陳建明, 王亭嶺
(華北水利水電學(xué)院,河南 鄭州 450011)
IEEE 802.15.4工作組和ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)完成了低速率無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(LR-WPANs )標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧的規(guī)范制定[1]。它被認(rèn)為是一項(xiàng)普遍的解決方案,是低成本、低功耗無(wú)線連接的監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備[2-3]。ZigBee最重要的技術(shù)特點(diǎn)是提供低功耗和實(shí)時(shí)的保障。無(wú)論是在信標(biāo)使能(同步)模式或在非信標(biāo)使能(非同步)模式,這些功能的實(shí)現(xiàn)通常依賴于配置的介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)子層。信標(biāo)使能模式依靠保證時(shí)隙(GTS)機(jī)制提供了實(shí)時(shí)保障的手段,這對(duì)于時(shí)間敏感的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,是一個(gè)非常重要的功能。值得注意,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在能源和/或有延遲要求領(lǐng)域的應(yīng)用,必須設(shè)定為信標(biāo)使能模式運(yùn)行[4]。
IEEE802.15.4MAC協(xié)議可以通過(guò)個(gè)人局域網(wǎng)PAN協(xié)調(diào)器來(lái)支持兩種運(yùn)行模式。在信標(biāo)使能模式中,PAN協(xié)調(diào)器周期性地發(fā)送信標(biāo)幀,以識(shí)別其無(wú)線個(gè)域網(wǎng)和同步與它連接的節(jié)點(diǎn)。這樣做的時(shí)候,超幀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖 1)的定義是:①信標(biāo)間隔(BI)定義為兩相鄰信標(biāo)間的時(shí)間;②超幀時(shí)間(SD),它定義了BI的活動(dòng)的部分,分為16個(gè)同樣大小的時(shí)隙,在這期間內(nèi)允許幀的傳輸。同時(shí),如果BISD>,將定義一個(gè)非活動(dòng)時(shí)間。在非活動(dòng)時(shí)間(如果存在),所有節(jié)點(diǎn)可進(jìn)入休眠模式以節(jié)約能源。
BI和SD由兩個(gè)參數(shù)決定,信標(biāo)階數(shù)(BO)和超幀階數(shù)(SO),分別表示如下:
aBaseSuperframeDuration = 1 5.36 m s (設(shè)在2.4 GHz頻段中為250 kb/s)指最小超幀時(shí)間,對(duì)應(yīng) S O= 0 。
在超幀SD中,節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)期(CAP)采用時(shí)隙CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)介質(zhì)訪問(wèn)權(quán)。對(duì)于時(shí)間敏感的應(yīng)用,IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在SD內(nèi),通過(guò)分配保證時(shí)隙(GTS)定義了一個(gè)免競(jìng)爭(zhēng)期(CFP)。
從圖1可以很容易地看到,對(duì)應(yīng)于信標(biāo)階數(shù),設(shè)定較小的超幀階數(shù)可以獲得低占空比配置,帶來(lái)較長(zhǎng)的休眠(非激活期)期。
圖1 超幀結(jié)構(gòu)
靠 PAN協(xié)調(diào)器發(fā)送周期信標(biāo)幀來(lái)獲得同步的好處是,所有節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間喚醒和進(jìn)入睡眠模式。然而,在多協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)幀的簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò)中,每一個(gè)協(xié)調(diào)器都有自己的信標(biāo)間隔,使用這種同步方案依然存在信標(biāo)碰撞的棘手問(wèn)題。
參考圖2所示的簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò)模型。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由唯一的PAN協(xié)調(diào)器(或ZigBee協(xié)調(diào)器-ZC)來(lái)確定。PAN協(xié)調(diào)器允許其他特殊節(jié)點(diǎn),如ZigBee路由器(ZR)或協(xié)調(diào)器,發(fā)送周期信標(biāo)幀以同步他們周圍的節(jié)點(diǎn)。
圖2 簇樹(shù)拓?fù)淠P?/p>
很明顯,在發(fā)送周期信標(biāo)幀時(shí),若時(shí)間上未經(jīng)過(guò)特殊安排處理,當(dāng)節(jié)點(diǎn)處在多個(gè)協(xié)調(diào)器重疊的傳輸范圍時(shí),在這些節(jié)點(diǎn)上將發(fā)生信標(biāo)幀碰撞。15.4b工作組[5]定義了兩種類型的碰撞:①直接信標(biāo)幀碰撞;②間接信標(biāo)幀碰撞。
在此方法中,時(shí)間窗口,作為單一信標(biāo)周期,以自由競(jìng)爭(zhēng)方式,在超幀起始時(shí)刻發(fā)送信標(biāo)[6],如圖3所示。各協(xié)調(diào)器通過(guò)選擇自由競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙(CFTS)來(lái)確定發(fā)送時(shí)間偏移量,以避免與鄰居信標(biāo)幀碰撞。這種方法較前一種的優(yōu)點(diǎn)是,不同簇在同一時(shí)刻進(jìn)入激活期,因此臨近節(jié)點(diǎn)間可直接通信,且無(wú)占空比要求。
