GTS機(jī)制在實(shí)時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究

吳克啟，王 慧，陳新來

（海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌埠233012）

IEEE802.15.4是針對(duì)低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（LR-WPAN）制定的通用標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和介質(zhì)訪問層[1]。

為了支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性應(yīng)用，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為之提供了一種時(shí)隙保障分配（GTS）機(jī)制，數(shù)據(jù)包得以正確和快速地傳輸。使用GTS機(jī)制需要設(shè)備間的時(shí)間同步，而IEEE802.15.4中的時(shí)間同步是通過一種叫做“超幀”的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，超幀結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來定義。

由圖1可以看出，超幀是由活動(dòng)(Active)部分和可選的非活動(dòng)(Inactive)部分組成的。超幀的活動(dòng)部分(Active)被分為16個(gè)等長的時(shí)隙，信標(biāo)幀在每個(gè)超幀的第一個(gè)時(shí)隙傳輸，剩下的15個(gè)時(shí)隙可進(jìn)一步分為兩部分——競(jìng)爭(zhēng)接入期(CAP)和非競(jìng)爭(zhēng)期(CFP)。CAP期間的信道接入使用的是CSMA/CA機(jī)制[2]來競(jìng)爭(zhēng)信道使用機(jī)會(huì)。而在CFP期間，最多可以分配7個(gè)GTS。一個(gè)GTS可以占用多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)GTS中的時(shí)隙都指定分配給了申請(qǐng)到該GTS的設(shè)備。因此，數(shù)據(jù)的傳輸不使用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，節(jié)點(diǎn)可以在該GTS包含時(shí)隙內(nèi)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。以網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)作為每個(gè)超幀的邊界。超幀長度SD與超幀序號(hào)SO的關(guān)系為：

信標(biāo)間隙BI與信標(biāo)序號(hào)BO的關(guān)系為：

其中，aBaseSuperframeDuration=60 symbols×16=960 symbols，BO和SO的值由協(xié)調(diào)器給定，且應(yīng)滿足0≤SO≤BO≤14。

1 IEEE802.15.4協(xié)議的GTS管理

IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要，可以組成星型或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。本文重點(diǎn)研究星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 2所示，并以此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為依托介紹GTS在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸機(jī)制。在星型結(jié)構(gòu)中，所有設(shè)備都與中心設(shè)備——PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。

1.1 GTS分配機(jī)制

設(shè)備節(jié)點(diǎn)要使用GTS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須向網(wǎng)絡(luò)中的PAN協(xié)調(diào)器進(jìn)行申請(qǐng)，發(fā)送GTS分配請(qǐng)求命令，如圖3所示。GTS請(qǐng)求命令幀的GTS特性域的特性類型子域設(shè)置為 1(表示 GTS分配)，根據(jù)所需的 GTS特性設(shè)置GTS時(shí)隙長度和方向，如圖4所示。

PAN協(xié)調(diào)器接收到GTS請(qǐng)求命令幀后，將發(fā)送確認(rèn)幀，對(duì)接收進(jìn)行確認(rèn)。然后，PAN協(xié)調(diào)器根據(jù)CAP中所剩余的長度和請(qǐng)求GTS長度，如圖5所示，檢查在當(dāng)前超幀中是否有足夠的容量。如果沒有達(dá)到保護(hù)時(shí)隙的最大數(shù)目(在一個(gè)超幀中最多分配7個(gè)GTS)，并且所需分配長度的GTS不會(huì)將CAP的長度減少到小于aMin-CAPLength(IEEE 802.15.4規(guī)定其值為 440 symbols[4])，此時(shí)，只要PAN協(xié)調(diào)器能有效地提供足夠的帶寬，就會(huì)根據(jù)“先來先服務(wù)(FCFS)”的原則分配GTS保護(hù)時(shí)隙。PAN協(xié)調(diào)器會(huì)在信標(biāo)幀中的GTS域說明GTS分配情況。設(shè)備節(jié)點(diǎn)在4個(gè)信標(biāo)周期內(nèi)，對(duì)接收到的信標(biāo)幀的GTS域進(jìn)行分析，判斷是否被分配了GTS保護(hù)時(shí)隙。

圖5 GTS描述符

1.2 GTS數(shù)據(jù)傳輸方式

數(shù)據(jù)以GTS方式進(jìn)行傳輸，MAC層將判斷是否存在一個(gè)有效的保護(hù)時(shí)隙。如果設(shè)備是PAN協(xié)調(diào)器，那么MAC層將判斷協(xié)調(diào)器是否存在數(shù)據(jù)目標(biāo)設(shè)備的接收保護(hù)時(shí)隙；如果不是PAN協(xié)調(diào)器，那么該設(shè)備MAC層將判斷是否被分配了發(fā)送保護(hù)時(shí)隙。如果存在有效的保護(hù)時(shí)隙，MAC層將根據(jù)實(shí)際情況產(chǎn)生一個(gè)延遲，直到該設(shè)備的有效接收保護(hù)到來。并在保護(hù)時(shí)隙內(nèi)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到所指定的目標(biāo)設(shè)備。這時(shí)，MAC層將以非CSMA/CA方式傳輸數(shù)據(jù)，整個(gè)傳輸和應(yīng)答過程（如需要確認(rèn)幀）應(yīng)在該保護(hù)時(shí)隙內(nèi)完成。

