基于Zigbee-WiFi的異構(gòu)無線傳感網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合機(jī)制研究

曲金帥，陳 楠，范 菁，徐 野

(1.云南民族大學(xué) 云南省高校無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽，110870)

泥石流普遍產(chǎn)生于溝谷中或坡地上，因此如何有效地對(duì)泥石流高發(fā)地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與災(zāi)前預(yù)警，從而減少和避免泥石流災(zāi)害已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一.目前，針對(duì)于泥石流監(jiān)測(cè)，已有多種技術(shù)應(yīng)用于泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，其中基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的泥石流監(jiān)測(cè)方法是一種常用并且重要的手段[1].

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)是大量靜止或移動(dòng)的微型、節(jié)能傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳方式構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)[2].WSN通信的主要協(xié)議為IEEE 802.15.4 Zigbee[3]，Zigbee技術(shù)是一種短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù).WSN綜合了微電子、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等先進(jìn)技術(shù)，可協(xié)作感知、采集、處理、傳輸、報(bào)告網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息.但是，通常被檢測(cè)的野外泥石流監(jiān)測(cè)區(qū)域大，地形復(fù)雜，單一基于Zigbee技術(shù)的WSN無法達(dá)到遠(yuǎn)距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸.為此，本文提出了一種異構(gòu)的無線傳感網(wǎng)：在被檢測(cè)的泥石流壞境，基于Zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)采集傳感數(shù)據(jù)，結(jié)合IEEE 802.11b WiFi技術(shù)[4-5]，利用WiFi具有高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)高速率傳輸，旨在為異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在泥石流等復(fù)雜環(huán)境條件下監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供借鑒.

1 異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

Zigbee與WiFi參數(shù)如表1所示.

表1 Zigbee與WiFi參數(shù)對(duì)比

基于此，在監(jiān)測(cè)的泥石流地區(qū)同時(shí)采用Zigbee與WiFi這2種技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)又可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速率遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)控制中心.其異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示.

2 Wi-Zi轉(zhuǎn)換通信協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 Zigbee-WiFi網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層主要完成從WiFi 和Zigbee 協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換工作.對(duì)于從Zigbee 設(shè)備發(fā)送到WiFi 的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關(guān)需要經(jīng)過以下處理步驟： Zigbee協(xié)議單元物理層接收到Zigbee數(shù)據(jù)，通過逐層拆除數(shù)據(jù)包首部，達(dá)到網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層，解讀到Zigbee網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐層封裝上WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)包頭，通過網(wǎng)關(guān)的WiFi協(xié)議單元的物理層，無線發(fā)送到WiFi終端設(shè)備[7].其WiFi-Zigbee 通信協(xié)議模型如圖2所示.

Zigbee傳感網(wǎng)與Zigbee-WiFi網(wǎng)關(guān)傳輸采用的是Zigbee協(xié)議的透明傳輸方式.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)處理后發(fā)送到WiFi接收終端，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由低速率網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁咚俾示W(wǎng)絡(luò).WiFi網(wǎng)絡(luò)采用基于DCF的數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制，DCF 機(jī)制是 802.11 系列 MAC協(xié)議的基礎(chǔ)[8-9].

2.2 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的性能分析

假設(shè)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)單元的時(shí)間為Tp，而傳輸這些附加開銷的時(shí)間為Th，我們定義 MAC 層的吞吐量效率η為：

(1)

其中，如果物理層的傳輸速率為R，而數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度為L(zhǎng)p，那么可以得到:

(2)

在IEEE 802.11 中，這些附加開銷主要包括以下幾種：傳輸物理幀頭的時(shí)間Tphy，傳輸 MAC 幀頭的時(shí)間Tmac，CSMA/CA 的隨機(jī)退避時(shí)間Tcw及競(jìng)爭(zhēng)信道的時(shí)間tzc.

tzc=tdifs+trts+3tsifs+tcts+tack.

(3)

根據(jù)上述分析，我們可以得到圖3，當(dāng)物理層的傳輸速率R變大時(shí)，對(duì)于同樣大小的數(shù)據(jù)包，傳送時(shí)間Tp會(huì)減小.而附加開銷的傳送時(shí)間Th是保持不變的，那么MAC 層的吞吐量效率η會(huì)減小.

對(duì)于異構(gòu)的Zigbee與WiFi網(wǎng)絡(luò)，Zigbee協(xié)議的傳輸速率為250 kbit/s，而WiFi傳輸網(wǎng)的通信速率為11 Mbps，這樣就導(dǎo)致了Zigbee-WiFi網(wǎng)關(guān)的吞吐量效率大大降低，因此，當(dāng)Zigbee-WiFi網(wǎng)關(guān)物理層的傳輸速率變大的同時(shí)，為了讓MAC層吞吐量的效率也同時(shí)變大，必須對(duì) MAC 層協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn).

