無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下MAC層實(shí)時(shí)性改進(jìn)方法

齊春輝，朱雪宏，李宗奎，丁承君

(河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130)

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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下MAC層實(shí)時(shí)性改進(jìn)方法

齊春輝，朱雪宏，李宗奎，丁承君

(河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130)

摘要：在多機(jī)器人系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下，信息傳輸實(shí)時(shí)性要求高，傳輸量大。為了保證重要信息傳輸?shù)挠行院蛯?shí)時(shí)性，本文將媒體訪問(wèn)控制協(xié)議中的改進(jìn)最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值方法與優(yōu)先級(jí)方法相結(jié)合，減少信息阻塞和高丟包率的同時(shí)，保證特殊信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法能有效減少特殊信息延遲時(shí)間，提高多機(jī)器人系統(tǒng)靈活性。

關(guān)鍵詞：多機(jī)器人系統(tǒng)；ZigBee；信息通信；實(shí)時(shí)性；丟包率

0引言

在多機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人在完成任務(wù)時(shí)需要相互協(xié)調(diào)合作，將傳感器信息和控制命令進(jìn)行交互或傳回控制中心，這就要求既要減少信息阻塞，又要保證信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。近年來(lái)，大量學(xué)者對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]提出了一種全局網(wǎng)-任務(wù)網(wǎng)協(xié)同工作的兩層式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu),利用全局網(wǎng)保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。文獻(xiàn)[2]針對(duì)通信沖突問(wèn)題加入載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/碰撞檢測(cè)(CSMA/CA)算法,較好地解決了多移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線通信系統(tǒng)中的沖突問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]對(duì)機(jī)器人Ad_hoc 網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行了對(duì)比研究，并指出AODV被動(dòng)式路由協(xié)議整體性能較為優(yōu)越。文獻(xiàn)[4]對(duì)基于CSMA/CA的媒體訪問(wèn)控制(medium access control，MAC)協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，解決了MAC協(xié)議與樹狀結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不匹配的問(wèn)題，可減少信道資源浪費(fèi)，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，降低能耗。文獻(xiàn)[5]借助合理有效的通信網(wǎng)絡(luò)布放規(guī)則,實(shí)現(xiàn)了井下煤礦救援機(jī)器人數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)有效傳輸。但在超大量數(shù)據(jù)傳輸中，極少有研究既解決高丟包率問(wèn)題，又保證信息傳輸實(shí)時(shí)的要求。

多機(jī)器人通信系統(tǒng)要求既有大量視頻和音頻數(shù)據(jù)傳輸，又有實(shí)時(shí)性要求高的控制命令傳輸。針對(duì)這種特殊的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，本文將基于CSMA/CA的MAC協(xié)議改進(jìn)最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值方法和優(yōu)先級(jí)方法相結(jié)合，對(duì)特殊信息設(shè)置較高發(fā)送/接收優(yōu)先級(jí)。對(duì)節(jié)點(diǎn)丟包率、能量消耗和特殊信息傳輸延遲時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。

1普通非均等信道搶占機(jī)制的缺陷

圖1　多跳傳輸模型示意圖

多機(jī)器人系統(tǒng)通信是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行的，本文采用IEEE 802.15.4[6]無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。在多機(jī)器人系統(tǒng)中，多個(gè)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)完成某項(xiàng)工作，各自傳感器信息共享，同時(shí)又受主機(jī)控制。當(dāng)機(jī)器人相距較遠(yuǎn)時(shí)，傳輸信息要以其他機(jī)器人為中轉(zhuǎn)器，經(jīng)多跳的形式將信息傳到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，多跳傳輸模型如圖1所示。

在基于CSMA/CA的改進(jìn)MAC協(xié)議中，根據(jù)各層節(jié)點(diǎn)數(shù)和各節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)數(shù)確定最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值，給予父節(jié)點(diǎn)相對(duì)于子節(jié)點(diǎn)更多的搶占信道的機(jī)會(huì)[7-8]，對(duì)于普通的無(wú)線系統(tǒng)能有效減少信息阻塞和高丟包率現(xiàn)象。但對(duì)于多機(jī)器人系統(tǒng)，由于需要傳輸大量視頻和音頻信息，長(zhǎng)時(shí)間占用信道資源，導(dǎo)致控制信號(hào)等不能及時(shí)地發(fā)出或接收，不能保證特殊信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性差，故障率高，不能滿足實(shí)時(shí)控制要求。因此,普通改進(jìn)的MAC協(xié)議不能滿足多機(jī)器人系統(tǒng)的通信要求。

