陳維興，林 聰，孫毅剛

(中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300)

0 引言

近年來(lái)，民航運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量迅速增加，導(dǎo)致了機(jī)場(chǎng)安全事故發(fā)生且處理效率低下。 “機(jī)場(chǎng)特種車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)(CASVMS)”基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)并以TI CC2430微控制器為硬件核心［1］，在天津機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中基本上解決了上述問(wèn)題，但也暴露出了由能耗原因造成的定位計(jì)算偏差和滯后問(wèn)題，影響了使用效果［2，3］。由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為電池供電，近年來(lái)對(duì)其研究越來(lái)越偏重能耗問(wèn)題［4］。Zigbee體系的MAC層，即IEEE 802.15.4協(xié)議，可以影響節(jié)點(diǎn)電能消耗速度，目前對(duì)WSN性能優(yōu)化的研究也主要針對(duì)該層的CSMA/CA算法［5］和占空比控制［6］。本文分析了特種車(chē)輛的工作特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，從超幀占空比控制角度出發(fā)，提出了根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量自適應(yīng)設(shè)置占空比的方法，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命、提升系統(tǒng)性能的目的;同時(shí)設(shè)計(jì)了根據(jù)個(gè)體電池和車(chē)輛工作狀態(tài)的監(jiān)控局域調(diào)節(jié)占空比的方法，克服了全局統(tǒng)一設(shè)置占空比造成的能量浪費(fèi)問(wèn)題;同時(shí)考慮了占空比降低后對(duì)時(shí)延和吞吐量性能的影響。

1 特種車(chē)輛定位系統(tǒng)［2-3］

定位系統(tǒng)按停機(jī)位劃分為若干子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)包括網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn) (RN，提供固定坐標(biāo))、定位節(jié)點(diǎn) (BN，車(chē)載設(shè)備)和上位管理機(jī)，如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)利用RSSI定位算法對(duì)各子網(wǎng)內(nèi)的BN進(jìn)行定位:BN周期接收周邊至少3個(gè)RN的固定坐標(biāo)值 (任意時(shí)刻只有LQI值較高的3-8個(gè)RN才能與BN捆綁、發(fā)送數(shù)據(jù)參加計(jì)算)，同時(shí)根據(jù)LQI計(jì)算RSSI，然后BN根據(jù)接收到的3個(gè)或更多固定坐標(biāo)以及相應(yīng)的RSSI值計(jì)算BN位置，最后將BN坐標(biāo)經(jīng)網(wǎng)關(guān)上傳至上位機(jī)，而且上位機(jī)會(huì)隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)關(guān)向RN和BN下發(fā)命令和配置數(shù)據(jù);不同的子網(wǎng)利用各自的上位機(jī)組網(wǎng)共享數(shù)據(jù)并受監(jiān)控中心主機(jī)的控制，它們之間由候機(jī)樓內(nèi)的Ethernet連接。

圖1 停機(jī)位區(qū)域定位子網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨節(jié)點(diǎn)電池能量的下降系統(tǒng)出現(xiàn)定位計(jì)算誤差的頻度和幅度增加，同時(shí)上位機(jī)用于顯示車(chē)輛實(shí)時(shí)位置的圖標(biāo)出現(xiàn)了刷新變慢的情況，見(jiàn)表1。

表1 電池電量與系統(tǒng)使用特性的關(guān)系

分析原因，主要是電池的消耗導(dǎo)致BN和RN的 RF模塊發(fā)射功率和接收靈敏度的下降，直接影響到RSSI值準(zhǔn)確性和鏈路質(zhì)量。RSSI值錯(cuò)誤直接造成了定位計(jì)算誤差的增大，鏈路質(zhì)量則直接導(dǎo)致延遲和碰撞現(xiàn)象加重，吞吐量下降從而使通信滯后，上位機(jī)無(wú)法及時(shí)得到定位數(shù)據(jù)，圖標(biāo)刷新變慢。同時(shí)本文注意到能耗加大導(dǎo)致的誤差加大、延遲碰撞和吞吐量下降等問(wèn)題會(huì)迫使節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)多次計(jì)算和重傳來(lái)處理一些重要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而更加重了電池或的負(fù)擔(dān)，一旦節(jié)點(diǎn)陷入惡性循環(huán)，電池能量會(huì)急速下降使定位功能失效。因此，能耗是其它網(wǎng)絡(luò)性能波動(dòng)的主要原因，應(yīng)該是所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中優(yōu)先的優(yōu)化對(duì)象，本文討論的重點(diǎn)是在系統(tǒng)連續(xù)工作條件下 (車(chē)輛始終在移動(dòng))，如何通過(guò)降低BN和RN能耗提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。同時(shí)，考慮到能耗與其它網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)關(guān)系密切，尤其是網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和吞吐量，因此對(duì)這些性能參數(shù)也加以討論。