鑒于Zigbee數(shù)據(jù)包比較小，Zigbee應(yīng)用層的最大數(shù)據(jù)包為88 字節(jié)，而IEEE 802.11b 的MAC層數(shù)據(jù)幀負(fù)載最大為2 312字節(jié).由于物理層和MAC層的附加開銷對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包都是相同的，所以在傳輸小的數(shù)據(jù)包的同時(shí)也就浪費(fèi)了大部分網(wǎng)絡(luò)資源[10].

因此，本文提出了基于MAC層的數(shù)據(jù)融合機(jī)制[11-12].

當(dāng)Zigbee-WiFi網(wǎng)關(guān)的MAC層有多個(gè)數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí)，其發(fā)送機(jī)制如圖4所示.采用MAC層數(shù)據(jù)融合發(fā)送機(jī)制如圖5所示.

未采用數(shù)據(jù)融合的時(shí)間：

T1=N[tdifs+tac+tdata+tsifs+tack].

(4)

采用MAC層數(shù)據(jù)融合的發(fā)送時(shí)間：

T2=tdifs+tac+theader+Ntdata+tsifs+tack.

(5)

其中，信道接入時(shí)間：

tac=trts+2tsifs+tcts+tcw.

(6)

tcw為CSMA/CA 的隨機(jī)退避時(shí)間.

融合數(shù)據(jù)后節(jié)省的時(shí)間：

Tsave=T1-T2=

(N-1)[tdifs+tac+tsifs+tack]-theader.

(7)

從以上分析可以看出，數(shù)據(jù)融合的好處是可以增加可供融合的數(shù)據(jù)包的數(shù)量，減少小數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)開銷，同時(shí)，MAC層數(shù)據(jù)幀的量相對(duì)減少，從而降低了相互競(jìng)爭(zhēng)和碰撞的概率.圖6為MAC層數(shù)據(jù)重組控制示意圖.

數(shù)據(jù)包在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，由于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的容量有限，為了防止數(shù)據(jù)溢出，又引入了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)控制器，控制接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量.當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)將這些小數(shù)據(jù)包融合成一個(gè)大數(shù)據(jù)包發(fā)送出去.

數(shù)據(jù)融合控制機(jī)制：在控制器中設(shè)置數(shù)據(jù)融合計(jì)數(shù)器Nn,其中Nn所滿足的條件是：Nn

(8)

其中NBuff-data為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(data fusion buffer)容量，Sin-data為單個(gè)數(shù)據(jù)包的大小.數(shù)據(jù)融合控制機(jī)制是將多個(gè)小的數(shù)據(jù)包融合成為一個(gè)大的數(shù)據(jù)包，在等待多個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)緩沖區(qū)的同時(shí)，會(huì)帶來不可避免的問題，即時(shí)間延時(shí)大大增加了.如果想降低時(shí)間延時(shí)，也就是降低等待小數(shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)間，那么通過設(shè)定Nmax的值便可以達(dá)到降低時(shí)延的作用.如果網(wǎng)絡(luò)僅僅是想達(dá)到最大的吞吐量，便可以將Nmax設(shè)置為最大值.另外也可以根據(jù)時(shí)間延時(shí)的要求合理設(shè)置Nmax.

3 實(shí)驗(yàn)仿真

圖7為分別在Zigbee網(wǎng)絡(luò)、Zigbee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、采用數(shù)據(jù)融合的Zigbee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行的吞吐量仿真，通過仿真結(jié)果可以看出，Zigbee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和采用數(shù)據(jù)融合的Zigbee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量均比Zigbee網(wǎng)絡(luò)的吞吐量有所提高.圖8為Zigbee網(wǎng)絡(luò)、Zigbee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、采用數(shù)據(jù)融合的Zigbee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延分析.由圖8可以看出，采用數(shù)據(jù)融合的Zigbee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延比其他2個(gè)網(wǎng)絡(luò)要大一些，這是因?yàn)?，采用?shù)據(jù)融合的Zigbee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中等待數(shù)據(jù)包的到來進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而增加了時(shí)延.但是Zigbee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延與Zigbee網(wǎng)絡(luò)時(shí)延基本差不多.由圖7、8可以看出，在低時(shí)延的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中，我們可以采用Zigbee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸.如果在延時(shí)要求范圍內(nèi)，我們可以通過改變數(shù)據(jù)緩沖計(jì)數(shù)器，進(jìn)而可以改變時(shí)延，以達(dá)到時(shí)延要求[13].

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