IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的自適應(yīng)GTS調(diào)度機(jī)制

楊鵬飛,王申濤,文玉強(qiáng),趙 林

(重慶通信學(xué)院 信息工程系,重慶 400035)

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的自適應(yīng)GTS調(diào)度機(jī)制

楊鵬飛,王申濤,文玉強(qiáng),趙 林

(重慶通信學(xué)院 信息工程系,重慶 400035)

介紹了IEEE 802.15.4協(xié)議的GTS調(diào)度機(jī)制?；诂F(xiàn)有的IEEE802.15.4MAC協(xié)議，提出了一種針對(duì)傳輸時(shí)延和公平性問(wèn)題的自適應(yīng)GTS調(diào)度(Adaptive GTS Allocation,AGA)算法。建立相應(yīng)的自適應(yīng)GTS仿真模型，對(duì)GTS算法的性能進(jìn)行評(píng)估，并用網(wǎng)絡(luò)演算理論對(duì)GTS進(jìn)行理論分析。結(jié)果表明，提出的GTS調(diào)度機(jī)制在傳輸時(shí)延和公平性上明顯優(yōu)于現(xiàn)有的GTS調(diào)度方案。

IEEE802.15.4；保障時(shí)隙；時(shí)延；自適應(yīng)；公平性

0 引言

無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Networks，WPANs)是以一個(gè)人的工作區(qū)為中心進(jìn)行無(wú)線連接的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，最近新興的短程、低速率無(wú)線設(shè)備使得無(wú)線個(gè)域網(wǎng)發(fā)展迅速[1]。對(duì)此，IEEE組織針對(duì)低速率無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal Area Network,LRWPAN)制定了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以超低的復(fù)雜性、低成本、低能耗和低速率為出發(fā)點(diǎn)，為廉價(jià)、便攜和可移動(dòng)的設(shè)備提供低速率無(wú)線連接[2]。為了支持重復(fù)性低延遲應(yīng)用所需的時(shí)延敏感數(shù)據(jù)傳輸，IEEE 802.15.4提供保障時(shí)隙(Guaranteed Time Slot，GTS)機(jī)制對(duì)一個(gè)超幀內(nèi)的時(shí)隙進(jìn)行分配，從而完成時(shí)延敏感數(shù)據(jù)幀的傳輸。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)使用先來(lái)先服務(wù)[3]的GTS分配機(jī)制，無(wú)法靈活地應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)載和應(yīng)用需求。雖然專用帶寬可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托阅?但專用資源的濫用也導(dǎo)致其他傳輸?shù)臎_突，某些節(jié)點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)饑餓現(xiàn)象。

1 IEEE802.15.4MAC協(xié)議

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(Low Rate-Wireless Personal Networks，LR-WPANs)的物理層和MAC層[2]，包含2種介質(zhì)接入模式：信標(biāo)使能模式(beacon-enabled mode)和非信標(biāo)使能模式(nonbeacon-enabled mode)[4]。在非信標(biāo)使能模式下，設(shè)備使用CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)信道；在信標(biāo)使能模式下，設(shè)備除了使用CSMA/CA機(jī)制外，還提供了自由競(jìng)爭(zhēng)的保障時(shí)隙(Guaranteed Time Slot，GTS)信道接入方式來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)延敏感數(shù)據(jù)的傳輸。本文著重IEEE802.15.4的信標(biāo)使能模式，圖1為IEEE802.15.4信標(biāo)使能模式的超幀結(jié)構(gòu)。

圖1 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的超幀結(jié)構(gòu)

在信標(biāo)使能模式下，PAN協(xié)調(diào)器周期性產(chǎn)生信標(biāo)，2個(gè)連續(xù)的信標(biāo)及其之間的時(shí)隙即為超幀，超幀分為活躍期和非活躍期：在活躍期，PAN協(xié)調(diào)器和設(shè)備之間可以互相通信；在非活躍期，PAN中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，停止通信[4]。超幀的持續(xù)時(shí)間為15 ms到245 s，超幀長(zhǎng)度(Beacon Interval，BI)和超幀活躍期長(zhǎng)度(Superframe Duration,SD)由2個(gè)參數(shù)來(lái)確定：信標(biāo)參數(shù)(Beacon Order，BO)和超幀參數(shù)(Superframe Order，SO)，BO決定超幀的長(zhǎng)度，SO決定超幀中活躍期的長(zhǎng)度。BI和SD定義如下：