2 定位網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議

系統(tǒng) MAC層中，即 IEEE 802.15.4，CSMA/CA算法［5］、超幀占空比控制信道訪問(wèn)機(jī)制［6］以及GTS分配管理機(jī)制等都是近年來(lái)針對(duì)WSN優(yōu)化所研究的方向，本文重點(diǎn)討論超幀占空比控制，所述網(wǎng)絡(luò)為信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)，使用超幀結(jié)構(gòu)，且超幀活動(dòng)部分的無(wú)競(jìng)爭(zhēng)期，即CFP長(zhǎng)度為0。

超幀將網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)時(shí)間分為活動(dòng) (ACT)時(shí)段和非活動(dòng)(INA)時(shí)段。ACT內(nèi)，PAN設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)，而在INA處于低功耗的睡眠模式［7］。以CC2430為例，芯片在發(fā)送狀態(tài)下?lián)p耗24.7mA的電流，而休眠狀態(tài)下僅為296μA［1］，可見(jiàn)對(duì)ACT長(zhǎng)度的精確控制可以有效的降低網(wǎng)絡(luò)功耗。

超幀結(jié)構(gòu)由PIB屬性macBeaconOrder(BO)和macSuperframeOrder(SO)描述［7］，有

本文論述的網(wǎng)絡(luò)BO、SO均小于15，且滿(mǎn)足SO＜BO。

超幀ACT部分均分為16個(gè)Slot，由三部分構(gòu)成，如圖2所示，本文中CFP=0。超幀占空比DC(Duty Cycle)為

本文所有DC控制參數(shù)及監(jiān)測(cè)信息都利用信標(biāo)幀 (Beacon)廣播的形式傳送到各節(jié)點(diǎn)［7］。

圖2 超幀結(jié)構(gòu)

3 CASVMS的MAC層節(jié)能算法 (CASVMSMESA)設(shè)計(jì)

3.1 超幀占空比對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響

現(xiàn)階段針對(duì)工作-休眠機(jī)制，即DC調(diào)節(jié)的WSN性能優(yōu)化研究有如下特點(diǎn):IEEE 802.11協(xié)議［8］是基于競(jìng)爭(zhēng)的WSN中MAC協(xié)議的代表，但是其并沒(méi)有充分考慮節(jié)點(diǎn)的休眠機(jī)制，因而在能耗控制方面并不出色;S-MAC［9］是較早的涉及DC調(diào)節(jié)問(wèn)題的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)方法，雖然加入了一些自適應(yīng)延長(zhǎng)偵聽(tīng)時(shí)間的環(huán)節(jié)和休眠機(jī)制，但是本質(zhì)上還是一種固定DC的MAC協(xié)議;對(duì)比其它針對(duì)WSN的MAC 協(xié)議，如:T-MAC、X-MAC 等［4，10-11］，雖提出了一些修改DC的策略，也被驗(yàn)證存在著一些早睡或可靠性等問(wèn)題。本系統(tǒng)采用的IEEE 802.15.4(固化于CC2430)雖提供了BO和SO以調(diào)整DC，但并沒(méi)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)整DC的方法。

DC的變化將會(huì)明顯影響網(wǎng)絡(luò)性能［12］，以一個(gè)子網(wǎng)為場(chǎng)景在不同DC下進(jìn)行OPNET仿真:改變SO的取值，BO設(shè)為2，流量設(shè)置為所有RN間隔0.3s向BN發(fā)送數(shù)據(jù)包，BN間隔2.4s向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)下發(fā)各節(jié)點(diǎn)。在不同DC下，網(wǎng)絡(luò)性能仿真結(jié)果如圖3所示。本文仿真圖橫軸為時(shí)間 (分鐘)，能耗圖縱軸為能量單元個(gè)數(shù) (千焦)，時(shí)延圖縱軸為時(shí)隙個(gè)數(shù) (slot)，吞吐量圖縱軸為數(shù)據(jù)流量 (包/秒)。

