摘  要： 簡(jiǎn)述了IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議中超幀結(jié)構(gòu)和保護(hù)時(shí)隙(GTS)分配機(jī)制，分析了星狀網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)使能模式下設(shè)備節(jié)點(diǎn)利用GTS方式通信時(shí)超幀結(jié)構(gòu)中各參數(shù)對(duì)能耗與時(shí)延性能的影響。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種GTS調(diào)度新算法，該調(diào)度算法對(duì)時(shí)延期限小的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先進(jìn)行GTS分配并在滿足其時(shí)延要求情況下，根據(jù)業(yè)務(wù)量調(diào)節(jié)超幀結(jié)構(gòu)中的超幀序號(hào)SO與信標(biāo)序號(hào)BO，使設(shè)備節(jié)點(diǎn)能耗降到最低，從而實(shí)現(xiàn)星狀網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能耗與時(shí)延均衡，并用NS2仿真評(píng)估了調(diào)度新算法性能，其研究可為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)提供參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞： IEEE 802.15.4；GTS；能耗；時(shí)延

    隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)無線移動(dòng)通信尤其是短距離無線移動(dòng)通信的需求日益增多。為滿足用戶對(duì)低速率、低成本、低能耗的短距離無線通信需求，2003年5月，IEEE 802.15.4工作組正式發(fā)布了針對(duì)低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Network)的物理層(PHY)和媒體接入控制(MAC)的IEEE 802.15.4規(guī)范[1]。2004年，ZigBee聯(lián)盟組織采納了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)等LR-WPAN奠定了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)，從而為相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新契機(jī)。
    WSN起源于20世紀(jì)90年代末，并在21世紀(jì)得到迅速發(fā)展，在國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居、抗災(zāi)救險(xiǎn)和交通領(lǐng)域等人類生活的各方面發(fā)揮著重要作用。例如，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Intel實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院聯(lián)合在大鴨島(Great Duck Island)上部署了1個(gè)多層次的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用來監(jiān)測(cè)島上海燕的生活習(xí)性；在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起，利用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可完成對(duì)家電的遙控，在人們回家之前打開電腦、電視和空調(diào)等。WSN將是人類與物理世界實(shí)現(xiàn)良好“溝通”的橋梁，它可以讓人們更好地了解這個(gè)物理世界，生活得更加方便舒服。
    WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)問題是WSN的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于大部分WSN傳感器節(jié)點(diǎn)利用干電池供電，其本身不能自動(dòng)補(bǔ)充能量或者得不到充分補(bǔ)充，從而影響WSN運(yùn)行效率。為了減少設(shè)備的功耗，必須盡量減少設(shè)備的工作時(shí)間，增加設(shè)備的休眠時(shí)間，但是這樣會(huì)增加設(shè)備處理數(shù)據(jù)信息時(shí)產(chǎn)生時(shí)延。同時(shí)，為了保證設(shè)備之間能夠正常工作，每個(gè)設(shè)備周期性監(jiān)聽其無線信道，判斷是否有需要自己處理的數(shù)據(jù)信息。所有這些使得在實(shí)際應(yīng)用中必須對(duì)能耗和時(shí)延進(jìn)行綜合考慮，以獲得它們之間的相對(duì)平衡。因此，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備節(jié)點(diǎn)的生命周期，節(jié)約能量就成為WSN中MAC協(xié)議設(shè)計(jì)首要考慮的因素，通過設(shè)計(jì)IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議中的超幀結(jié)構(gòu)可為降低能耗提供方案。隨著應(yīng)用WSN環(huán)境對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求越來越高，時(shí)延性也成為WSN中MAC協(xié)議設(shè)計(jì)考慮的重要因素，IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議中保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制為此提供解決方案。
    本文的主要工作是在分析IEEE 802.15.4 MAC 協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種GTS分配機(jī)制調(diào)度新算法，通過IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議的超幀結(jié)構(gòu)和保護(hù)時(shí)隙(GTS)分配機(jī)制的設(shè)計(jì)來平衡WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與時(shí)延問題。
1 IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議分析
    IEEE 802.15.4協(xié)議支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能2種通信模式。信標(biāo)模式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度的節(jié)省功耗，而非信標(biāo)模式則只允許終端設(shè)備進(jìn)行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由設(shè)備必須長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)。信標(biāo)模式下提供了超幀結(jié)構(gòu)和GTS分配機(jī)制[2]。
1.1 超幀結(jié)構(gòu)
    超幀結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)中的主協(xié)調(diào)來定義，由網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)來限定。超幀結(jié)構(gòu)一般由激活區(qū)間和非激活區(qū)間兩部分組成。圖1給出了1個(gè)超幀結(jié)構(gòu)實(shí)例。

