IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)仿真研究

金東方，趙文，蘇先海，史建

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，成都 610041）

0 引言

對于當(dāng)前IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)來講，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗進(jìn)而提高能量效率的有效方法之一就是利用超幀中定義的休眠模式，從而使節(jié)點(diǎn)能夠在超幀競爭訪問周期（CAP）內(nèi)進(jìn)入低功耗的工作模式。本文給出了較為詳細(xì)仿真的試驗(yàn)流程、網(wǎng)絡(luò)模擬器的實(shí)現(xiàn)及計(jì)算網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)所使用的算法，通過選取一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)場景，對網(wǎng)絡(luò)活躍時(shí)段進(jìn)入休眠模式、減小競爭窗口長度及原始標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了分析和比較，驗(yàn)證了相關(guān)措施在低速率傳輸時(shí)的良好效果。

1 仿真分析處理結(jié)構(gòu)

圖1描述了本文仿真的處理結(jié)構(gòu)，為了生成最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)了一些腳本和程序，也解釋了仿真用到的這些腳本和程序的內(nèi)部依賴關(guān)系。在用NS2運(yùn)行wpan.tcl腳本進(jìn)行仿真之前，需要嵌入節(jié)點(diǎn)場景文件和數(shù)據(jù)流文件，這些文件包含的內(nèi)容也可以直接存在于wpan.tcl腳本中，但為了使TCL腳本更簡明和便于閱讀，通常會(huì)把節(jié)點(diǎn)場景文件和數(shù)據(jù)流文件分別單獨(dú)放到文件wpan.scn和traffic中保存。

首先，分別用scen_gen和cbrgen_star兩個(gè)小程序生成節(jié)點(diǎn)場景文件wpan.scn和cbr數(shù)據(jù)流文件traffic，

并在wpan.tcl腳本中用source命令嵌入這兩個(gè)文件；然后用NS2運(yùn)行wpan.tcl腳本，生成包含有網(wǎng)絡(luò)仿真過程中發(fā)生的各種事件信息的跟蹤文件wpan.tr和作為NAM輸入文件的wpan.nam。最后，用awk腳本文件performance.awk并以wpan.tr作為輸入生成分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果，每次仿真的性能指標(biāo)就可由此得出。

圖1 仿真分析處理結(jié)構(gòu)

2 仿真模擬器的實(shí)現(xiàn)

本文仿真的網(wǎng)絡(luò)場景有以下特點(diǎn)：

（1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一跳的星型網(wǎng)絡(luò)，周邊節(jié)點(diǎn)與無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）協(xié)調(diào)器以無線方式連接，并直接與其通信；

（2）所有節(jié)點(diǎn)都相互在其載波監(jiān)聽范圍之內(nèi)，這樣就消除了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隱藏節(jié)點(diǎn)的存在及其造成的數(shù)據(jù)包沖突；

（3）不使用MAC層對數(shù)據(jù)包的確認(rèn)機(jī)制；

（4）節(jié)點(diǎn)在競爭訪問周期（CAP）內(nèi)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)入休眠，而不是只在非競爭訪問周期（CFP）內(nèi)才進(jìn)行休眠；

（5）使用修改過的AODV路由協(xié)議。

結(jié)合本文設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)場景需求，修改NS2中的網(wǎng)絡(luò)模擬器，使其支持休眠狀態(tài)及休眠-空閑和空閑-休眠的過度狀態(tài)，并具備在沒有數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)節(jié)點(diǎn)自我關(guān)閉的能力。

同時(shí)，根據(jù)本文研究設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)場景，下面的一些修改有助于提高仿真的準(zhǔn)確性：

（1）修改./wpan/p802_15_4phy.cc文件中的Phy802_15_4：：CarrierSenser（）函 數(shù) ，增 加 能 量 接 收 閾 值EDThresh_參數(shù)，用來衡量一個(gè)信道的狀態(tài)，并將其設(shè)置為大于接收器接收靈敏度10dB的值[1]，如果能量檢測值大于該值，將認(rèn)為信道忙。

