構(gòu)中的SO和BO，使設(shè)備節(jié)點能耗降到最低，實現(xiàn)設(shè)備能耗與時延的相對均衡，為促進無線傳感網(wǎng)絡(luò)在實時系統(tǒng)的應(yīng)用具有參考意義。但目前該調(diào)度算法只適合于星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其適合其他網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)仍需要進一步研究。

[1]IEEE 802.15.4 Standard-2003.Part 15.4：wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks(LR-WPANs).IEEE-SA Standards Board，2003.

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