摘 要： 簡述了IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議中超幀結(jié)構和保護時隙(GTS)分配機制，分析了星狀網(wǎng)絡中信標使能模式下設備節(jié)點利用GTS方式通信時超幀結(jié)構中各參數(shù)對能耗與時延性能的影響。在此基礎上設計了一種GTS調(diào)度新算法，該調(diào)度算法對時延期限小的節(jié)點優(yōu)先進行GTS分配并在滿足其時延要求情況下，根據(jù)業(yè)務量調(diào)節(jié)超幀結(jié)構中的超幀序號SO與信標序號BO，使設備節(jié)點能耗降到最低，從而實現(xiàn)星狀網(wǎng)絡中各節(jié)點的能耗與時延均衡，并用NS2仿真評估了調(diào)度新算法性能，其研究可為無線傳感網(wǎng)絡的實時應用系統(tǒng)提供參考價值。
關鍵詞： IEEE 802.15.4；GTS；能耗；時延
隨著通信技術的飛速發(fā)展，人們對無線移動通信尤其是短距離無線移動通信的需求日益增多。為滿足用戶對低速率、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)布了針對低速率無線個人區(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標準，為無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)等LR-WPAN奠定了良好的應用基礎，從而為相關高新技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新契機。
WSN起源于20世紀90年代末，并在21世紀得到迅速發(fā)展，在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居、抗災救險和交通領域等人類生活的各方面發(fā)揮著重要作用。例如，美國加州大學伯克利分校Intel實驗室和大西洋學院聯(lián)合在大鴨島(Great Duck Island)上部署了1個多層次的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，用來監(jiān)測島上海燕的生活習性；在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡與Internet連接在一起，利用遠程控制系統(tǒng)，可完成對家電的遙控，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現(xiàn)良好“溝通”的橋梁，它可以讓人們更好地了解這個物理世界，生活得更加方便舒服。
WSN傳感器節(jié)點的能量供應問題是WSN的關鍵技術之一。由于大部分WSN傳感器節(jié)點利用干電池供電，其本身不能自動補充能量或者得不到充分補充，從而影響WSN運行效率。為了減少設備的功耗，必須盡量減少設備的工作時間，增加設備的休眠時間，但是這樣會增加設備處理數(shù)據(jù)信息時產(chǎn)生時延。同時，為了保證設備之間能夠正常工作，每個設備周期性監(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。所有這些使得在實際應用中必須對能耗和時延進行綜合考慮，以獲得它們之間的相對平衡。因此，為了延長網(wǎng)絡中設備節(jié)點的生命周期，節(jié)約能量就成為WSN中MAC協(xié)議設計首要考慮的因素，通過設計IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議中的超幀結(jié)構可為降低能耗提供方案。隨著應用WSN環(huán)境對實時性和可靠性要求越來越高，時延性也成為WSN中MAC協(xié)議設計考慮的重要因素，IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議中保護時隙(GTS)機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)議基礎上，設計一種GTS分配機制調(diào)度新算法，通過IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議的超幀結(jié)構和保護時隙(GTS)分配機制的設計來平衡WSN中傳感器節(jié)點能耗與時延問題。
1 IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議分析
IEEE 802.15.4協(xié)議支持信標使能和非信標使能2種通信模式。信標模式實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度的節(jié)省功耗，而非信標模式則只允許終端設備進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由設備必須長期處于工作狀態(tài)。信標模式下提供了超幀結(jié)構和GTS分配機制[2]。