可見(jiàn)，隨著DC的下調(diào)會(huì)降低能耗，但會(huì)引起時(shí)延性能下降，尤其SO=2時(shí)非常明顯，這是因?yàn)镈C過(guò)小會(huì)使節(jié)點(diǎn)休眠過(guò)多，數(shù)據(jù)碰撞幾率上升進(jìn)而造成數(shù)據(jù)延時(shí)增加;吞吐量性能的區(qū)別主要體現(xiàn)在仿真初期，與網(wǎng)絡(luò)生成初期各種配置信息較多造成的網(wǎng)絡(luò)流量峰值有關(guān)，但是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入平穩(wěn)階段 (定位計(jì)算過(guò)程)后，小的DC配置SO=2性能仍然較差。然而DC過(guò)大會(huì)引起電池耗能過(guò)快而出現(xiàn)表1及其分析中所描述的問(wèn)題。因此，不能一味追求低DC帶來(lái)的能耗性能，應(yīng)兼顧并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動(dòng)態(tài)設(shè)置DC。

3.2 CASVMS-MESA算法設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)流量、車(chē)輛和電池狀態(tài)等方面提出DC自適應(yīng)方法。

3.2.1 DC網(wǎng)絡(luò)流量自適應(yīng)算法

如圖3所示，低DC值可降低能耗但會(huì)引起時(shí)延和吞吐量的變化，可通過(guò)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)流量來(lái)反應(yīng)此兩種網(wǎng)絡(luò)性能。本文子網(wǎng)基本屬單跳網(wǎng)絡(luò)，所以DC調(diào)節(jié)只能由協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)完成。但網(wǎng)絡(luò)流量隨機(jī)變化的因素有:BN數(shù)量，計(jì)算精度等級(jí) (向BN發(fā)送參考坐標(biāo)數(shù)據(jù)的RN越多，且發(fā)送的頻次越高，計(jì)算越精確)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化 (網(wǎng)絡(luò)支持BN、RN的實(shí)時(shí)加入或刪除)等。而這些參數(shù)并不是協(xié)調(diào)器可以決定的，故造成網(wǎng)絡(luò)DC與流量的矛盾［13］，出現(xiàn)碰撞率上升耗能或者網(wǎng)絡(luò)空閑耗能兩種現(xiàn)象。

解決這一矛盾的方法是協(xié)調(diào)器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量適時(shí)調(diào)整DC，本文采取調(diào)整SO值而B(niǎo)O不變的DC控制方法。RN的數(shù)目變化不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量造成太大影響，這是由于并不是所有的RN都會(huì)向BN發(fā)送數(shù)據(jù)參與定位計(jì)算，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為只有那些與BN捆綁的RN發(fā)送數(shù)據(jù)，其余RN僅提供最基本的LQI值，其數(shù)據(jù)量和能耗明顯小于參加定位計(jì)算的RN，而參加定位計(jì)算的RN個(gè)數(shù)及其發(fā)送數(shù)據(jù)的頻次才會(huì)更大程度的影響流量;若BN加入網(wǎng)絡(luò)，由于要實(shí)時(shí)計(jì)算并向協(xié)調(diào)器報(bào)告車(chē)輛位置 (其實(shí)時(shí)性與計(jì)算頻次，即刷新率，成正比)，因此會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)流量。所以根據(jù)Zigbee協(xié)議，只有當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到BN設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)或退出網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求原語(yǔ) (.request原語(yǔ))，同意其請(qǐng)求并為其分配或銷(xiāo)毀地址［7］后調(diào)整DC，一個(gè)BN加入或退出網(wǎng)絡(luò)，SO值分別自加1或自減1。BN加入網(wǎng)絡(luò)后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的較大影響還體現(xiàn)在:單次定位計(jì)算，一個(gè)BN需要接收周邊M個(gè)(M不小于3)RN的數(shù)據(jù)，且需N次接收同一個(gè)RN的數(shù)據(jù)，將這N個(gè)數(shù)據(jù)加權(quán)平均才能用于定位計(jì)算，M和N值越大則計(jì)算越精確，而由于M和N值造成的網(wǎng)絡(luò)流量變化協(xié)調(diào)器是無(wú)法預(yù)知的，也就造成了有時(shí)DC值無(wú)法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的問(wèn)題。針對(duì)這種情況，本文采用協(xié)調(diào)器定時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量方法:

