基于OPNET的IEEE 802.15.4協(xié)議實時性能優(yōu)化與分析

陳 亮，黃德元，江 明?

基于OPNET的IEEE 802.15.4協(xié)議實時性能優(yōu)化與分析

陳 亮1，黃德元2，江 明1?

（1.安徽工程大學(xué)安徽省檢測技術(shù)與節(jié)能裝置重點實驗室，安徽蕪湖 241000；2.蕪湖奇瑞科技有限公司，安徽蕪湖 241000）

針對IEEE 802.15.4協(xié)議存在的退避指數(shù)范圍較窄、缺乏優(yōu)先級區(qū)分服務(wù)和時隙分配算法粗糙的不足，融合了基于碰撞感知的二進制退避算法和優(yōu)先級區(qū)分服務(wù)，提出一種基于時間敏感的時隙分配算法，用以降低時延、提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性和提高時隙帶寬利用率.最終以汽車傳感網(wǎng)為應(yīng)用對象，在OPNET中驗證了所提出的融合改進型協(xié)議較原有協(xié)議在實時性能等方面的優(yōu)越性.

退避指數(shù)，時隙分配，IEEE 802.15.4，實時性，OPNET

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)由于其在功耗、成本、復(fù)雜度等方面的突出表現(xiàn)，自2003年被提出隨即廣泛引用于各個領(lǐng)域，例如在WSN領(lǐng)域使用該協(xié)議作為傳輸通信標(biāo)準(zhǔn).然而隨著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在實時性、可靠傳輸、安全性等方面的要求越來越嚴格，勢必影響該協(xié)議的應(yīng)用推廣.很多先驅(qū)者通過理論分析和實踐驗證對IEEE802.15.4協(xié)議做了較全面的性能評估.分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)［1］，IEEE802.15.4協(xié)議在實時性和可靠性等方面并不能保證很好的服務(wù)保障.因此就IEEE802.15.4協(xié)議本身的特點和局限性，很多改進型協(xié)議被提出，這些改進都具有重要的實際應(yīng)用意義，并在一些特定的場景中得到了驗證.

Sarker等提出了一種Urgency-Based MAC協(xié)議，主要對醫(yī)院患者的監(jiān)護中的各種人體健康參數(shù)劃分了優(yōu)先級，分為緊急和非緊急兩種，通過將非緊急數(shù)據(jù)的重傳次數(shù)減少到零的措施來保證緊急數(shù)據(jù)的有效實時傳輸，具有明顯的現(xiàn)實意義.Moghaddam等在區(qū)分服務(wù)的基礎(chǔ)上，通過融入擁塞控制策略，又進一步改善了醫(yī)療通信的實時性，可以運用到病人和老人重要生理參數(shù)監(jiān)測當(dāng)中.還有學(xué)者就CSMA/CA機制提出了許多改進性MAC協(xié)議.例如Baz等就低速率數(shù)據(jù)碰撞和功耗問題，將數(shù)據(jù)劃分為時間幀和選擇幀數(shù)據(jù)分別對待傳輸.Huang等在IEEE802.15.4的自由競爭周期提出基于簇的時隙分配算法，確保了每個設(shè)備節(jié)點不需發(fā)送請求就可以獲得信道使用權(quán)，降低了時延和節(jié)點能耗.Bharat［2］等提出一種基于隊列長度的時隙分配機制，提高了信道利用率，兼顧了信號的不確定性.蔣［3］等就標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CA機制的不足，提出一種基于動態(tài)自適應(yīng)的低功耗退避算法，在網(wǎng)絡(luò)拓撲相對固定的環(huán)境中可以在保證低功耗的前提下提高實時性.

綜上所述，目前仍存在應(yīng)用環(huán)境下不同服務(wù)的區(qū)分對待問題、實時通信的自適應(yīng)問題以及高度實時性實現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)資源之間的平衡問題等，復(fù)雜環(huán)境下的高度實時高效傳輸問題仍未圓滿解決，仍有待進一步探索和研究.本文就IEEE802.15.4協(xié)議通過融合基于碰撞感知的二進制退避算法和優(yōu)先級區(qū)分服務(wù)，提出一種基于時間敏感的時隙分配算法，進而展開了優(yōu)化改進，目的是降低數(shù)據(jù)沖突，提高實時傳輸性能，同時兼顧其他保障網(wǎng)絡(luò)性能.