BI=aBaseSuperframeDuration*2BO,0≤BO≤14，

(1)

SD=aBaseSuperframeDuration*2SO,0≤SO≤BO≤14。

(2)

活躍期被分為16個(gè)時(shí)隙，它由3部分組成：信標(biāo)、競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段(Contention Access Period，CAP)和非競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段(Contention Free Period，CFP)[5]。在CAP中，設(shè)備使用時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制接入信道，CAP主要負(fù)責(zé)傳輸對(duì)時(shí)延要求不高的數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀。

對(duì)于那些需要專用帶寬進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)備，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)提供了CFP時(shí)段進(jìn)行低時(shí)延傳輸[6]。CFP的長(zhǎng)度和GTS的調(diào)度由PAN協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)。CFP的長(zhǎng)度取決于請(qǐng)求GTS分配的設(shè)備數(shù)量和超幀的現(xiàn)有可用容量，如果超幀內(nèi)有足夠空間，PAN協(xié)調(diào)器最多可以一次性調(diào)度7個(gè)GTS[7]。

設(shè)備若需要新的GTS調(diào)度來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則會(huì)在CAP時(shí)段向PAN協(xié)調(diào)器發(fā)送GTS請(qǐng)求命令，PAN協(xié)調(diào)器收到GTS請(qǐng)求后首先會(huì)檢查當(dāng)前超幀中是否有足夠容量[8]。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)使用一個(gè)固定的定時(shí)器來(lái)限制GTS的使用時(shí)間。設(shè)備由PAN協(xié)調(diào)器分配的GTS一旦在2*n個(gè)超級(jí)幀的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有使用，PAN協(xié)調(diào)器就會(huì)收回分配給這些設(shè)備的GTS帶寬[9]。n的定義如下：

(3)

2 自適應(yīng)GTS調(diào)度方案

本節(jié)提出了一個(gè)針對(duì)時(shí)延和公平性的IEEE802.15.4自適應(yīng)GTS調(diào)度方案。如圖2所示，GTS的調(diào)度由PAN協(xié)調(diào)器控制，發(fā)生在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信方式是集中式的，即每個(gè)加入該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備若想要與其他設(shè)備之間通信就必須將其數(shù)據(jù)發(fā)送給 PAN協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再分派數(shù)據(jù)給其他的目標(biāo)設(shè)備[10]。PAN協(xié)調(diào)器通過(guò)周期性的發(fā)送信標(biāo)幀以保障周圍設(shè)備的GTS描述符的更新，它最多可以跟255個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。

圖2 WPAN中的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

理想的GTS分配方案應(yīng)該能較好地預(yù)估GTS傳輸設(shè)備的未來(lái)行為，PAN協(xié)調(diào)器通過(guò)預(yù)測(cè)信道情況，將GTS資源調(diào)度給有需求的設(shè)備，并回收先前已分配但現(xiàn)已不再使用的GTS資源。本文提出的自適應(yīng)GTS調(diào)度方案有2個(gè)階段：分類階段和GTS調(diào)度階段。在分類階段，PAN協(xié)調(diào)器將根據(jù)最近的GTS使用反饋情況動(dòng)態(tài)地將優(yōu)先級(jí)分配給各個(gè)設(shè)備，對(duì)于那些需要PAN協(xié)調(diào)器更多注意的設(shè)備，PAN協(xié)調(diào)器將分配給它們更高的優(yōu)先級(jí)；在GTS調(diào)度階段，GTS按優(yōu)先級(jí)非遞減的順序分配給各個(gè)設(shè)備，對(duì)于那些優(yōu)先級(jí)較低且需要GTS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，使用饑餓避免機(jī)制保障設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。在這里定義2個(gè)術(shù)語(yǔ)：GTS狀態(tài)和非GTS狀態(tài)。如果一個(gè)設(shè)備在CAP時(shí)段已發(fā)出GTS請(qǐng)求或正通過(guò)調(diào)度GTS向PAN協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)，則稱其在GTS狀態(tài)(GTS hit)；反之，則稱其在非GTS狀態(tài)(GTS miss)。