（2）由于本文中網(wǎng)絡(luò)場景節(jié)點(diǎn)是直接且只與PAN協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，并不需要路由協(xié)議的路由表查詢和路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制功能，所以這里修改了NS2中的AODV路由協(xié)議，使它的下一跳的節(jié)點(diǎn)地址就是目標(biāo)本身[2]，可通過修改./aodv/aodv.cc文件中的recv（）函數(shù)和forward（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

（3）由于修改了路由協(xié)議，需要對ARP協(xié)議做一些簡單改動(dòng)，即使目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地址映射信息不存在，也不再發(fā)送任何請求信息，而是假設(shè)地址映射信息總是存在于arp表中，通過修改mac/arp.cc文件中的arplookup（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

（4）在文獻(xiàn)[3]中，作者對ACK機(jī)制給網(wǎng)絡(luò)仿真的影響進(jìn)行了分析，本文所重點(diǎn)討論的網(wǎng)絡(luò)場景不使用ACK確認(rèn)機(jī)制，對IEEE 802.15.4模擬器中的ACK機(jī)制進(jìn)行修改，設(shè)定一個(gè)較長些的ACK持續(xù)時(shí)間，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)場景頻段，將其設(shè)定為55個(gè)符號(hào)周期[4]，通過修改./wpan/p802_15_4def.h文件中 macAckWaitDuration的取值來實(shí)現(xiàn)。

在對IEEE 802.15.4模擬器進(jìn)行了上述修改后，仿真流程并沒有變化，而網(wǎng)絡(luò)仿真過程中的內(nèi)部處理卻發(fā)生了改變。為了驗(yàn)證對IEEE 802.15.4模擬器修改后的效果，構(gòu)建了一個(gè)簡單的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在40s后開始傳輸40Bytes大小的cbr數(shù)據(jù)包。

圖2 仿真過程中模擬器的輸出信息

圖2為在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真過程中IEEE 802.15.4模擬器輸出的網(wǎng)絡(luò)事件信息的一段截圖，從中可以知道加入休眠機(jī)制后，節(jié)點(diǎn)在空閑的時(shí)候進(jìn)入了休眠狀態(tài)，而當(dāng)有數(shù)據(jù)到來時(shí)，節(jié)點(diǎn)又能夠被喚醒，例如，節(jié)點(diǎn)1在555.411808s進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)5在555.470080s被喚醒，驗(yàn)證了所做修改的有效性。

3 性能分析時(shí)使用的計(jì)算方法

在用NS2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析時(shí)，要得到網(wǎng)絡(luò)模型的性能指標(biāo)，需要對網(wǎng)絡(luò)仿真產(chǎn)生的*.tr文件進(jìn)行分析，對于本文的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型，采用如下所述的算法來分析各網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，用awk腳本求網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)時(shí)的算法基于以下對各指標(biāo)的描述。

3.1 吞吐量算法

吞吐量是指網(wǎng)絡(luò)傳送二進(jìn)制信息的速率，也稱比特率或帶寬。本文定義吞吐量為單位時(shí)間內(nèi)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)成功傳輸有效載荷的速率，考慮到IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)低速率特點(diǎn)及其能支持的最大速率[5]，本文用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)每秒鐘所成功接收的有效數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)來表示吞吐量，而忽略非有效載荷（例如信標(biāo)及包頭）的數(shù)據(jù)傳輸。本文計(jì)算吞吐量的算法采用先計(jì)算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)成功接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)（對于本文網(wǎng)絡(luò)模型來說即為PAN協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)），并計(jì)算出相應(yīng)的接收比特?cái)?shù)，然后用這個(gè)比特?cái)?shù)除以仿真時(shí)間，最后算出平均吞吐量[6]。因此，吞吐量可以描述如下：