1　協(xié)議本身不足分析

由于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)提出時的背景限制，使其應(yīng)用至今逐漸凸顯出不足之處，主要表現(xiàn)在以下3個方面：

（1）CSMA/CA算法中二進制退避算法的退避指數(shù)BE可設(shè)置的范圍很窄.若BE值設(shè)置得過大，將導(dǎo)致有數(shù)據(jù)傳輸需求的節(jié)點需要花更多的時間去競爭成功，從而獲得傳輸?shù)臋?quán)利.而更多的等待時間意味著更高的能耗，同時也將降低信道利用率.若BE值設(shè)置得過小，則會增加在同一時刻兩個及兩個以上的節(jié)點使用同一退避時隙的可能性，毫無疑問這樣將增加信道競爭碰撞的次數(shù)，也將間接得導(dǎo)致信道利用率的降低.此外，這種退避機制也沒有兼顧當(dāng)前信道的使用情況.若當(dāng)前信道碰撞率較高或較低，而設(shè)置的BE較小或較大，無疑這兩種情況下都會降低信道利用率.相反，若當(dāng)前信道碰撞率較高或較低，而設(shè)置的BE較大或較小，則一定程度上會提高信道利用率.

（2）標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議公平地對待每一個需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，意味著所有的數(shù)據(jù)包都需要通過公平競爭來獲取信道資格.這種公平背后透著教條死板.在一個現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境當(dāng)中，一些報警信號需要被及時被傳輸?shù)娇刂浦行囊员闫渥龀鲅杆贈Q策，否則將導(dǎo)致不可估量的損失.例如一些漏洞提醒、超閾值信息報警及外界惡意侵入等，這些信息較一些周期信息理所應(yīng)當(dāng)被優(yōu)先傳輸.因此，引入優(yōu)先級機制具有重大現(xiàn)實意義，不僅可以維護系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時也可降低競爭信道次數(shù)，減少能耗的同時降低時延.

（3）由于分配的時隙不能被多個節(jié)點共享，因此無法充分利用已分配的時隙帶寬，這是GTS分配機制與生俱來的缺陷.比如當(dāng)一個時隙的帶寬利用率最初限定在0～0.5之間，那就意味著一個節(jié)點在一個時隙內(nèi)最多只能使用50%的帶寬.因為一個時隙不能同時被其他節(jié)點共享，就意味著要白白浪費掉另外50%以上的帶寬資源.這里涉及到的有關(guān)帶寬利用率計算可自行查閱相關(guān)文獻資料，不再論證贅述.

2　協(xié)議改進理論論證

針對上面提到標(biāo)準(zhǔn)自身的不足，將一一給出解決的策略.

（1）針對IEEE 802.15.4協(xié)議本身二進制退避算法的缺陷，特別引入基于碰撞感知的退避算法［4］，著重解決BE指數(shù)設(shè)置區(qū)間范圍小的不足，同時考慮到當(dāng)前信道的實際狀況.

在改進的退避算法中，引入?yún)?shù)TBP，max和λ，分別表示最大退避周期和一個動態(tài)參數(shù)，它們分別與最大退避指數(shù)PBE，max和碰撞率Pcoll有關(guān)，Pcoll被初始化為0.5.為了使退避周期的長度可控，將退避周期區(qū)間限制在0～TBP，max×λ，這里λ∈［0，1］，它隨著Pcoll的增大而呈指數(shù)遞增.當(dāng)Pcoll足夠大的時候，說明當(dāng)前信道狀況競爭激烈，狀況不好，退避周期TBP也相應(yīng)較大，這樣反過來可以降低碰撞率；當(dāng)Pcoll較小的時候，說明當(dāng)前信道狀況良好，退避周期TBP也隨之較小，可以增加信道利用率.這里為了簡化算法的復(fù)雜度，對碰撞率的計算采用簡要的統(tǒng)計平均計算，被限制在某個具體的時段里來進行，并且忽視了之前碰撞率的影響.相關(guān)的公式計算如下［4］：

（2）針對IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中沒有對各種需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)劃分優(yōu)先級的不足，特別引入?yún)^(qū)分服務(wù)的優(yōu)先級機制［5］.

不同的數(shù)據(jù)有著不同的重要程度，一些攜帶重要系統(tǒng)信息的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)比普通周期采樣信息優(yōu)先競爭到信道的使用權(quán).因此，應(yīng)當(dāng)允許一些可以發(fā)送報警信號的節(jié)點較一般節(jié)點可以優(yōu)先發(fā)送其數(shù)據(jù).

引入的區(qū)分服務(wù)的優(yōu)先級機制中涉及退避次數(shù)PBE和CCA檢測次數(shù)LCW.較小的PBE可以縮短數(shù)據(jù)發(fā)送前等待的時間，同時也更有可能競爭到信道使用權(quán)和改善網(wǎng)絡(luò)吞吐量.在標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4中，節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要執(zhí)行至少兩次CCA，目的是保證ACK信號的順利傳輸.一個優(yōu)先級高的節(jié)點執(zhí)行的CCA次數(shù)要比優(yōu)先級低的節(jié)點少，因此可以用LCW來表征節(jié)點優(yōu)先級的高低.這樣做的目的是為了讓優(yōu)先級高的節(jié)點可以優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)運行的靈活性和穩(wěn)定性.