2.1 設(shè)備分類階段

在這個(gè)階段,每個(gè)設(shè)備適應(yīng)性地被劃分為一個(gè)狀態(tài),并根據(jù)過(guò)去的GTS的使用反饋情況動(dòng)態(tài)地分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)。假設(shè)WPAN中有N個(gè)設(shè)備，有M+1(0,1，…,M)個(gè)優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)的分配給N個(gè)設(shè)備。設(shè)備的優(yōu)先級(jí)編號(hào)越大，則其GTS調(diào)度的優(yōu)先級(jí)越低。分配給設(shè)備n的優(yōu)先級(jí)編號(hào)記作Prin，則0≤Prin≤M。在自適應(yīng)GTS方案中，優(yōu)先級(jí)較高的設(shè)備短期預(yù)計(jì)將有更多的通信量，從而在之后的超幀中有更高的概率來(lái)傳輸它們的數(shù)據(jù)[11]。設(shè)備的狀態(tài)和優(yōu)先級(jí)編號(hào)由PAN協(xié)調(diào)器確定，PAN協(xié)調(diào)器對(duì)設(shè)備的狀態(tài)和優(yōu)先級(jí)的控制是基于動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)和控制網(wǎng)絡(luò)擁塞的加性增，乘性減(Additive Increase Multiplicative Decrease，AIMD)算法，并做了一些改進(jìn)，具體情況如下：

① 狀態(tài)轉(zhuǎn)換：如圖3所示，在改進(jìn)GTS方案中，所有設(shè)備被分為4個(gè)通信量等級(jí)，4個(gè)流量等級(jí)的設(shè)備分別對(duì)應(yīng)4個(gè)狀態(tài)，即高通信量(High Heavy，HH),較高通信量(Low Heavy，LH),較低通信量(High Light，HL)和低通信量(Low Light，LL)，這4個(gè)狀態(tài)的通信量等級(jí)順序?yàn)镠H>LH>HL>LL。初始狀態(tài)下，所有的設(shè)備都為L(zhǎng)L狀態(tài)。每個(gè)超幀結(jié)束時(shí)，PAN協(xié)調(diào)器檢查所有設(shè)備的GTS使用情況，之后決定設(shè)備的狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如圖3中實(shí)線和虛線所示，實(shí)線和虛線分別代表GTS狀態(tài)和非GTS狀態(tài)。如狀態(tài)圖標(biāo)所示，更頻繁使用GTS的設(shè)備有更大概率處于HH、LH這樣的高通信量狀態(tài)。而通過(guò)連續(xù)的GTS請(qǐng)求和GTS調(diào)用，LL狀態(tài)的設(shè)備也可以升至更高流量狀態(tài)。

圖3 改進(jìn)GTS算法中設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

在原有IEEE802.15.4規(guī)范中，新設(shè)備想要使用GTS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要在高優(yōu)先級(jí)設(shè)備使用GTS傳輸結(jié)束后再等待2n個(gè)超級(jí)幀的時(shí)間才能對(duì)GTS進(jìn)行重新調(diào)用。這種被動(dòng)解除GTS資源的調(diào)動(dòng)方案會(huì)導(dǎo)致低通信量狀態(tài)的設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法調(diào)用GTS資源。通過(guò)應(yīng)用改進(jìn)的GTS方案，低通信量狀態(tài)的設(shè)備可以通過(guò)發(fā)送GTS請(qǐng)求將設(shè)備提升至高通信量狀態(tài)，有效避免此類情況的發(fā)生。

② 優(yōu)先級(jí)分配：通過(guò)使用上面的狀態(tài)圖，PAN協(xié)調(diào)器可以監(jiān)視設(shè)備最近的傳輸行為，并將按通信量對(duì)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤诸?。可以?duì)圖3中的狀態(tài)圖進(jìn)行進(jìn)一步的修改，使得每個(gè)設(shè)備可以進(jìn)行GTS優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)分配，充分利用GTS資源。設(shè)備優(yōu)先級(jí)編號(hào)的管理取決于傳輸反饋和設(shè)備的通信量等級(jí)狀態(tài)，維持設(shè)備優(yōu)先級(jí)編號(hào)的細(xì)節(jié)如下。