圖3 單信標(biāo)周期法
圖 2所示,N個(gè)協(xié)調(diào)器 { ZRi=(SDi, BIi) }1≤i≤N組成的IEEE 802.15.4/Zigbee無(wú)限個(gè)人居于網(wǎng)(WPANs),按照一定的超幀階數(shù) S Oi和信標(biāo)階數(shù) B Oi產(chǎn)生周期信標(biāo)幀。 S Di和BIi分別表示第i個(gè)協(xié)調(diào)器 Z Ri的超幀持續(xù)時(shí)間和信標(biāo)間隔,設(shè)超幀結(jié)構(gòu)以信標(biāo)單周期開(kāi)始。
這種方法的復(fù)雜性在于,針對(duì)特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信標(biāo)單周期時(shí)間的計(jì)算。該時(shí)間取決于網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)、父子關(guān)系以及各協(xié)調(diào)器對(duì)CFTS的分配機(jī)制。
問(wèn)題是如何計(jì)算信標(biāo)單周期和在信標(biāo)單周期中如何調(diào)度信標(biāo)幀的傳輸。
參見(jiàn)文獻(xiàn)[5],15.4b工作組已提出協(xié)調(diào)器選擇自由競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙(CFTS)應(yīng)滿足以下規(guī)則:
規(guī)則1 Ci協(xié)調(diào)器CFTS必須不同于其父協(xié)調(diào)器CFTS。
規(guī)則 2 Ci協(xié)調(diào)器 CFTS必須不同于鄰居的父協(xié)調(diào)器CFTS。
很明顯,規(guī)則1~2協(xié)調(diào)所使用的CFTS不可再用于其子協(xié)調(diào)器和鄰居協(xié)調(diào)器。因此,其沒(méi)有完全消除信號(hào)幀碰撞的問(wèn)題,因?yàn)楹?jiǎn)單節(jié)點(diǎn)在其父協(xié)調(diào)器的CFTS內(nèi)沒(méi)有任何手段來(lái)通知其他協(xié)調(diào)器。所以,當(dāng)其父與另一個(gè)協(xié)調(diào)器使用同一個(gè)CFTS時(shí),在簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)處有可能發(fā)生信標(biāo)幀碰撞。
為了避免這個(gè)問(wèn)題,修改規(guī)則2為:
規(guī)則2'Ci協(xié)調(diào)器CFTS必須不同于所有鄰居(包含協(xié)調(diào)器和簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn))的父CFTS。
對(duì)于沒(méi)有父子關(guān)系的情況下完全避免直接信標(biāo)碰撞,提出以下新的規(guī)則:
規(guī)則 3 Ci協(xié)調(diào)器 CFTS必須不同于其鄰居協(xié)調(diào)器CFTSs。
顯然,規(guī)則3涵蓋了某些規(guī)則2′所未涉及的情況,例如圖4 中設(shè)想的例子。事實(shí)上,圖4中想象的節(jié)點(diǎn)N31并不存在;根據(jù)規(guī)則2',C3和C4協(xié)調(diào)器可以使用相同的CFTS。現(xiàn)在,如果節(jié)點(diǎn)N31加入網(wǎng)絡(luò)而C3和C4已經(jīng)使用了同樣的 CFTS,由于直接信標(biāo)碰撞,它將既無(wú)法聯(lián)系協(xié)調(diào)器 C3也無(wú)法聯(lián)系協(xié)調(diào)器 C4。因此,規(guī)則 3規(guī)定,直接鄰居協(xié)調(diào)器不能使用相同的CFTS,為了避免這種情況。
圖4 避免直接信標(biāo)碰撞的規(guī)則3說(shuō)明
[5]中沒(méi)有涉及的另一個(gè)重要的問(wèn)題是,分級(jí)同步。實(shí)際上,請(qǐng)注意,規(guī)則1和規(guī)則2允許兩個(gè)位于不同深度的協(xié)調(diào)器都具有相同的CFTS。為了說(shuō)明問(wèn)題,對(duì)應(yīng)圖4的網(wǎng)絡(luò),考察圖5中CFTS分配的例子。
可以看到協(xié)調(diào)器 C0和 C7分配相同CFTS(CFTS0),C7的父協(xié)調(diào)器C3分配CFTS3 。在這種情況下,可以想象,C3協(xié)調(diào)器無(wú)條件的停止發(fā)送信標(biāo)幀,對(duì)應(yīng)該CFTS的安排協(xié)調(diào)器C7先于C3發(fā)送信標(biāo),因此,C7的子協(xié)調(diào)器將被同步(此時(shí)C7未被同步)。由于C3本次發(fā)送信標(biāo)失敗,則C7將不會(huì)同步而成為孤兒,但此時(shí)它的子節(jié)點(diǎn)已獲同步。
這種情況下,重要的是要限制不同深度的協(xié)調(diào)器共享相同的CFTS。換言之,在信標(biāo)單周期法中,父協(xié)調(diào)器CFTS必須先于其后的所有子協(xié)調(diào)器CFTS。在接收到父協(xié)調(diào)器信標(biāo)幀確認(rèn)是同一個(gè)同步WPAN之前,協(xié)調(diào)器不能發(fā)送信標(biāo)幀。
針對(duì)IEEE 802.15.4/Zigbee簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)做了改進(jìn),提出了信標(biāo)碰撞避免調(diào)度機(jī)制。提出了超幀時(shí)序調(diào)度算法,它依據(jù)超幀階數(shù)和信標(biāo)階數(shù),以非重疊的方式有效的組織不同協(xié)調(diào)器的超幀時(shí)序。同時(shí)指出,這種方法可以通過(guò)組群加以改進(jìn),但會(huì)帶來(lái)實(shí)施復(fù)雜性的增加。接下來(lái)討論了關(guān)于信標(biāo)單周期CFTS安排機(jī)制的規(guī)范和尺度計(jì)算。
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