區(qū)別與標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4中在初始化時為每個節(jié)點設(shè)置相同的LCW，事先為不同的數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)置一組優(yōu)先級標(biāo)識｛level_0，level_1，…，level_L｝，優(yōu)先級依次遞減.

（3）對于標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4時隙帶寬利用率不高的問題，需要解決的是讓沒有正在傳輸?shù)钠渌?jié)點也能獲取時隙的使用權(quán).為此提出一種時間敏感的時隙分配策略［6］，以汽車傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來詳細介紹.

在j段馬路上，RUj表示其周邊安置的中心協(xié)調(diào)節(jié)點，有N輛車會向RUj發(fā)送數(shù)據(jù).假設(shè)在t時刻，在RUj廣播范圍的車輛數(shù)目是Nj，t，車輛用Vj，i，t表示，車速用Sj，i，t表示.在分析之前，先做以下假設(shè)：

假設(shè)1：道路兩邊無縫安置著中心協(xié)調(diào)節(jié)點，相鄰協(xié)調(diào)節(jié)點可進行信息交互；

假設(shè)2：在t時刻，Nj，t、Sj，i，t的值可以被最近的RUj感知，并能通過無線或者有線的方式共享給附近的RU［6］.s

要解決的關(guān)鍵問題是如何設(shè)計出一種有效地讓車輛在動態(tài)行駛過程中發(fā)送的數(shù)據(jù)能被就近RUs接收到的時隙配置策略.在已知Nj，t、Sj，i，t和RUj的廣播范圍Rj后，應(yīng)滿足以下約束［7］：

式中，Dj，i表示第i輛車與RUj之間的傳播時延，Di為最大時延上限；rj，i表征車i發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達RUj的速率，GCj表征RUj預(yù)設(shè)的最大接收能力上限.因為汽車在行駛移動，因此需要考慮中心協(xié)調(diào)節(jié)點的廣播范圍.然而Dj，i的上限應(yīng)該取Di和TDj，i，這里TDj，i表示路邊中心協(xié)調(diào)節(jié)點在其廣播范圍Rj內(nèi)監(jiān)測到車i所花費的最大時間，其計算公式為［7］：

考慮到一種特殊情況：假設(shè)RUs間通訊鏈接可靠，車i在TDj，i時限內(nèi)不能完成向RUj的數(shù)據(jù)發(fā)送，則需要把數(shù)據(jù)發(fā)送給就近中心協(xié)調(diào)節(jié)點，而通過節(jié)點之間的傳輸才能把車i信息發(fā)送給RUj，無疑這樣將增加動態(tài)調(diào)度的復(fù)雜度，并不是設(shè)計的初衷.

文獻［8］已經(jīng)證明在車輛自由行使?fàn)顟B(tài)，車速服從正態(tài)分布.因此約束C 3在這里就體現(xiàn)了在高速行使的車輛其車速服從一均值為μ、方差為σ的正態(tài)分布.由于在正態(tài)分布中，車速落在（μ-3σ，μ+3σ）區(qū)間占99.7%，因此可近似的認為Vmin=μ-3σ，Vmax=μ+3σ

由于可行的調(diào)度策略只能在中心協(xié)調(diào)節(jié)點的廣播范圍內(nèi)才能被檢驗，為了后續(xù)討論和算法簡化，將Dj，i，max用Di，max代替，即忽略路段的差異.

經(jīng)過以上的假設(shè)論證分析，接下來主要問題集中在如何設(shè)計一個合適的調(diào)度器，從而能夠有效地規(guī)劃車輛信息訪問序列和訪問機率.對于汽車傳感網(wǎng)來說，發(fā)送至RUs的數(shù)據(jù)包速率約束應(yīng)當(dāng)首先被確定下來，并能反映不同的應(yīng)用對象要求.也就意味著在一個有N輛車的場景里，包的到達速率可以超過所有包到達速率的平均數(shù)（Rk/N），但仍然小于Rk.傳統(tǒng)的時隙分配所應(yīng)用的場景都是靜態(tài)的，節(jié)點是不能移動的，因此研究動態(tài)的場景別具一格.

這里借鑒文獻［9］中提到的加權(quán)輪詢調(diào)度策略（WRR，Weighted Round Robin）.WRR調(diào)度算法按比例將時隙分配給數(shù)據(jù)包，此算法顯得更加簡單有效，只是增加了權(quán)重的抉擇，能區(qū)分對待不同優(yōu)先級服務(wù)，同時取得了較高的帶寬利用率.然而在汽車傳感網(wǎng)中，由于汽車具有不同的前進速度、不同的時延要求和節(jié)點探測到汽車進入廣播范圍的探測時間等諸多元素，因此若只依據(jù)數(shù)據(jù)包的到達速率來分配時隙的權(quán)重將顯得不合時宜.因此提出一種基于時間敏感的時隙分配算法，應(yīng)用于汽車傳感網(wǎng)中.