與純粹地使用AIMD算法的優(yōu)先級(jí)分配機(jī)制相比，本文方案提供了多層次的AIMD算法可以隨時(shí)更新設(shè)備的優(yōu)先級(jí)編號(hào)，編號(hào)的更新取決于設(shè)備的通信量等級(jí)狀態(tài)。一方面，高優(yōu)先級(jí)設(shè)備如果臨時(shí)中斷GTS的使用，它將會(huì)降格為較低優(yōu)先級(jí)；另一方面，如果一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的設(shè)備開(kāi)始請(qǐng)求GTS服務(wù)來(lái)傳輸數(shù)據(jù),其優(yōu)先級(jí)將大大提升，PAN協(xié)調(diào)器會(huì)為其盡快提供GTS服務(wù)，可以有效避免如低優(yōu)先級(jí)的設(shè)備無(wú)法獲取GTS調(diào)度的現(xiàn)象。本文優(yōu)先級(jí)分配重點(diǎn)是設(shè)備否有連續(xù)的數(shù)據(jù)通過(guò)GTS進(jìn)行傳輸。此方案對(duì)于連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備有利，但對(duì)于已閑置一段時(shí)間的設(shè)備，可認(rèn)為其不需要GTS服務(wù)，從而降低此類設(shè)備的優(yōu)先級(jí)。

由圖3可知，如果設(shè)備n在HH狀態(tài)一直使用GTS服務(wù)然后偶然間停止使用GTS，它的優(yōu)先級(jí)編號(hào)Prin會(huì)增加1。一旦設(shè)備n在接下來(lái)的超幀中繼續(xù)請(qǐng)求GTS服務(wù)，且其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是連續(xù)的，設(shè)備n增加的優(yōu)先級(jí)數(shù)目會(huì)以指數(shù)方式減半，這樣設(shè)備n的優(yōu)先級(jí)可以迅速的“恢復(fù)”。假設(shè)有設(shè)備k在LL狀態(tài)下，若其進(jìn)行連續(xù)的GTS數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)先級(jí)就會(huì)如設(shè)備n一般迅速的提升。但是，若設(shè)備k只進(jìn)行了一次GTS傳輸，隨后停止傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)備k的優(yōu)先級(jí)的降級(jí)會(huì)比設(shè)備n快得多。為設(shè)備進(jìn)行分類可以防止低優(yōu)先級(jí)設(shè)備無(wú)法進(jìn)行GTS傳輸，同時(shí)在高通信量等級(jí)的設(shè)備偶然終端通信時(shí)維持GTS服務(wù)的穩(wěn)定。

2.2 GTS調(diào)度階段

在PAN協(xié)調(diào)器管理下，WPAN中所有設(shè)備的GTS調(diào)度優(yōu)先級(jí)分配在設(shè)備分類階段已經(jīng)完成。接下來(lái)，在GTS調(diào)度階段，GTS資源被調(diào)度給各個(gè)設(shè)備。調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)是基于各設(shè)備的優(yōu)先級(jí)編號(hào)，超幀長(zhǎng)度和超幀中GTS容量。GTS調(diào)度算法如程序1所示。

程序1 DEVICE SCHEDULING

① 假設(shè)WAPN中有N個(gè)設(shè)備,

②P={Pri1,Pri2,… ,PriN},

③Th=MRBO其中M和R為常數(shù),

④ while GTS容量未過(guò)載do,

⑤ 尋找設(shè)備k，Prik∈P是集合P中最小值,

⑥ ifPrik≤Ththen,

⑦ 設(shè)備k在當(dāng)前超幀中進(jìn)行GTS調(diào)度,

⑧ 將Prik從集合P中移除,

⑨ else,

⑩ break,

假設(shè)WPAN中有N個(gè)設(shè)備，P為N個(gè)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)編號(hào)的集合。在程序1中，PAN協(xié)調(diào)器首先檢查GTS容量是否過(guò)載，超幀中GTS容量贏滿足一下兩個(gè)要求：① 提供GTS服務(wù)的GTS時(shí)隙數(shù)目最多為7。② CAP最小長(zhǎng)度為aMinCAPLength，總GTS時(shí)長(zhǎng)的增加不會(huì)導(dǎo)致CAP長(zhǎng)度小于aMinCAPLength。

