基于IEEE802.15.4信標(biāo)控制研究

章 陽，王潛平

（中國礦業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州221116）

0 引 言

IEEE802.15.4［1］MAC 層 的 占 空 比 由 信 標(biāo) 級 數(shù)BO（beacon order）和超幀級數(shù)SO （superframe order）決定且范圍從1到1／16384。由于不同的占空比適用于不同的網(wǎng)絡(luò)需求：如果同時(shí)增大BO 和SO，會增大傳輸?shù)臅r(shí)延，導(dǎo)致因密集的信道競爭而減小系統(tǒng)的吞吐量；如果同時(shí)減小BO和SO，會減小有效帶寬，導(dǎo)致因頻繁的信標(biāo)接收和發(fā)送增大能量消耗。所以，如何設(shè)置一對恰當(dāng)?shù)闹禎M足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的需求是一個(gè)十分值得研究的問題。

Yu Kai［2］等人研究了信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)下低功率操作的綜合分析，建立了MAC 特性模型、緩沖數(shù)據(jù)包模型。Joseph Jeon［3］等人研究了網(wǎng)絡(luò)下的占空比自適應(yīng)算法，分析了不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的丟包率。高博［4］提出了一種獨(dú)立占空比算法，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以采用不同的占空比和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。萬靜［5］利用了節(jié)點(diǎn)隊(duì)列大小，并對GTS進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的公平性分析。文獻(xiàn) ［6，7］是非時(shí)隙下的占空比優(yōu)化，建立了CSMA 模型。文獻(xiàn) ［8］分析了低占空比下的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn) ［9－12］在IEEE802.15.4其他方面做了些改進(jìn)。

以上研究均未同時(shí)考慮占空比和公平性問題，所以本文提出了一種可以同時(shí)解決占空比動態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化和節(jié)點(diǎn)公平性的方案。通過對能量、有效吞吐率、時(shí)延以及丟包率4方面進(jìn)行分析，更好地實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。

1 IEEE802.15.4MAC層

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種介質(zhì)訪問模式：信標(biāo)模式和非信標(biāo)模式。在信標(biāo)模式下的CAP （channel access perid）階段，節(jié)點(diǎn)通過CSMA／CA［13］算法競爭信道，傳輸非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；在CFP （channel access－free perid）階段，節(jié)點(diǎn)通過申請保護(hù)時(shí)隙GTS，滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。基于信標(biāo)模式的各種優(yōu)點(diǎn)，本文在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)模式下進(jìn)行研究。

1.1 超幀結(jié)構(gòu)

如圖1所示，超幀［14］的活動部分分成16 個(gè)相等的時(shí)隙，活動部分又被分為CAP階段和CFP階段。其中，活動部分的第一個(gè)時(shí)隙由協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)；CAP中的時(shí)隙由節(jié)點(diǎn)通過競爭獲得；CFP中的保護(hù)時(shí)隙GTS是給特定的設(shè)備使用的。廣播的信標(biāo)幀中含有決定占空比 （duty cycle）大小的參數(shù)SO、BO 值，如式 （1）所示

圖1 超幀結(jié)構(gòu)

1.2 CAP理論分析

本文假設(shè)整個(gè)超幀的活動部分只含有CAP階段，且沒有實(shí)時(shí)任務(wù)和沖突發(fā)生。計(jì)算CAP 階段可發(fā)送的數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)cap＿num的前提是求出一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送所需的符號數(shù)Ttotal。

由圖2得式 （2）和式 （3）

其中，TACK包括Tack和ACK。

其中，Tbeacon為信標(biāo)占用的時(shí)隙，SD 為活動時(shí)間。

2 ABC算法

圖2 帶ACK 的數(shù)據(jù)幀傳輸

針對IEEE802.15.4MAC層存在的固定占空比以及CAP霸占問題。本文采用了自適應(yīng)信標(biāo)控制算法，即通過終端設(shè)備的隊(duì)列長度、CAP階段可發(fā)送數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)以及矩陣分析，來控制信標(biāo)幀的變化。

2.1 ABC算法的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本算法在原協(xié)議的基礎(chǔ)上對信標(biāo)幀和數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，其他幀結(jié)構(gòu)保持不變。

2.1.1 信標(biāo)幀

ABC算法在原信標(biāo)幀的基礎(chǔ)上，增加了雙倍競爭窗口DoubleCW （double contention window）變量，見表1。該變量包含設(shè)備編號 （DeviceID）以及標(biāo)志 （Flag）兩個(gè)字段，見表2。根據(jù)矩陣分析結(jié)果，得出需要增大CW 的節(jié)點(diǎn)，并在新的超幀開始之前，將這些節(jié)點(diǎn)的Flag 設(shè)置為1，剩余的節(jié)點(diǎn)的Flag 設(shè)置為0。終端設(shè)備在接收到信標(biāo)后，根據(jù)信標(biāo)幀的信息改變自身的占空比以及CW 值。