1.1 超幀結(jié)構
超幀結(jié)構由網(wǎng)絡中的主協(xié)調(diào)來定義，由網(wǎng)絡信標來限定。超幀結(jié)構一般由激活區(qū)間和非激活區(qū)間兩部分組成。圖1給出了1個超幀結(jié)構實例。
激活區(qū)間稱為超幀，它由16個長度相等的時隙組成，每個時隙的長度與超幀序號相關，信標間隙的長度與信標序號相關。超幀長度用SD表示，信標間隙用BI表示，超幀序號與信標序號分別用SO和BO表示。則SD和BI分別與SO和BO之間的關系可以用公式(1)表示。
在競爭接入期(CAP)，各網(wǎng)絡設備節(jié)點采用時隙的CSMA-CA機制訪問信道，只有在當前時隙獲得信道訪問權限的節(jié)點才能在該時隙內(nèi)進行發(fā)送或接收幀。在免競爭期(CFP)，數(shù)據(jù)的傳輸不使用CSMA-CA機制。只要節(jié)點分配了GTS，則節(jié)點就可以在該GTS包含時隙內(nèi)直接進行數(shù)據(jù)的傳輸。在非激活期內(nèi)，節(jié)點進入休眠狀態(tài)，以節(jié)省能耗。
1.2 GTS分配機制
設備節(jié)點要使用GTＳ進行數(shù)據(jù)傳輸，必須向網(wǎng)絡中的PAN協(xié)調(diào)器進行申請，發(fā)送GTS分配請求命令，GTS請求命令幀的GTS特性域的特性類型子域設置為１(表示GTS分配)，根據(jù)所需的GTS特性設置GTS時隙長度和方向。
PAN協(xié)調(diào)器接收到GTS請求命令幀，將發(fā)送確認幀，對接收進行確認。然后，PAN協(xié)調(diào)器根據(jù)CAP中所剩余的長度和請求GTS長度，檢查在當前超幀中是否有足夠的容量。如果沒有達到保護時隙的最大數(shù)目(在1超幀中最多分配7個GTS)，并且所需分配長度的GTS不會將CAP的長度減少到小于aMinCAPLength(IEEE 802.15.4規(guī)定的CAP最小長度)。只要PAN協(xié)調(diào)器能有效地提供足夠的帶寬，就會根據(jù)先來先服務(FCFＳ)的原則分配保護時隙。PAN協(xié)調(diào)器在信標幀中的GTS域說明GTS分配情況。設備節(jié)點在4個信標周期內(nèi)，對接收到的信標幀的GTS域進行分析，判斷是否被分配了GTS時隙。
1.3 GTS數(shù)據(jù)傳輸方式
數(shù)據(jù)以GTS方式進行傳輸，MAC層將判斷是否存在1個有效的保護時隙。如果設備是1個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)目的設備的接收保護時隙；如果不是PAN協(xié)調(diào)器，那么該設備MAC層將判斷是否被分配了發(fā)送保護時隙。如果存在有效的保護時隙，MAC層將根據(jù)實際情況，產(chǎn)生一個延遲，直到該設備的有效接收保護到來，在保護時隙內(nèi)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到所指定的目標設備。這時，MAC層將以非CSMA-CA方式傳輸數(shù)據(jù)，整個傳輸和應答過程(如需要確認幀)應在該保護時隙內(nèi)完成。
假設GTS時隙長度為TS，數(shù)據(jù)幀的傳輸時間為Tdate，幀間隙為IFS(與數(shù)據(jù)幀的大小相關)，確認幀的傳輸時間為TACK，則它們之間的關系滿足如下關系式：
1.4 性能分析
參考文獻[3]運用網(wǎng)絡微積分理論(假設設備節(jié)點業(yè)務量及傳輸曲線如圖2所示)分析了星狀網(wǎng)絡中，節(jié)點以GTS方式進行數(shù)據(jù)傳輸時時延、能耗與SD之間的關系，其表達式為：
式中，DC=SO/BO表示占空比，n表示節(jié)點分配的GTS包含的時隙數(shù)，D表示數(shù)據(jù)傳輸最大時延，Tdate表示節(jié)點在GTS時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸時間，b表示進行數(shù)據(jù)傳輸前的業(yè)務量，C表示數(shù)據(jù)傳輸速率。
由式(3)可知，占空比越小，BO越大，信標間隙越大，非激活區(qū)間越長，節(jié)點消耗能量越低。在其他參數(shù)一定的情況下，DC與D成比，即能耗與時延成反比。由(1)式可知，SD與SO相關，所以能耗與時延受業(yè)務量和SO影響(Tdate也受SO影響)。當業(yè)務量小時，在滿足時延要求的情況下，能耗主要受SD影響，SO較小，則能耗較低。當業(yè)務量較大時，則能耗受業(yè)務量影響較大。當占空比一定的情況下，時延受業(yè)務量和SO的影響，若SO和業(yè)務量較大，則時延也較大。SO和業(yè)務量較小時，則時延也較小。