    激活區(qū)間稱為超幀，它由16個(gè)長(zhǎng)度相等的時(shí)隙組成，每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度與超幀序號(hào)相關(guān)，信標(biāo)間隙的長(zhǎng)度與信標(biāo)序號(hào)相關(guān)。超幀長(zhǎng)度用SD表示，信標(biāo)間隙用BI表示，超幀序號(hào)與信標(biāo)序號(hào)分別用SO和BO表示。則SD和BI分別與SO和BO之間的關(guān)系可以用公式(1)表示。

    在競(jìng)爭(zhēng)接入期(CAP)，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)采用時(shí)隙的CSMA-CA機(jī)制訪問信道，只有在當(dāng)前時(shí)隙獲得信道訪問權(quán)限的節(jié)點(diǎn)才能在該時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送或接收幀。在免競(jìng)爭(zhēng)期(CFP)，數(shù)據(jù)的傳輸不使用CSMA-CA機(jī)制。只要節(jié)點(diǎn)分配了GTS，則節(jié)點(diǎn)就可以在該GTS包含時(shí)隙內(nèi)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。在非激活期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省能耗。
1.2 GTS分配機(jī)制
    設(shè)備節(jié)點(diǎn)要使用GTＳ進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須向網(wǎng)絡(luò)中的PAN協(xié)調(diào)器進(jìn)行申請(qǐng)，發(fā)送GTS分配請(qǐng)求命令，GTS請(qǐng)求命令幀的GTS特性域的特性類型子域設(shè)置為１(表示GTS分配)，根據(jù)所需的GTS特性設(shè)置GTS時(shí)隙長(zhǎng)度和方向。
    PAN協(xié)調(diào)器接收到GTS請(qǐng)求命令幀，將發(fā)送確認(rèn)幀，對(duì)接收進(jìn)行確認(rèn)。然后，PAN協(xié)調(diào)器根據(jù)CAP中所剩余的長(zhǎng)度和請(qǐng)求GTS長(zhǎng)度，檢查在當(dāng)前超幀中是否有足夠的容量。如果沒有達(dá)到保護(hù)時(shí)隙的最大數(shù)目(在1超幀中最多分配7個(gè)GTS)，并且所需分配長(zhǎng)度的GTS不會(huì)將CAP的長(zhǎng)度減少到小于aMinCAPLength(IEEE 802.15.4規(guī)定的CAP最小長(zhǎng)度)。只要PAN協(xié)調(diào)器能有效地提供足夠的帶寬，就會(huì)根據(jù)先來先服務(wù)(FCFＳ)的原則分配保護(hù)時(shí)隙。PAN協(xié)調(diào)器在信標(biāo)幀中的GTS域說明GTS分配情況。設(shè)備節(jié)點(diǎn)在4個(gè)信標(biāo)周期內(nèi)，對(duì)接收到的信標(biāo)幀的GTS域進(jìn)行分析，判斷是否被分配了GTS時(shí)隙。
1.3 GTS數(shù)據(jù)傳輸方式
    數(shù)據(jù)以GTS方式進(jìn)行傳輸，MAC層將判斷是否存在1個(gè)有效的保護(hù)時(shí)隙。如果設(shè)備是1個(gè)PＡＮ協(xié)調(diào)器，那么MAC層將判斷協(xié)調(diào)器是否存在數(shù)據(jù)目的設(shè)備的接收保護(hù)時(shí)隙；如果不是PAN協(xié)調(diào)器，那么該設(shè)備MAC層將判斷是否被分配了發(fā)送保護(hù)時(shí)隙。如果存在有效的保護(hù)時(shí)隙，MAC層將根據(jù)實(shí)際情況，產(chǎn)生一個(gè)延遲，直到該設(shè)備的有效接收保護(hù)到來，在保護(hù)時(shí)隙內(nèi)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到所指定的目標(biāo)設(shè)備。這時(shí)，MAC層將以非CSMA-CA方式傳輸數(shù)據(jù)，整個(gè)傳輸和應(yīng)答過程(如需要確認(rèn)幀)應(yīng)在該保護(hù)時(shí)隙內(nèi)完成。
    假設(shè)GTS時(shí)隙長(zhǎng)度為TS，數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)間為Tdate，幀間隙為IFS(與數(shù)據(jù)幀的大小相關(guān))，確認(rèn)幀的傳輸時(shí)間為TACK，則它們之間的關(guān)系滿足如下關(guān)系式：