2基于信息優(yōu)先級(jí)的改進(jìn)

對(duì)于樹狀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸模型而言，需要給予父節(jié)點(diǎn)相對(duì)于子節(jié)點(diǎn)更多的信道訪問(wèn)機(jī)會(huì)。因?yàn)閺恼麄€(gè)傳輸樹來(lái)看，越是上層的節(jié)點(diǎn)，它的負(fù)載越重并且任務(wù)越重要，相對(duì)于下層的節(jié)點(diǎn)理應(yīng)具有更高的信道占有率。最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值的大小決定了節(jié)點(diǎn)搶占信道機(jī)會(huì)的大小，通過(guò)對(duì)最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值的設(shè)置，可以為不同節(jié)點(diǎn)分配合理的搶占信道的機(jī)會(huì)。

針對(duì)多機(jī)器人無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，本文采用優(yōu)先級(jí)和改進(jìn)最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值共同控制的方法，改進(jìn)非均等信道搶占機(jī)制的MAC通信協(xié)議。

借鑒文獻(xiàn)[4]中最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值設(shè)置方法，本文根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在層數(shù)及節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)數(shù)目設(shè)置最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值。

(Ⅰ)計(jì)算樹形結(jié)構(gòu)每層的層最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值：

(1)

(2)

(Ⅱ)根據(jù)各節(jié)點(diǎn)所在層的層最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值與該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)數(shù)量，計(jì)算得到各節(jié)點(diǎn)的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值的計(jì)算公式為：

(3)

其中：Al(n)為該節(jié)點(diǎn)所在層具有的所有子節(jié)點(diǎn)總量；An為該節(jié)點(diǎn)具有的子節(jié)點(diǎn)數(shù)。式(3)既保證該節(jié)點(diǎn)的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值處于上層的層最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值與本層的層最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值之間，也保證了處于同一層的節(jié)點(diǎn)中，擁有子節(jié)點(diǎn)多的節(jié)點(diǎn)的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值比擁有子節(jié)點(diǎn)少的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值小。

表1　不同類型傳輸信息優(yōu)先級(jí)分配表

(Ⅲ)表1 為不同類型傳輸信息的優(yōu)先級(jí)分配表。在控制程序中編寫不同優(yōu)先級(jí)信息的發(fā)送函數(shù)，傳輸過(guò)程中高優(yōu)先級(jí)信息(如控制指令)可以打斷較低優(yōu)先級(jí)信息(如視頻信息)的傳輸，較低優(yōu)先級(jí)的信息則等待發(fā)送，以滿足多機(jī)器人系統(tǒng)信息傳輸實(shí)時(shí)性要求。

3實(shí)驗(yàn)與評(píng)估

3.1ZigBee實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

建立基于ZigBee[9-11]的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上將多機(jī)器人的通信簡(jiǎn)化為ZigBee無(wú)線傳感器下傳感節(jié)點(diǎn)的通信。實(shí)驗(yàn)采用2 Mbps信道，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為512字節(jié)，實(shí)驗(yàn)中將7個(gè)節(jié)點(diǎn)放置在空曠區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)分布如圖2所示。以主節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，其余節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為：節(jié)點(diǎn)1(15,0)、節(jié)點(diǎn)2(10，-10)、節(jié)點(diǎn)3(25，8)、節(jié)點(diǎn)4(25，-8)、節(jié)點(diǎn)5(35，0)和節(jié)點(diǎn)6(35，-15)，單位：m。