如果滿足以上要求，GTS容量就沒(méi)有過(guò)載。假設(shè)有足夠GTS資源來(lái)容納更多的設(shè)備，則執(zhí)行5～11行的WHILE循環(huán)。在WHILE循環(huán)的每次迭代中，選出P中最小值(設(shè)備k的優(yōu)先級(jí)編號(hào))Prik，比較Prik與動(dòng)態(tài)閾值Th的大小。Th定義如下：

Th=MRBO，

(1)

式中，M為最大優(yōu)先級(jí)編號(hào)，R為常數(shù)且0

這里給出閾值Th是考慮到λ的通信量負(fù)荷。當(dāng)通信量負(fù)荷較輕即大多數(shù)設(shè)備優(yōu)先級(jí)編號(hào)較高時(shí)，沒(méi)有必要為設(shè)備分配太多GTS資源。這種情況下將太多專用帶寬用于GTS傳輸會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，甚至影響系統(tǒng)的總體性能。因此此時(shí)應(yīng)將GTS帶寬轉(zhuǎn)移到基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的CAP時(shí)段。為此，PAN協(xié)調(diào)區(qū)必須檢測(cè)GTS通信量并使用閾值Th取消不必要的GTS調(diào)度。由式(1)可知，Th的值由M、R和BO決定。隨著信標(biāo)間隔的增大，設(shè)備請(qǐng)求GTS調(diào)度的概率也會(huì)相應(yīng)增加?；趦?yōu)先級(jí)分配機(jī)制，請(qǐng)求GTS調(diào)度的設(shè)備即使只進(jìn)行一次GTS調(diào)度請(qǐng)求，它們也會(huì)分配到較小的優(yōu)先級(jí)編號(hào)。為了不將稀缺的GTS資源分配給那些極少發(fā)送GTS調(diào)度請(qǐng)求的設(shè)備，需要更精確的閾值。這種情況下，Th的值應(yīng)遠(yuǎn)小于M。而當(dāng)超幀長(zhǎng)度BI較小時(shí)，Th的值可以增大，設(shè)備選擇的限制可以更加寬松?；谏鲜稣撟C，若Prik≤Th(程序第6行)，則在當(dāng)前超幀中調(diào)度GTS給設(shè)備k。

3 性能分析

本節(jié)中，建立了一個(gè)GTS的仿真模型來(lái)對(duì)提出的自適應(yīng)GTS調(diào)度(AGA)算法進(jìn)行評(píng)估。仿真遵循IEEE802.15.4MAC協(xié)議的規(guī)范，并進(jìn)行數(shù)學(xué)分析驗(yàn)證。為了不失普遍性的考慮，進(jìn)行了以下假設(shè)來(lái)降低仿真模型的復(fù)雜度：① 只考慮GTS業(yè)務(wù)量；② 不考慮GTS重傳的事例；③ 只接受用于上行業(yè)務(wù)的傳輸GTS。

在仿真模型中，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中有10個(gè)設(shè)備其中1個(gè)為PAN協(xié)調(diào)器。每次仿真運(yùn)行10 000個(gè)BI(即49 152 s)。每個(gè)設(shè)備的分組到達(dá)都為泊松分組到達(dá)，到達(dá)頻率為λ。分別考慮業(yè)務(wù)量大和業(yè)務(wù)量小的2種業(yè)務(wù)類型，λh和λl分別對(duì)應(yīng)以上2種情況的到達(dá)頻率。仿真中，設(shè)λh=0.3/s,λl=0.1/s。因?yàn)镮EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為低速率無(wú)線通訊協(xié)議，所以在基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的WPAN中λ的取值是合理的。設(shè)業(yè)務(wù)量大的設(shè)備數(shù)目與所有設(shè)備數(shù)目的比值為v。表1為仿真模型的輸入?yún)?shù)。