   
1.4 性能分析
    參考文獻(xiàn)[3]運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)微積分理論(假設(shè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量及傳輸曲線如圖2所示)分析了星狀網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)以GTS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)時(shí)延、能耗與SD之間的關(guān)系，其表達(dá)式為：

   
式中，DC=SO/BO表示占空比，n表示節(jié)點(diǎn)分配的GTS包含的時(shí)隙數(shù)，D表示數(shù)據(jù)傳輸最大時(shí)延，Tdate表示節(jié)點(diǎn)在GTS時(shí)隙內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，b表示進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前的業(yè)務(wù)量，C表示數(shù)據(jù)傳輸速率。

    由式(3)可知，占空比越小，BO越大，信標(biāo)間隙越大，非激活區(qū)間越長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)消耗能量越低。在其他參數(shù)一定的情況下，DC與D成比，即能耗與時(shí)延成反比。由(1)式可知，SD與SO相關(guān)，所以能耗與時(shí)延受業(yè)務(wù)量和SO影響(Tdate也受SO影響)。當(dāng)業(yè)務(wù)量小時(shí)，在滿足時(shí)延要求的情況下，能耗主要受SD影響，SO較小，則能耗較低。當(dāng)業(yè)務(wù)量較大時(shí)，則能耗受業(yè)務(wù)量影響較大。當(dāng)占空比一定的情況下，時(shí)延受業(yè)務(wù)量和SO的影響，若SO和業(yè)務(wù)量較大，則時(shí)延也較大。SO和業(yè)務(wù)量較小時(shí)，則時(shí)延也較小。
    在實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，為了實(shí)現(xiàn)能耗與時(shí)延的均衡，在滿足時(shí)延的情況下，為使設(shè)備能耗最小，必須根據(jù)設(shè)備業(yè)務(wù)量情況，調(diào)節(jié)SO，使DC最低。
2 GTS分配機(jī)制調(diào)度算法設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)GTS分配機(jī)制在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)能耗與時(shí)延的相對(duì)均衡，由(3)式可知，必須根據(jù)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量和時(shí)延要求調(diào)節(jié)SO使占空比最小，從而使網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備節(jié)點(diǎn)的能耗最低。但I(xiàn)EEE 802.15.4提供的先來先服務(wù)(FCFS)GTS分配機(jī)制不能滿足這個(gè)要求。且由(2)式可知，設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)際需要的時(shí)隙可能比所分配的時(shí)隙要小，這就造成時(shí)隙的浪費(fèi)，造成網(wǎng)絡(luò)帶寬的下降和影響其他設(shè)備對(duì)GTS的使用。參考文獻(xiàn)[4]分析了設(shè)備以GTS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)實(shí)際所需時(shí)隙及CFP中最多時(shí)隙與SO的關(guān)系，但當(dāng)SO≥2時(shí)，無論傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀有多大(IEEE 802.15.4中最大數(shù)據(jù)幀為133字節(jié))，只需要1個(gè)時(shí)隙。所以本文設(shè)計(jì)了一種新的GTS分配機(jī)制調(diào)度算法，稱為時(shí)延優(yōu)先TDP(Time Delay Priority)調(diào)度算法。該調(diào)度算法的基本思想是：在星狀網(wǎng)絡(luò)中，需要申請(qǐng)使用GTS的設(shè)備將自己的初始業(yè)務(wù)量b和時(shí)延期限D(zhuǎn)附在GTS請(qǐng)求命令幀中，發(fā)送給PAN協(xié)調(diào)器。PAN協(xié)調(diào)器最多給網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備分配1個(gè)時(shí)隙，同時(shí)被分配保護(hù)時(shí)隙的設(shè)備最大值與SO相關(guān)，且根據(jù)接收到的網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的業(yè)務(wù)量和時(shí)延期限值，按照(3)式調(diào)節(jié)SO的值使占空比最低，其中n=1，Tdate=SD/16。當(dāng)有新設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入星狀網(wǎng)絡(luò)或由設(shè)備已完成傳輸時(shí)，該調(diào)度算法由PAN協(xié)調(diào)器在發(fā)送下1個(gè)信標(biāo)幀前調(diào)用。GTS分配機(jī)制TDP調(diào)度算法流程圖如圖3所示。