2.1.2 數(shù)據(jù)幀

ABC算法在原數(shù)據(jù)幀的基礎(chǔ)上，增加了隊(duì)列信息Queue變量，該變量只有兩個(gè)字節(jié)，見表3。其中0 位為isDevice表示是否是終端設(shè)備，1－8位為DeviceID 表示終端設(shè)備MAC地址，9－15位為Length表示隊(duì)列剩余的幀個(gè)數(shù)，見表4。終端設(shè)備會將自身隊(duì)列中的剩余數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)記錄在數(shù)據(jù)幀Queue的Length 字段中，這樣，協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)幀后，從數(shù)據(jù)幀的Queue字段中可以知道與自身相連的各節(jié)點(diǎn)隊(duì)列剩余幀個(gè)數(shù)。

表1 ABC信標(biāo)幀

表2 DoubleCW 結(jié)構(gòu)

表3 ABC數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

表4 Queue結(jié)構(gòu)

2.2 ABC算法的流程

在ABC算法中，所有的終端節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，將各自隊(duì)列中剩余幀個(gè)數(shù)放入Queue的字段中。協(xié)調(diào)器得到數(shù)據(jù)幀后，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)隊(duì)列信息存入矩陣。通過分析矩陣，得出是否需要修改占空比，是否發(fā)生節(jié)點(diǎn)抑制。根據(jù)分析的結(jié)論，修改占空比以及CW 值，流程見圖3。

圖3 ABC流程

2.3 ABC的矩陣分析及信標(biāo)控制

算法涉及的變量和函數(shù)見表5。

表5 算法涉及的變量和函數(shù)

矩陣分析與信標(biāo)控制具體過程：

（1）協(xié)調(diào)器通過Matrix求出所有的totalNum ［j］。

（2）判斷Matrix ［j］ ［i］是否大于0，若邏輯結(jié)果為真，則times＿CW ［i］加1。同時(shí)判斷totalNum ［j］是否大于cap＿num，若邏輯結(jié)果為真，則times＿duty 加1。循環(huán)步驟 （2），直到j(luò)等于λ。

（3）判斷times＿duty 和Ω、ω 之間的大小關(guān)系。若times＿duty 大于Ω，則執(zhí)行過程decBO。若times＿duty 小于ω，則執(zhí)行過程incBO。

（4）查看times＿CW ［i］中的值，若值大于φ，則將1賦予times＿CW ［i］。反之，則將0賦予times＿CW ［i］。

（5）在步驟 （4）之后，協(xié)調(diào)器會將新的BO 寫入幀特性描述符，同時(shí)根據(jù)times＿CW ［i］中的值，對每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置DoubleCW。

（6）節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)超幀收到信標(biāo)，會根據(jù)信標(biāo)中的信息，設(shè)置自身節(jié)點(diǎn)的BO 和CW。

上述描述的6個(gè)步驟，步驟（1）－步驟（4）為矩陣分析，步驟 （5）、步驟 （6）為信標(biāo)控制。關(guān)于如何通過修改占空比，在步驟 （2）和步驟 （3）中也給出了具體的方法。在1.2中，本文已經(jīng)分析了cap＿num 的值，且因?yàn)锳BC 算法只是修改了BO 的值，并沒有對SO 進(jìn)行修改，所以cap＿num 始終保持不變。對于節(jié)點(diǎn)抑制采取的方法，是記錄節(jié)點(diǎn)在一次算法周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)，如果次數(shù)超過了上限值φ，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)在算法周期內(nèi)霸占了CAP 階段，從而應(yīng)該改變該節(jié)點(diǎn)的CW 大小。而對次數(shù)未超過上限值φ 的節(jié)點(diǎn)，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)還未對其他節(jié)點(diǎn)構(gòu)成競爭威脅，保持原先的CW 值。矩陣分析流程，如圖4所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)和分析

本文利用NS2 仿真模擬軟件，對IEEE802.15.4 改進(jìn)前后的協(xié)議在能量、傳輸時(shí)延、有效吞吐率以及丟包率，這4個(gè)方面進(jìn)行比較分析。其中，能量是整個(gè)模擬時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均消耗的總能量；傳輸時(shí)延是一個(gè)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所消耗的平均時(shí)間；有效吞吐率是正確接收的數(shù)據(jù)總量占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量的百分比；丟包率是正確接收的數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)占整個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)的百分比。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表6，本文采取的數(shù)據(jù)包小于MAC 層數(shù)據(jù)幀負(fù)載，從而杜絕數(shù)據(jù)包拆分現(xiàn)象，簡化數(shù)據(jù)分析。