2 OPNET仿真模型構(gòu)建

OPNET Modeler利用三層建模機(jī)制，分別在進(jìn)程層、節(jié)點(diǎn)層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行“由下到上”的建模。同時(shí)在仿真過程中采用了離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理，能夠準(zhǔn)確地分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為。

2.1 OPNET仿真場(chǎng)景設(shè)置

為了研究方便，本次實(shí)驗(yàn)中，采用一種基于星型結(jié)構(gòu)的IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器和一個(gè)關(guān)聯(lián)設(shè)備構(gòu)成[5]。因?yàn)椴淮嬖诿襟w訪問競(jìng)爭(zhēng)，所以這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)足夠反映GTS機(jī)制的性能機(jī)制，增加額外的設(shè)備也不會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生什么影響，GTS所需參數(shù)設(shè)置如表1所示。此外，在每個(gè)超幀結(jié)構(gòu)中只分配一個(gè)GTS，并且GTS僅占據(jù)一個(gè)時(shí)隙。同時(shí)設(shè)置占空比為100%，即SO=BO[6]。

表1 GTS參數(shù)設(shè)置

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

情況1：根據(jù)表1所示的參數(shù)列表設(shè)置參數(shù)屬性值，傳輸數(shù)據(jù)包(Frame Size)為40 bits，緩沖容量(Buffer Capacity)為4 kbits。將數(shù)據(jù)包進(jìn)入FIFO緩沖區(qū)時(shí)的速度（Arrival Data Rate）分別設(shè)置為 5 kb/s、10 kb/s、20 kb/s、40 kb/s、80 kb/s和 100 kb/s。 得到 Delay Bound[7]隨 Superframe Order變化的情況，如圖6所示。

情況2：設(shè)置參數(shù)屬性值，數(shù)據(jù)包大小為40 bits，數(shù)據(jù)進(jìn)入緩沖區(qū)時(shí)的速度設(shè)置為10 kb/s。緩沖區(qū)容量(Buffer Capacity)分別設(shè)置為 0.5 kbits、1 kbits、2 kbits、4 kbits、7 kbits、10 kbits，得到了 Delay Bound隨 SO的變化情況，如圖 7所示。

2.3 結(jié)果分析

結(jié)果表明，當(dāng)無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有較低的數(shù)據(jù)傳輸速率(Data Rate＜10 kb/s)、較小的 FIFO緩沖區(qū)空間(Buffer Capacity＜1 kbits)，SO=0 時(shí)，系統(tǒng)具有最小的延遲特性，即達(dá)到最佳實(shí)時(shí)性；當(dāng)應(yīng)用在較高數(shù)據(jù)傳輸速率情況(Data Rate≥10 kb/s)、較大的緩沖區(qū)空間(Buffer Capacity≥1 kbits)時(shí)，SO=2能夠讓系統(tǒng)保持最佳實(shí)時(shí)性。

在信標(biāo)使能模式下，使用GTS機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。為了獲得最佳的實(shí)時(shí)性，分別探討了在不同數(shù)據(jù)傳輸速率、不同緩沖容量?jī)煞N情況下的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過IEEE802.15.4 GTS機(jī)制下參數(shù)的合理設(shè)置，可以得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳實(shí)時(shí)性能,為實(shí)時(shí)性的應(yīng)用提供了可行的參考。除了通過GTS本身參數(shù)的設(shè)置獲得最佳實(shí)時(shí)性，下一步工作應(yīng)考慮通過GTS機(jī)制本身的改進(jìn)去提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

[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)[A].IEEE SA Standards Board，2003.

[2]KOUBAA A，ALVES M，TOVAR E.A comprehensive simulation study of slotted CSMA/CA for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks[C].Workshop on Factory Communication Systems(WFCS′06)，2006.

[3]ZHENG J，LEE M J.A comprehensive performance study of IEEE 802.15.4[J].Sensor Network Operations，IEEE Press，Wiley Inter Science，2006(4)：218-237.

[4]MILIC J，SHAFI S，MILIC V B.The impact of MAC parameters on the performance of 802.15.4 PAN[J].Elsevier Ad hoc Networks Journal，2005，3(5)：509-528.

[5]KOUBAA A，ALVES M，TOVAR E.i-GAME：an implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4[C].Euromicro Conference on Real-Time Systems(ECRTS′06)，2006.

[6]KOUBAA A，ALVES M，TOVAR E.IEEE 802.15.4：a federating communication protocol for time-sensitive wireless sensor networks[C].Sensor Networks and Configurations：Fundamentals，Techniques，Platforms，and Experiments，2007.

[7]MISIC J，MISIC V B.Access delay for nodes with finite buffers in IEEE 802.15.4 beacon-enabled PAN with uplink transmissions[J].Computer Communications，2005(28)：1152-1166.