3.2 節(jié)點(diǎn)能耗算法

節(jié)點(diǎn)能耗指在全部仿真過程中節(jié)點(diǎn)消耗的能量，單位為焦耳。本文關(guān)注的節(jié)點(diǎn)能耗是指仿真時(shí)間內(nèi)除PAN協(xié)調(diào)器以外的所有節(jié)點(diǎn)的平均能耗。求節(jié)點(diǎn)平均能耗的算法為：計(jì)算出除PAN協(xié)調(diào)器外其他節(jié)點(diǎn)消耗的能量Ei

endnode_consumed，然后求出這些節(jié)點(diǎn)消耗掉的能量總和Esum_consumed，平均能耗Eaverage_consumed即為所有節(jié)點(diǎn)消耗的能量與除PAN協(xié)調(diào)器外的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)Nendnode之比[7]。平均能耗用式（2）表示，其中Einitial表示仿真時(shí)節(jié)點(diǎn)的初始能量，Eifinal表示仿真結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)剩余的能量，m為網(wǎng)絡(luò)中除PAN協(xié)調(diào)器外的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3.3 能量效率算法

為了更清楚地表達(dá)和研究MAC的能量效率，本文引入單位能量成功傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)（單位為Bytes/J）這一性能評估指標(biāo)[8]。這個(gè)指標(biāo)實(shí)際上是網(wǎng)絡(luò)成功接收的有效字節(jié)總數(shù)與除PAN協(xié)調(diào)器外的其他節(jié)點(diǎn)消耗的總能量的比值，表示網(wǎng)絡(luò)每消耗1焦耳能量，協(xié)調(diào)器成功接收到的字節(jié)數(shù)，單位能量傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)越少，表明網(wǎng)絡(luò)的能量效率越低[9]。求能量效率的算法可描述為：首先計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，進(jìn)而求出有效載荷的總字節(jié)數(shù)REsum_bytes，例如成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為100，數(shù)據(jù)包有效載荷為70 bytes，那么REsum_bytes等于7000 bytes。然后計(jì)算出除PAN協(xié)調(diào)器外的其他節(jié)點(diǎn)消耗的總能量Esum_consumed，能量效率Eefficiency即為REsum_bytes與Esum_consumed的比值。能量效率如式（3）所示：

4 網(wǎng)絡(luò)性能分析與比較

下面對網(wǎng)絡(luò)在IEEE 802.15.4原標(biāo)準(zhǔn)、超幀活躍周期內(nèi)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)入休眠和在進(jìn)入休眠的基礎(chǔ)上縮短競爭窗口長度三種情況下網(wǎng)絡(luò)吞吐量、節(jié)點(diǎn)能量消耗及與能量效率，以及減小競爭窗口對網(wǎng)絡(luò)性能的影響進(jìn)行仿真分析和比較。

圖3 與原始IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)吞吐量性能對比

如圖3所示，通過對節(jié)點(diǎn)在超幀活躍周期內(nèi)進(jìn)入休眠狀態(tài)和不進(jìn)入休眠狀態(tài)兩種情況下的性能結(jié)果進(jìn)行比對可知，使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)競爭窗口默認(rèn)值CW為2時(shí)，吞吐量并沒有因?yàn)楣?jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)而有較大變化。在相同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模情況下，所有仿真負(fù)載值時(shí)的吞吐量的變化范圍在±1%內(nèi)。這是因?yàn)椋涸谠试S節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉-空閑狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是產(chǎn)生延遲的主要原因[10]，但即使是在不進(jìn)入休眠狀態(tài)的情況下，從對CSMA/CA機(jī)制的討論可知該過渡時(shí)間也是以初始化隨機(jī)退避延遲的形式存在的，因此，進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)過渡期造成的延遲開銷與停留在空閑狀態(tài)的延遲開銷基本相同。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，CW為1和CW為2兩種情況下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量值并沒有明顯差別，這是由于此時(shí)信道多處于空閑狀態(tài)，包投遞率很高。然而，隨著負(fù)載的增加，CW為1時(shí)的吞吐量優(yōu)勢逐漸變得明顯。吞吐量之所以有些提高是因?yàn)楦偁幋翱陂L度為1時(shí)在一定程度上縮短了信道訪問時(shí)所需的時(shí)間，即減小了節(jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)所處的時(shí)間，單位時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)增加，從而使信道傳輸數(shù)據(jù)的效率提高了。由于沒有ACK機(jī)制，所以即使是在CW為1時(shí)，數(shù)據(jù)包也不會(huì)出現(xiàn)“意外”而與ACK幀沖突。當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，由于CW為1減小了包發(fā)送時(shí)間，所以能夠在一定程度上提高包投遞率，從而使網(wǎng)絡(luò)吞吐量相對于CW為2時(shí)有所提高。