3 仿真分析與小結(jié)
    本文運(yùn)用NS2[5]仿真軟件對(duì)TDP、GTS分配機(jī)制調(diào)度算法進(jìn)行了仿真，仿真場(chǎng)景和仿真參數(shù)分別如圖4和表1所示，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量和時(shí)延期限如表2所示。每次仿真，各節(jié)點(diǎn)分別以GTS方式向PAN協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，重復(fù)傳輸2次，仿真運(yùn)行20次。

    本文采用3個(gè)參數(shù)對(duì)該GTS調(diào)度算法的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)：
    

    由圖5可知，TDP調(diào)度算法的TDR為100%，而FCFS的TDR比較低，TDP、GTS分配機(jī)制調(diào)度算法的TDR比FCFS分配機(jī)制調(diào)度算法的TDR要高。這是因?yàn)門DP調(diào)度算法優(yōu)先考慮了時(shí)延要求，在滿足時(shí)延要求的情況下再進(jìn)行GTS分配，而FCFS沒有考慮這一點(diǎn)。由圖6可知，采用TDP調(diào)度算法，節(jié)點(diǎn)能在規(guī)定時(shí)延范圍內(nèi)完成傳輸，而在FCFS則不能。這是因?yàn)門DP優(yōu)先為時(shí)延期限小的節(jié)點(diǎn)分配GTS，且以節(jié)點(diǎn)最小時(shí)延期限為系統(tǒng)最大延遲，且每到1個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸完成時(shí)，重新進(jìn)行調(diào)度，而FCFS沒有進(jìn)行調(diào)度。由圖7可知，在TDP下，節(jié)點(diǎn)的剩余能量比FCFS偏多一些，是因?yàn)門DP調(diào)度算法在滿足時(shí)隙要求情況下，調(diào)節(jié)占空比，使占空比最低，適當(dāng)增加了節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間，而FCFS調(diào)度沒有考慮能耗問題。
    本文在分析IEEE 802.15.4協(xié)議GTS分配機(jī)制基礎(chǔ)上，提出了一種新的TDP調(diào)度算法。該調(diào)度算法對(duì)時(shí)延期限小的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先進(jìn)行GTS分配且在滿足其時(shí)延要求的情況下，根據(jù)業(yè)務(wù)量調(diào)節(jié)超幀結(jié)構(gòu)中的SO和BO，使設(shè)備節(jié)點(diǎn)能耗降到最低，實(shí)現(xiàn)設(shè)備能耗與時(shí)延的相對(duì)均衡，為促進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用具有參考意義。但目前該調(diào)度算法只適合于星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其適合其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍需要進(jìn)一步研究。
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