圖3 DC設(shè)置對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響

(1)每個(gè)BN單次定位計(jì)算時(shí)，記錄所采用的RN個(gè)數(shù)M和每個(gè)RN向BN發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)N，M和N分別為3-8間和8-12間的隨機(jī)數(shù)，也可以強(qiáng)制為固定值 (但只能維持20個(gè)超幀周期)，同時(shí)滾動(dòng)計(jì)算V個(gè)M和N的平均值M0和N0，V與BN持續(xù)工作時(shí)間有關(guān)。

(2)過(guò)低的DC必然會(huì)導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)對(duì)信道資源的激烈競(jìng)爭(zhēng)而碰撞現(xiàn)象加重，為保證BN定位計(jì)算數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，對(duì)BN引入了重傳機(jī)制，BN存儲(chǔ)一定時(shí)間內(nèi)與協(xié)調(diào)器通信所發(fā)生的數(shù)據(jù)重傳累計(jì)次數(shù)t。

(3)RN也存在著信道碰撞問(wèn)題，但RN不需實(shí)時(shí)計(jì)算，且BN可以從其它RN獲取數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算或者在RN發(fā)送數(shù)據(jù)頻次較高的情況下等待下一個(gè)數(shù)據(jù)，故RN不需重傳。

(4)協(xié)調(diào)器的MAC層每隔20個(gè)信標(biāo)幀，在信標(biāo)幀Beaconpayload域［7］添加并廣播監(jiān)測(cè)流量命令“MF”。各個(gè)BN接到“MF”后，將各自存儲(chǔ)的M0、N0和t發(fā)送至協(xié)調(diào)器 (M0、N0與該段時(shí)間內(nèi)BN定位計(jì)算次數(shù)V有關(guān))，確認(rèn)發(fā)送成功時(shí)清空存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以節(jié)省存儲(chǔ)器空間和能耗，t反映20個(gè)超幀周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)阻塞情況，M0和N0則提示網(wǎng)絡(luò)阻塞的原因。

(5)協(xié)調(diào)器在接收的所有t值中取最大值T，若T＞5(某個(gè)BN在20個(gè)超幀周期中發(fā)生碰撞超過(guò)5次)，說(shuō)明當(dāng)前DC值較小應(yīng)增加SO值，但前文已述M、N值和數(shù)據(jù)流量成正比，若通過(guò)降低M和N值可以緩解網(wǎng)絡(luò)阻塞，則可以不增加SO以不增加網(wǎng)絡(luò)能耗。

(6)協(xié)調(diào)器在下一個(gè)信標(biāo)幀中Beaconpayload域［7］添加并廣播強(qiáng)制MN參數(shù)命令“FS”，BN接收到該命令后令M、N分別為M0、N0自減1，但限定M＞2且N＞7，并維持到下一次接收到“MF”命令。

(7)若協(xié)調(diào)器連續(xù)3次監(jiān)測(cè)到T＞5的情況，則不會(huì)再?gòu)?qiáng)制M和N值，令SO自加1，若監(jiān)測(cè)到T=0，則SO自減1。

(8)若協(xié)調(diào)器流量監(jiān)測(cè)周期大于20超幀時(shí)間，則允許碰撞次數(shù)可設(shè)大于5的數(shù)。圖4為DC流量自適應(yīng)的程序流程圖，其中協(xié)調(diào)器和BN的MAC區(qū)分利用OPNET的進(jìn)程模型在網(wǎng)絡(luò)的同步狀態(tài)階段SYNC完成。

圖4 流量自適應(yīng)流程

通過(guò)協(xié)調(diào)器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)設(shè)置DC的問(wèn)題，但其也存在弊端:針對(duì)T的流量監(jiān)測(cè)只能保證網(wǎng)絡(luò)中最繁忙的BN不會(huì)出現(xiàn)頻繁碰撞導(dǎo)致網(wǎng)路性能下降，但該DC值對(duì)于其它BN，尤其是數(shù)據(jù)流量較小的BN來(lái)說(shuō)可能是偏大的，從而造成能量浪費(fèi)，故在此基礎(chǔ)上本文提出區(qū)域DC調(diào)節(jié)的思想。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域占空比自動(dòng)調(diào)節(jié)算法