表1 主要仿真參數(shù)

至于輸出量，分組平均等待時(shí)間為AGA算法中的一個(gè)重要指標(biāo)。此外，使用公平指數(shù)F(分組等待次數(shù))來(lái)衡量不同狀態(tài)的設(shè)備的公平性。F定義為：

(2)

式中，N為網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的總數(shù)量，Wi為設(shè)備i的分組平均等待時(shí)間。在式(2)中，0≤F≤1。當(dāng)所有設(shè)備的平均等待次數(shù)相近時(shí)，F(xiàn)值趨近于1。反之，若Wi的值差別較大，F(xiàn)值趨近于1。因此F值越大，表明設(shè)備在獲得GTS帶寬上就越公平，饑餓現(xiàn)象就越不可能發(fā)生。

圖4和圖5為AGA方案和原802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，v(業(yè)務(wù)量大的設(shè)備數(shù)占總設(shè)備數(shù)的百分比)對(duì)分組平均等待時(shí)間和公平性的影響。

圖4 平均等待時(shí)間

圖5 GTS調(diào)度的公平性

由圖4可知，在原有GTS算法中，隨著v的增加，平均等待時(shí)間顯著增加。這是因?yàn)樵璆TS算法的GTS調(diào)度遵循先進(jìn)先服務(wù)的原則，無(wú)法處理快速增加的負(fù)載。原GTS算法中，平均等待時(shí)間增加是因?yàn)闃I(yè)務(wù)量大的設(shè)備長(zhǎng)期占據(jù)GTS的結(jié)果。另一方面，提出的改進(jìn)的GTS算法，它的平均等待時(shí)延要遠(yuǎn)小于原GTS算法。

圖5中公平性曲線可以進(jìn)一步解釋為什么原GTS算法的平均等待時(shí)間迅速增加。圖5表明當(dāng)80%≤v≤90%時(shí)，原IEEE802.15.4算法中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的不公平現(xiàn)象，即大多數(shù)GTS資源被分配給了業(yè)務(wù)量大的設(shè)備，業(yè)務(wù)量小的設(shè)備可能會(huì)發(fā)生饑餓現(xiàn)象。但是改進(jìn)的GTS算法可以將平均等待時(shí)間維持在一個(gè)較小的值，并為所有設(shè)備提供更加公平的GTS傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的WPAN網(wǎng)絡(luò)中，為提高信標(biāo)使能模式下GTS調(diào)度機(jī)制的性能，針對(duì)時(shí)延和公平性提出了一個(gè)新的GTS調(diào)度算法。改進(jìn)了原有的FCFS調(diào)度算法，將節(jié)點(diǎn)按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配，優(yōu)先級(jí)大小由AIMD算法決定，避免某些節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間占用信道，影響傳輸公平性。仿真結(jié)果表明，該改進(jìn)算法提高了GTS調(diào)度算法的公平性，降低了傳輸時(shí)延。

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Adaptive GTS Allocation with Latency and Fairness Considerations for IEEE 802.15.4

YANG Peng-fei,WANG Shen-tao,WEN Yu-qiang,ZHAO Lin

(Information Engineering Department of Chongqing CommunicationsInstitute,Chongqing400035,China)

This paper mainly describes the GTS mechanism in IEEE802.15.4 standard.Based on the existing IEEE 802.15.4 MAC protocol,an adaptive GTS allocation scheme is proposed with the consideration of low-latency and fairness.The simulation model and mathematical model of GTS mechanism are established to evaluate the performance of the adaptive GTS allocation scheme.Results show that the proposed GTS scheme outperforms the existing IEEE802.15.4 GTS scheme.

IEEE802.15.4;Guaranteed Time Slot;delay；arrival rate；burst size

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.15

楊鵬飛,王申濤,文玉強(qiáng)，等.IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的自適應(yīng)GTS調(diào)度機(jī)制[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(1):60-64.

2016-09-26

楊鵬飛(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。王申濤(1980—)，男，碩士，主要研究方向：移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

TN92

A

1003-3114(2017)01-60-5