圖2　節(jié)點(diǎn)分布圖

啟動(dòng)各節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)加入網(wǎng)路。按照非均等信道搶占機(jī)制，計(jì)算樹形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)各層的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值、各節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)數(shù)和各層的子節(jié)點(diǎn)數(shù)。主節(jié)點(diǎn)將這些參數(shù)向所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播，各節(jié)點(diǎn)收到這些參數(shù)后計(jì)算出自身的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值，然后再調(diào)用macMcuRandomByte()函數(shù)對(duì)MAC層的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值進(jìn)行設(shè)置。在各子節(jié)點(diǎn)成功入網(wǎng)后，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)按設(shè)定的發(fā)送速率，發(fā)送1條包含自身短地址以及在傳輸過(guò)程中所經(jīng)歷節(jié)點(diǎn)的短地址的信息給主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)收到信息后，通過(guò)串口在上位機(jī)上顯示收到的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，根據(jù)串口上顯示的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算丟包率。每發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包的能耗設(shè)置為2單位，每接收1個(gè)數(shù)據(jù)包的能耗設(shè)置為1單位，可以計(jì)算無(wú)線網(wǎng)絡(luò)成功發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包的能量消耗[12]。另外，在各節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)5間斷地發(fā)送1條故障信息，檢測(cè)從節(jié)點(diǎn)5發(fā)送故障信息到主節(jié)點(diǎn)接收到故障信息所產(chǎn)生延遲的時(shí)間。使用本文算法和普通非均等競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制算法(改進(jìn)的MAC算法)，數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率分別為300 個(gè)/s、400 個(gè)/s、500 個(gè)/s和600 個(gè)/s時(shí)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)和計(jì)算特殊指令延遲時(shí)間、丟包率和平均能量消耗。

圖3　節(jié)點(diǎn)丟包率

圖4　每成功發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗

圖5　特殊信息傳輸延遲時(shí)間分析

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)包在不同發(fā)送速率下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，剔除最大值和最小值后，計(jì)算平均值。在IEEE 802.15.4協(xié)議下，改進(jìn)的MAC算法和本文算法的節(jié)點(diǎn)丟包率如圖3所示。每成功發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)的平均能量消耗如圖4所示。特殊信息傳輸延遲時(shí)間如圖5所示。

在圖3所示的節(jié)點(diǎn)丟包率分析實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試不同發(fā)送速率下系統(tǒng)丟包率。在發(fā)送速率較低的情況下，本文算法的丟包率略低于改進(jìn)的MAC算法，但當(dāng)高速率情況下，本文算法的丟包率略高于改進(jìn)的MAC算法。整體來(lái)看：在丟包率方面，本文算法與改進(jìn)的MAC算法相差不多，均能有效減少系統(tǒng)丟包率。在圖4所示的網(wǎng)絡(luò)能量消耗分析實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試不同發(fā)送速率下每成功發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)的平均能量消耗，本文算法與改進(jìn)的MAC算法的能量消耗基本一致。在圖5所示的特殊信息傳輸延遲時(shí)間分析中，測(cè)試不同發(fā)送速率下特殊信息延遲時(shí)間，在發(fā)送速率較低的情況下，本文算法能明顯減少信息傳輸延遲時(shí)間。在高發(fā)送速率的情況下，兩種算法延遲時(shí)間均有所下降，但本文算法依然明顯少于改進(jìn)的MAC算法。

本文算法與改進(jìn)的MAC算法相比，特殊信息傳輸延遲時(shí)間明顯降低且隨發(fā)送速率增加沒(méi)有顯著變化，極大地提高了多機(jī)器人通信系統(tǒng)特殊信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，而且，節(jié)點(diǎn)丟包率和能量消耗變化不大。因此，本文算法在保證網(wǎng)絡(luò)丟包率和能量消耗基本不增長(zhǎng)的前提下，能夠提高特殊重要信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。在多機(jī)器人無(wú)線通信系統(tǒng)中，本文算法比改進(jìn)的MAC算法有較大的改善。

4結(jié)束語(yǔ)

在基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下多機(jī)器人系統(tǒng)通信進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了提出的改善信息延遲方法的可行性。將改進(jìn)MAC協(xié)議中的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值方法和優(yōu)先級(jí)方法相結(jié)合，既能減少信息阻塞和高丟包率的發(fā)生，同時(shí)能有效減少重要信息傳輸?shù)难舆t時(shí)間，保證特殊重要信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，提高多機(jī)器人控制系統(tǒng)通信的靈活性和可控性。

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基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(F2013202220)；天津市科技支撐基金項(xiàng)目(13ZCZDGX01200);天津市“863” 成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(13RCHZGX01116,14RCHZGX00862)

作者簡(jiǎn)介：齊春輝(1991-),女,河北唐山人,碩士生;丁承君(1973-),男,通信作者,河北館陶人,教授,碩士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人智能控制和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng).

收稿日期：2016-01-24

文章編號(hào)：1672-6871(2016)05-0029-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.007

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A