在實時傳輸網(wǎng)絡中，為了實現(xiàn)能耗與時延的均衡，在滿足時延的情況下，為使設備能耗最小，必須根據(jù)設備業(yè)務量情況，調(diào)節(jié)SO，使DC最低。
2 GTS分配機制調(diào)度算法設計
為了實現(xiàn)GTS分配機制在實時網(wǎng)絡應用時能耗與時延的相對均衡，由(3)式可知，必須根據(jù)設備節(jié)點的業(yè)務量和時延要求調(diào)節(jié)SO使占空比最小，從而使網(wǎng)絡中設備節(jié)點的能耗最低。但IEEE 802.15.4提供的先來先服務(FCFS)GTS分配機制不能滿足這個要求。且由(2)式可知，設備進行數(shù)據(jù)傳輸實際需要的時隙可能比所分配的時隙要小，這就造成時隙的浪費，造成網(wǎng)絡帶寬的下降和影響其他設備對GTS的使用。參考文獻[4]分析了設備以GTS方式進行數(shù)據(jù)傳輸時實際所需時隙及CFP中最多時隙與SO的關系，但當SO≥2時，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個時隙。所以本文設計了一種新的GTS分配機制調(diào)度算法，稱為時延優(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)絡中，需要申請使用GTS的設備將自己的初始業(yè)務量b和時延期限D(zhuǎn)附在GTS請求命令幀中，發(fā)送給PAN協(xié)調(diào)器。PAN協(xié)調(diào)器最多給網(wǎng)絡中設備分配1個時隙，同時被分配保護時隙的設備最大值與SO相關，且根據(jù)接收到的網(wǎng)絡中設備的業(yè)務量和時延期限值，按照(3)式調(diào)節(jié)SO的值使占空比最低，其中n=1，Tdate=SD/16。當有新設備節(jié)點加入星狀網(wǎng)絡或由設備已完成傳輸時，該調(diào)度算法由PAN協(xié)調(diào)器在發(fā)送下1個信標幀前調(diào)用。GTS分配機制TDP調(diào)度算法流程圖如圖3所示。
3 仿真分析與小結(jié)
本文運用NS2[5]仿真軟件對TDP、GTS分配機制調(diào)度算法進行了仿真，仿真場景和仿真參數(shù)分別如圖4和表1所示，各個節(jié)點的業(yè)務量和時延期限如表2所示。每次仿真，各節(jié)點分別以GTS方式向PAN協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，重復傳輸2次，仿真運行20次。
本文采用3個參數(shù)對該GTS調(diào)度算法的性能進行評價：
由圖5可知，TDP調(diào)度算法的TDR為100%，而FCFS的TDR比較低，TDP、GTS分配機制調(diào)度算法的TDR比FCFS分配機制調(diào)度算法的TDR要高。這是因為TDP調(diào)度算法優(yōu)先考慮了時延要求，在滿足時延要求的情況下再進行GTS分配，而FCFS沒有考慮這一點。由圖6可知，采用TDP調(diào)度算法，節(jié)點能在規(guī)定時延范圍內(nèi)完成傳輸，而在FCFS則不能。這是因為TDP優(yōu)先為時延期限小的節(jié)點分配GTS，且以節(jié)點最小時延期限為系統(tǒng)最大延遲，且每到1個節(jié)點傳輸完成時，重新進行調(diào)度，而FCFS沒有進行調(diào)度。由圖7可知，在TDP下，節(jié)點的剩余能量比FCFS偏多一些，是因為TDP調(diào)度算法在滿足時隙要求情況下，調(diào)節(jié)占空比，使占空比最低，適當增加了節(jié)點的休眠時間，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分配機制基礎上，提出了一種新的TDP調(diào)度算法。該調(diào)度算法對時延期限小的節(jié)點優(yōu)先進行GTS分配且在滿足其時延要求的情況下，根據(jù)業(yè)務量調(diào)節(jié)超幀結(jié)構中的SO和BO，使設備節(jié)點能耗降到最低，實現(xiàn)設備能耗與時延的相對均衡，為促進無線傳感網(wǎng)絡在實時系統(tǒng)的應用具有參考意義。但目前該調(diào)度算法只適合于星狀網(wǎng)絡結(jié)構，使其適合其他網(wǎng)絡拓撲結(jié)構仍需要進一步研究。
參考文獻
[1] IEEE 802.15.4 Standard-2003. Part 15.4： wireless medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks(LR-WPANs). IEEE-SA Standards Board， 2003.
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