圖4 與原始IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)平均能耗對比

圖5 與原始IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)能量效率對比

從圖4可以看出，在低數(shù)據(jù)速率的情況下，若節(jié)點(diǎn)在活動(dòng)周期內(nèi)不進(jìn)入休眠狀態(tài)，在仿真時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均消耗的能量大于1焦耳；而允許節(jié)點(diǎn)在活動(dòng)周期內(nèi)進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)平均消耗的能量只有0.1焦耳左右，可以推出，低速率的應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)在不活動(dòng)時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)能夠巨大地降低能量的消耗。而此時(shí)無論射頻收發(fā)器休眠與否，網(wǎng)絡(luò)吞吐量都是相當(dāng)?shù)模载?fù)載輕時(shí)讓節(jié)點(diǎn)休眠能提高能量效率。當(dāng)通信速率較高時(shí)，節(jié)點(diǎn)在休眠狀態(tài)所花的總時(shí)間也較少，所以此時(shí)讓射頻芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)帶來的能耗降低不必低速率時(shí)更有優(yōu)勢，例如，cbr包間隔時(shí)間為200 s時(shí)，進(jìn)入休眠的節(jié)點(diǎn)平均能耗只有不進(jìn)入休眠能耗的1/25，而在cbr包間隔0.01 s時(shí)，這一比例為1/5。而實(shí)際上，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載足夠重時(shí)，由于休眠-空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換的開銷（啟動(dòng)射頻芯片增加的時(shí)隙數(shù)及相關(guān)的能量消耗），在活動(dòng)周期內(nèi)讓芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)比只停留在空閑狀態(tài)消耗的能量還要多。

允許射頻芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，比較CW為2和CW為1兩種情況下的三個(gè)指標(biāo)可知，CW為1時(shí)的節(jié)點(diǎn)平均能耗比CW為2時(shí)要降低5-10%；通信速率高時(shí)，CW為1時(shí)的吞吐量也會(huì)比CW為2時(shí)有7-10%的提高；比較圖5中CW為1和CW為2兩種情況對應(yīng)的各自曲線可知，低數(shù)據(jù)率時(shí)的低能耗及高數(shù)據(jù)率時(shí)的較大吞吐量，使得CW=1時(shí)的能量效率比CW=2時(shí)有10-15%的提高。

5 結(jié)語

通過修改相關(guān)程序代碼，構(gòu)建本文研究的IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)場景，可以知道，在超幀活動(dòng)周期內(nèi)沒有數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)讓射頻芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)及CW為1兩種情況下的信道吞吐量與通常情況（活動(dòng)周期內(nèi)沒包傳輸時(shí)處于空閑狀態(tài)）下的吞吐量并沒有明顯差別。這是由于在設(shè)計(jì)射頻芯片從休眠狀態(tài)喚醒時(shí)，針對IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA初始退避延時(shí)做了相關(guān)修改，使這一退避時(shí)間能夠用于休眠到射頻芯片被激活這一過渡時(shí)間，降低能耗的同時(shí)并不會(huì)吞吐量造成大的消極影響。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，由于狀態(tài)間轉(zhuǎn)換消耗的能量抵消了因進(jìn)入休眠狀態(tài)而節(jié)省的能量，進(jìn)入休眠狀態(tài)帶來的能耗優(yōu)勢也跟著降低，所以，本文研究采取的措施只適合于低速率的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。