表6 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

整個(gè)仿真模擬的數(shù)據(jù)發(fā)送過程為，終端設(shè)備1－6 分別在17.1s、17.2s、17.3s，17.4s，17.5s以及17.6s發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器0。本文對以下3種方法進(jìn)行仿真分析：①origin為原始IEEE802.15.4協(xié)議。②ABC 為未包含CW 控制改進(jìn)的ABC算法。③ABC＿CW 為包含了CW 控制改進(jìn)的ABC算法。

3.1 能量消耗分析

由圖5可以看出，原算法的能量消耗遠(yuǎn)比ABC 算法的能量消耗大。這是由于ABC 算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量的變化，定期的對占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)：低負(fù)載時(shí)，減少了接收和發(fā)送信標(biāo)幀帶來的能量消耗；高負(fù)載時(shí)，降低了碰撞帶來的能量消耗。其中ABC和ABC＿CW 的能量消耗曲線在前300s表現(xiàn)基本相同，由于這段時(shí)間屬于整個(gè)模擬時(shí)間的前半段，網(wǎng)絡(luò)還未出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)累積，且沒有出現(xiàn)某些節(jié)點(diǎn)長期霸占CAP階段。但是從300s以后可以看出，ABC＿CW 比ABC 在能量上表現(xiàn)略微的優(yōu)勢。由于ABC＿CW 會分析出網(wǎng)絡(luò)是否出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)抑制，并解決了不公平性。從而，ABC＿CW 不僅保護(hù)了各終端節(jié)點(diǎn)的公平性，而且節(jié)省了大量能量消耗。

3.2 丟包率分析

如圖6 所示，origin 的丟包率保持在25%左右，而ABC的丟包率比origin低一些，但是其值也有23%左右。ABC＿CW 卻能將丟包率控制在15%左右，比之前兩種方案低了10%左右。這是因?yàn)榍皟煞N方案不能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備不公平現(xiàn)象，導(dǎo)致一些終端隊(duì)列長時(shí)間未發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)生大量溢出，產(chǎn)生丟包。而ABC＿CW 可以避免此現(xiàn)象出現(xiàn)，從而降低了丟包率。

3.3 有效吞吐率分析

根據(jù)圖6可知，ABC＿CW 比ABC 和origin在丟包率上有較大的改進(jìn)。因?yàn)閬G包率直接影響有效吞吐率，由圖6和圖7 在300s之后可以看出，ABC＿CW 的丟包率升高，導(dǎo)致ABC＿CW 的有效吞吐率降低。ABC 的丟包率比origin的丟包率低3%左右，但是有效吞吐率卻能提高20%左右，這是由于丟包率并不是影響有效吞吐率的唯一因素，還取決于其他因素，例如節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的速度和數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)是否發(fā)生錯(cuò)誤等。總之，通過圖7可知ABC＿CW 的有效吞吐率比ABC和origin表現(xiàn)的更好。

3.4 平均時(shí)延分析

由圖8可知在前300s，ABC 和ABC＿CW 的時(shí)延均比origin小。通過圖5能量消耗圖也可以知道，前300s沒有節(jié)點(diǎn)霸占CAP的現(xiàn)象。所以，兩種改進(jìn)算法都比origin的時(shí)延小。但是在300s－450s階段，ABC＿CW 因?yàn)橐恍┕?jié)點(diǎn)的CW 改變，導(dǎo)致總的時(shí)延增大，從而平均時(shí)延增大。而ABC只設(shè)置了適合網(wǎng)絡(luò)的占空比，所以時(shí)延比origin 小。最后50s內(nèi)，因模擬時(shí)間將要結(jié)束，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生減少，3種方案的時(shí)延漸漸趨于一種相似平穩(wěn)狀態(tài)。

綜上所述，在保證時(shí)延大致不變的情況下，ABC＿CW不僅比ABC和origin的丟包率減少10%，有效吞吐率提高15%－40%，而且能量消耗也可以減少90%－900%。相比ABC算話和origin算法，ABC＿CW 算法滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能要求。

4 結(jié)束語

本文基于IEEE802.15.4協(xié)議提出了ABC算法，以解決固定占空比不適合動態(tài)流量的問題和某些節(jié)點(diǎn)長期占用CAP周期帶來的不公平性問題。通過與原協(xié)議比較，ABC算法無論從能量、丟包率，還是有效吞吐率以及時(shí)延上均有明顯提高，很好地解決占空比和網(wǎng)絡(luò)流量之間的不協(xié)調(diào)問題，從而改善了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的公平性，完善了IEEE802.15.4 在LRWPAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。該算法為將來IEEE802.15.4信標(biāo)控制進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提供了參考，同時(shí)也對其他網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提供仿照基礎(chǔ)。

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