該時隙分配調(diào)度算法偽代碼如下所示：

輸入包括一個向量和信標(biāo)中可分配的最大GTS數(shù)目Gmax.該向量是一組車i向路邊中心協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送的本身信息，包含突發(fā)數(shù)據(jù)包大小bi、最大時延上限D(zhuǎn)i、包到達RUj的速率rj，i以及車i的行駛速度；Gmax表示信標(biāo)內(nèi)可分配的最大時隙數(shù)，由BO和SO共同決定.在充分考慮數(shù)據(jù)包的到達速率、實驗要求和時隙帶寬利用率等因素后，輸出是車輛與RUs信息交互的調(diào)度表.整個過程可簡單概括為：在給定的汽車傳感網(wǎng)場景中，事先設(shè)計好的調(diào)度器被喚醒后，會根據(jù)車輛發(fā)送來的請求數(shù)據(jù)通過調(diào)用時隙分配方法來進行空余時隙的分配.需要特別指出的是，這里的時隙分配算法只是有關(guān)空余時隙分配機制部分的，是獨立于2（1）、2（2）部分論述的內(nèi)容.

3　仿真驗證與分析

仿真對象是汽車傳感網(wǎng)，選用多個動態(tài)仿真節(jié)點，節(jié)點的移動處在RUj的廣播范圍內(nèi)，主要仿真參數(shù)配置詳如表1所示.

表1　仿真參數(shù)配置

仿真結(jié)果通過對比標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4整體性能，來驗證所提出改性協(xié)議的正確性.所參照的評價指標(biāo)采用端到端時延（End to end Delay）、有效數(shù)據(jù)率（Effective data rate）和丟包率（packet loss rate），橫坐標(biāo)為約定范圍內(nèi)車輛的數(shù)目.數(shù)據(jù)由OPNET每次仿真得到，當(dāng)仿真運行10 min后，將穩(wěn)定的有效數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中進行圖形繪制，最終仿真結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示.

由仿真結(jié)果可知，在一定的車輛數(shù)目內(nèi)，隨著車輛的增加，改進之后的協(xié)議性能較原先標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議有效降低了端到端時延，提高了有效數(shù)據(jù)率，同時有效降低了丟包率.

4　結(jié)束語

通過融合基于碰撞感知的二進制退避算法和優(yōu)先級區(qū)分服務(wù)機制，提出一種基于時間敏感的時隙分配算法，用以降低時延、提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性和提高時隙帶寬利用率.分別克服了IEEE 802.15.4協(xié)議存在的退避指數(shù)范圍較窄、缺乏優(yōu)先級區(qū)分服務(wù)和時隙分配算法粗糙的不足，并一一從理論上論證了所提出改進措施的正確性.最終以汽車傳感網(wǎng)為應(yīng)用對象，在OPNET中驗證了所提出融合改進型協(xié)議在實時性能等方面的優(yōu)越性.

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［4］ Q Liu，Andreas Czylwik.A Collision-Aware Backoff Mechanism for IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Networks［J］.IFIP Wireless Days，2013（13）：1-3.

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Real-time performance optimization and analyses of IEEE 802.15.4 protocol based on OPNET

CHEN Liang1，HUANG De-yuan2，JIANG Ming1?
（1.Key Laboratory of Detecting Technology and Energy Conservation Equipment of Anhui Province，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China 2.Wuhu Chery Technology Co.，Ltd，Wuhu 241000，China）

Aiming at the insufficiency：relatively narrow back-off index range，treating every event fairly and rough time slot allocation algorithm is rough of IEEE 802.15.4 protocol，a priority-based adaptive service-differentiation scheme and a collision-aware back-off mechanism are fused，and then a delay sensitive time slot scheduling is proposed in modified protocol to strengthen the adaptive performance of the system，lower the delay and advance the bandwidth utilization respectively.And every proposed scheme is proved theoretically.Finally，the advantage in real-time performance of the proposed modified protocol compared with the original is verified in OPNET by applying it to vehicle wireless sensor network.

back-off index；time slot allocation；IEEE 802.15.4；real-time performance；OPNET

TP393.1

A

1672-2477（2015）02-0064-05

2015-01-10

國家自然科學(xué)基金資助項目（61271377）；安徽省高校自然科學(xué)研究重點基金資助項目（KJ2012 A035）

陳 亮（1990-），男，安徽池州人，碩士研究生.

江 明（1965-），男，安徽蕪湖人，教授，碩導(dǎo).