CASVMS的網(wǎng)關(guān)安裝在候機(jī)樓內(nèi)使用電纜供電，而B(niǎo)N和RN分別安裝在特種車(chē)輛車(chē)體外側(cè)和停機(jī)位外周，采用微型電池供電且更換難度較大，因此需要更加嚴(yán)格地管理能耗。同時(shí)，協(xié)調(diào)器針對(duì)定位系統(tǒng)整體調(diào)整DC參數(shù)，屬比較穩(wěn)定的閉環(huán)控制方案，這種方法可在保證所有節(jié)點(diǎn)，尤其是繁忙的節(jié)點(diǎn)不發(fā)生多次通信碰撞的同時(shí)極大的節(jié)省能耗。但所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一的“喚醒-工作-休眠”時(shí)鐘，當(dāng)定位區(qū)域內(nèi)有多個(gè)BN(車(chē)輛)時(shí)，統(tǒng)一的DC可能對(duì)于有的BN過(guò)長(zhǎng)而造成能量浪費(fèi)。另外，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)BN存在著某些工作特點(diǎn):

(1)某BN或其用于定位計(jì)算的RN電池電量已大幅下降，適當(dāng)降低DC雖降低了定位計(jì)算的刷新率犧牲了實(shí)時(shí)性，但是可以避免電池能量過(guò)低造成的定位計(jì)算錯(cuò)誤。值得注意的是，見(jiàn)表1，電池能量快速減少造成了計(jì)算偏差和滯后加大，其導(dǎo)致的定位實(shí)時(shí)性下降程度遠(yuǎn)大于降低DC所造成的實(shí)時(shí)性下降程度，這是因?yàn)榻档虳C引起碰撞的概率小于電池能量下引起碰撞的概率。同時(shí)延長(zhǎng)電池更換周期，降低維護(hù)成本，總體利大于弊。

(2)為保證航空器安全，特種車(chē)輛限速行駛，進(jìn)入工作狀態(tài)后，移動(dòng)更是緩慢甚至處于靜止 (如加油車(chē)、除冰車(chē)等)，因此BN的定位計(jì)算主要發(fā)生在從車(chē)輛啟動(dòng)至到達(dá)工作點(diǎn)的過(guò)程中，車(chē)輛進(jìn)入工作狀態(tài)后BN對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和吞吐量性能要求極低，只需盡可能降低能耗以節(jié)省電池。

為了彌補(bǔ)3.2.1中提到的弊端，針對(duì)以上兩點(diǎn)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)區(qū)域DC自動(dòng)調(diào)節(jié)算法，實(shí)是一種提前休眠機(jī)制:

(1)電池監(jiān)控調(diào)節(jié)DC。BN和RN在硬件上設(shè)計(jì)了電池電壓監(jiān)視電路，當(dāng)電池電量低于閾值 (參考表1初始化為60%，可調(diào))便認(rèn)定節(jié)點(diǎn)處于欠電狀態(tài)，將置位欠電標(biāo)志位PW_Flag，利用兩個(gè)初始化為0的計(jì)數(shù)器，激活計(jì)數(shù)器AT和休眠計(jì)數(shù)器ST，完成提前休眠。其工作過(guò)程為:當(dāng)BN或RN接收到協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀時(shí)，將Beacon中的BO值裝載到初值寄存器IN_R中;節(jié)點(diǎn)將根據(jù)Beacon中的SO值處于ACT過(guò)程，此時(shí)利用CC2430的MAC定時(shí)器T2［1］(可產(chǎn)生精準(zhǔn)的slot時(shí)隙定時(shí))每個(gè)時(shí)隙AT自加1;若沒(méi)有發(fā)生電池欠電，則節(jié)點(diǎn)會(huì)按照協(xié)調(diào)器全局DC設(shè)置工作-休眠;若任意時(shí)刻發(fā)現(xiàn)電池欠電，則令ST=IN_R-AT且CC2430切換至休眠模式［1］(關(guān)閉RF模塊等耗電大的模塊，僅保留少數(shù)寄存器、定時(shí)器和中斷資源);在休眠階段ST自減1，當(dāng)ST=1時(shí)，會(huì)中斷喚醒CC2430打開(kāi)RF模塊，準(zhǔn)備接收協(xié)調(diào)器下一個(gè)超幀。為保證節(jié)點(diǎn)不至于早睡而導(dǎo)致數(shù)據(jù)滯留，規(guī)定AT大于3才能切換CC2430狀態(tài)。該方法尤其適用于更換電池難度大的RN，因?yàn)榧词鼓砇N因欠電提前休眠，BN則會(huì)選擇該RN附近的RN用于計(jì)算，但若該欠電RN仍采用全局DC設(shè)置，其電池電能會(huì)下降，一種情況是加速導(dǎo)致其LQI值［7］下降而無(wú)法提供準(zhǔn)確的RSSI值［2］，造成BN計(jì)算誤差和滯后增大而定位失效;另一種情況是由于該RN的LQI偏低BN不再與其捆綁，此RN則成為“隱藏節(jié)點(diǎn)”造成無(wú)意義的節(jié)點(diǎn)能耗。同理，若BN在欠電情況下仍使用全局DC配置，會(huì)加速電能下降從而出現(xiàn)表1所分析的情況。

圖5 狀態(tài)監(jiān)控調(diào)節(jié)算法仿真

(2)狀態(tài)監(jiān)控調(diào)節(jié)DC，此方式僅用于BN。電池監(jiān)控方法在確保能耗滿(mǎn)足定位精度的同時(shí)犧牲了一定的實(shí)時(shí)性，對(duì)于RN影響不大，但BN實(shí)時(shí)性要求較高，這是由于BN要及時(shí)上報(bào)車(chē)輛位置信息，因此應(yīng)嚴(yán)格管理BN能耗以保證其計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性。針對(duì)特種車(chē)輛工作特點(diǎn)，BN設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志VS_Flag:00(初始值)-熄火，01-移動(dòng)，10-工作，11-保留位 (如防撞監(jiān)測(cè)功能)。駕駛員啟動(dòng)車(chē)輛和車(chē)載定位設(shè)備 (BN)的5秒后，BN將VS_Flag由00變?yōu)?1，當(dāng)車(chē)輛到達(dá)工作現(xiàn)場(chǎng)后，將處于低速運(yùn)動(dòng)或靜止的工作狀態(tài)，此時(shí)可通過(guò)BN的人機(jī)接口輸入或者上位機(jī)下發(fā)指令兩種方式通知BN車(chē)輛進(jìn)入工作狀態(tài)，BN將VS_Flag變?yōu)?0(BN對(duì)車(chē)輛離開(kāi)工作現(xiàn)場(chǎng)時(shí)VS_Flag的處理方式同理)。為保證定位計(jì)算的實(shí)時(shí)性，BN在PW_Flag=0的條件下才會(huì)監(jiān)控VS_Flag調(diào)節(jié)DC，當(dāng)VS_Flag=00或者10時(shí)，BN的網(wǎng)絡(luò)MAC層會(huì)調(diào)節(jié)DC，方法是:在協(xié)調(diào)器DC值，即Beacon加載的SO值基礎(chǔ)上，令I(lǐng)N_R=q·SO(q＜1)并取整，之后利用T2啟動(dòng)AT，當(dāng)AT=IN_R時(shí)進(jìn)入休眠，喚醒方式同電池監(jiān)控一節(jié)所述，且同樣規(guī)定AT大于3時(shí)BN才能休眠。通過(guò)OPNET仿真可見(jiàn)當(dāng)q=2/3時(shí)網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)性能表現(xiàn)較好，見(jiàn)圖5。圖6為網(wǎng)絡(luò)區(qū)域DC自動(dòng)調(diào)節(jié)程序流程圖。

圖6 區(qū)域DC自動(dòng)調(diào)節(jié)流程

4 網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)計(jì)與分析

4.1 OPNET三層模型設(shè)計(jì)

本文采用IEEE802.15.4 MAC協(xié)議，以一個(gè)停機(jī)位子網(wǎng)為對(duì)象建立OPNET三層仿真模型，圖7為網(wǎng)絡(luò)模型。

圖7 OPNET14.5網(wǎng)絡(luò)模型

由協(xié)調(diào)器、終端設(shè)備和路由器構(gòu)成，其中協(xié)調(diào)器為網(wǎng)關(guān)，終端設(shè)備為RN，路由器為BN。RN間距為40m，單個(gè)定位區(qū)域約360m×400m，安裝高度為7-9m，根據(jù)特種車(chē)輛現(xiàn)場(chǎng)工作要求［2，3］，BN 數(shù)量設(shè)置在2-3，速度在0-15 m/s。

節(jié)點(diǎn)建模如圖8所示，本文所述的MAC層DC控制算法，封裝在DC_MAC模塊。TX和RX模塊是OPNET中的無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)，符合IEEE802.15.4物理層規(guī)范且發(fā)射功率等參數(shù)按照CC2430實(shí)際參數(shù)設(shè)定［1］。由于本文引入了重傳累計(jì)參數(shù)t，設(shè)置了信道碰撞統(tǒng)計(jì)線(xiàn) (虛線(xiàn))。loc_App模塊模擬定位計(jì)算過(guò)程包含的各種數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)到達(dá)間隔模擬網(wǎng)絡(luò)流量變化。Init_Pro模塊使用OPNET的數(shù)據(jù)池結(jié)構(gòu) (sink)設(shè)計(jì)，可以緩存或銷(xiāo)毀數(shù)據(jù)以節(jié)省節(jié)點(diǎn)內(nèi)存，同時(shí)具備區(qū)分不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能。各節(jié)點(diǎn)均設(shè)置了Power_Ins模塊，可通過(guò)OPNET提供的遠(yuǎn)程中斷和ICI(接口控制信息)機(jī)制仿真節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)能耗情況，同時(shí)該還可以模擬節(jié)點(diǎn)電池監(jiān)控系統(tǒng)。

圖8 OPNET14.5節(jié)點(diǎn)模型

進(jìn)程建模如圖9所示，所有節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程模型采用同樣的FSM模型設(shè)計(jì)。Ini為強(qiáng)制狀態(tài)，進(jìn)行MAC層初始化，如目標(biāo)地址、協(xié)調(diào)器的設(shè)置，時(shí)隙劃分等等;SYCN為強(qiáng)制狀態(tài)，區(qū)分各類(lèi)節(jié)點(diǎn)的MAC層規(guī)范，最重要的是對(duì)Beacon的處理;ID_Pro為強(qiáng)制狀態(tài)，主要進(jìn)行不同節(jié)點(diǎn)對(duì)于Beacon載荷區(qū)命令的處理;IDLE狀態(tài)為待機(jī)狀態(tài)，等待定時(shí)或事件中斷開(kāi)始進(jìn)行流量、電量和車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控等;NQ_Rep狀態(tài)和BN_Pro、RN_Pro、NG_Pro三個(gè)狀態(tài)同時(shí)完成了各類(lèi)監(jiān)控信息對(duì)DC的控制;DC控制完成后進(jìn)入CSMA/CA狀態(tài)，從而接入信道進(jìn)行通信。

4.2 仿真結(jié)果和分析

本文采用了OPNET14.5統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)比IEEE802.15.4 DC控制 (曲線(xiàn)A)，網(wǎng)絡(luò)流量自適應(yīng) (曲線(xiàn)B)和MESA三種方法，針對(duì)能耗、時(shí)延和吞吐量性能仿真，如圖10所示。

仿真結(jié)果表明:MESA對(duì)于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有較大的影響，分析其原因:

(1)能耗方面:B和MESA明顯優(yōu)于A，但B沒(méi)有考慮獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，使用了全局設(shè)置DC的方法，因此在控制能耗方面不如MESA，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，MESA遏制能耗能力更顯著，這是因?yàn)镸ESA通過(guò)節(jié)點(diǎn)電池和工作狀態(tài)監(jiān)控引入提前休眠，及時(shí)關(guān)閉RF模塊等高耗能組件的結(jié)果。

(2)時(shí)延方面:MESA和B引起了時(shí)延的增加，這是由于兩者不同程度地下調(diào)DC引起碰撞造成的［14］，同文獻(xiàn)［14］，圖3和10也說(shuō)明下調(diào)DC降低能耗的同時(shí)必導(dǎo)致時(shí)延加大，因此兩者應(yīng)綜合考慮不能一味強(qiáng)調(diào)能耗。由于B和MESA都監(jiān)控碰撞情況以反饋調(diào)整DC的效果，因此時(shí)延都可以收斂并穩(wěn)定在一定水平而沒(méi)有出現(xiàn)震蕩。本文采用CC2430的MAC定時(shí)器T2，單位slot長(zhǎng)約20微秒［1］，圖10中MESA的時(shí)延性能比A降低約4-5slot，該實(shí)時(shí)性指標(biāo)本系統(tǒng)是完全可以忍受的 (車(chē)速慢，且系統(tǒng)為毫秒級(jí)要求)，而在一些實(shí)時(shí)性要求更加嚴(yán)格的場(chǎng)合可以通過(guò)調(diào)整slot長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)一步減小時(shí)延性能降低程度。

(3)吞吐量方面:三種算法在吞吐量方面性能相差不大。MESA曲線(xiàn)較A和B穩(wěn)定震蕩小，一方面由于采用了閉環(huán)DC控制方法，一方面說(shuō)明區(qū)域調(diào)整引入的提前休眠機(jī)制并沒(méi)有明顯導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，是適合本系統(tǒng)的。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)機(jī)場(chǎng)特種車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng) (CASVMS)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了一種基于DC控制的MAC層優(yōu)化方法(MESA)。主要思想是:綜合網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前數(shù)據(jù)流量、車(chē)輛狀態(tài)和電池狀態(tài)幾方面因素，控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)休眠-活動(dòng)時(shí)間比例，對(duì)網(wǎng)絡(luò)DC自適應(yīng)設(shè)置，同時(shí)提出了局域DC設(shè)置的方法。利用OPNET建模仿真表明，該算法有效地降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，也在一定程度上表明DC的下調(diào)會(huì)導(dǎo)致時(shí)延的增加，但是綜合仿真曲線(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況表明這些網(wǎng)絡(luò)性能的下降在允許范圍內(nèi)。MESA可以應(yīng)用于與特種車(chē)輛定位應(yīng)用背景類(lèi)似的Zigbee網(wǎng)絡(luò)定位場(chǎng)合，同時(shí)對(duì)WSN的MAC層優(yōu)化有一定參考價(jià)值。

［1］Chipcon.A true system-on-chip solution for 2.4GHz IEEE 802.15.4/Zigbee(cc2430 datashee rev1.01) ［S］.chipcon AS，Norway，2005.

［2］SUI Limin，SUN Yigang，CHEN Weixing.Design of airport special vehicles localization system based onZigBee［J］.Microcomputer Information，2010，26(9):69-71(in Chinese).［隋莉敏，孫毅剛，陳維興.基于Zigbee的機(jī)場(chǎng)特種車(chē)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(9):69-71.］

［3］GUO Xiaoqin，SUN Yigang，CHEN Weixing.Research on key technology of airport surface monitor system based on wireless sensor network ［J］.Computer Engineering and Design，2009，30(22):5106-5108(in Chinese).［郭小琴，孫毅剛，陳維興.機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30(22):5106-5108.］

［4］Park T R，Lee M J.Power saving algorithms for wireless sensor networks on IEEE 802.15.4 ［J］.CommunicationsMagazine，2008:148-155.

［5］Park T R，Kim T H，choi J Y，et al.Throughput and energy consumption analysis of IEEE802.15.4 slotted CSMA/CA ［J］.E-lectron Lett，2006，42(19):1127-1128.

［6］Ye W，Silva F，Heidemenn J.Ultra-Low duty cycle MAC with scheduled channel polling［C］//Campben A，ed Proc of the ACM SenSys.NewYork:ACM，2006:321-334.

［7］IEEE TG 15.4，Pant 15.4:Wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wirelss personal area networks(WPANs)［S］.IEEE Std，New York，2006.

［8］JIN Sunggeun，HAN Kwanghun，Choi Sunghyun.Idle mode for deep power save in IEEE802.11 WLANs［J］.Journal of Communi Cations and Networks，2010，12(5):480-491.

［9］Ye W，Heidemenn J，Estrin D.Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks［J］.IEEE/ACM Trans On Networking，2004，12(3):493-506.

［10］Buettner M.X-MAC:A short preamble MAC protocol for duty-cycled wireless sensot networks ［C］//Sen-Sys＇，Boudler，Co，2006:307-320.

［11］Zareei M，Budiarto R，Tat-Chee Wan.Study of mobility effect on energy efficiency in medium access control protocols［C］//Computers＆ Informatics IEEE Symposium，2011:759-763.

［12］Shantao Chen，Almeida L，Zhi Wang.A dynamic dual-rate beacon scheduling method of ZigBee/IEEE 802.15.4 for target tracking［C］//Mobile Ad-hoc and Sensor Networks 2010 Sixth International Conference，2010:103-109.

［13］Casilari E，Campos-Garrido G，Cano-Garciia J M.Characterization of battery consumption in 802.15.4/ZigBee sensor motes［C］//Industrial Electronics IEEE International Symposium，2010:3471-3476.

［14］Omeni O，Wong A，Burdett A J，et al.Energy efficient mediumaccess protocol for wireless medical body area sensor networks［J］.Biomedical Circuits and Systems IEEE Transactions，Dec.2008，2(4):251-259.