高 蕾，曹建忠，黃近秋

(惠州學(xué)院a.計(jì)算機(jī)科學(xué)系;b.電子科學(xué)系，廣東 惠州 516007)

1 概述

無線通信、微電子和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展使身體傳感器網(wǎng)絡(luò)(Body Sensor Network，BSN)也迅速發(fā)展。BSN 由可佩戴或可植入的傳感器設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)，把從用戶的身體所收集的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程站點(diǎn)［1］。BSN 可以用來監(jiān)測各種生理參數(shù)和信號(hào)，如溫度、心率、血壓、血氧飽和度、身體姿態(tài)、腦電圖(EEG)、心電圖(ECG)和肌電圖(EMG)［2］。

BSN 的監(jiān)測，給患者的長期診斷和治療帶來顯著好處，并且盡少地約束患者日?；顒?dòng)。它允許患者自由的移動(dòng)，在醫(yī)院的內(nèi)外都可以提供連續(xù)的監(jiān)測，這對(duì)于需要長時(shí)間監(jiān)測的患者特別有用。許多心臟疾病都伴隨陣發(fā)性異常，如血壓或心律不齊的瞬態(tài)浪涌，這是使用常規(guī)的監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測不到的［3］。BSN 可以提供早期檢測和預(yù)防此類的病癥，避免后期昂貴的治療［4］。

IEEE 802.15.4 和ZigBee 是在基于產(chǎn)生式事件和低數(shù)據(jù)率通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)中廣泛被采用的標(biāo)準(zhǔn)，目前，也是BSN 最廣泛被使用的標(biāo)準(zhǔn)［5］。然而與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同的是，BSN 通常產(chǎn)生周期性的、頻繁的數(shù)據(jù)密集型流量(如心電圖、腦電圖和身體姿態(tài)數(shù)據(jù))。因此，需要對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)是否適合BSN 傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行評(píng)估。目前，已有研究者針對(duì)不同的應(yīng)用場景對(duì)IEEE 802.15.4 和ZigBee 協(xié)議性能進(jìn)行評(píng)估，并給出了評(píng)估結(jié)果。然而，大多數(shù)評(píng)估結(jié)果是基于分析模型［6］或仿真［7-8］的。本文從另一方面，通過對(duì)多個(gè)BSN 的應(yīng)用場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，對(duì)ZigBee 和IEEE802.15.4 進(jìn)行性能評(píng)估。本文給出的評(píng)估方法，考慮到了網(wǎng)絡(luò)具體實(shí)施中的多種變量，能更加深入地探究和評(píng)估系統(tǒng)的性能，而這些變量在其他的理論模型中常常被忽略，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理的負(fù)載等。

文獻(xiàn)［9］介紹了一個(gè)基于ZigBee 多跳的BSN 系統(tǒng)，在醫(yī)院環(huán)境中使用佩戴的MICAz motes，病人與血壓、心率監(jiān)測儀相連，使用3 個(gè)病人的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果沒有數(shù)據(jù)丟失。文獻(xiàn)［10］介紹了一種基于多跳的802.15.4 的BSN 系統(tǒng)，測量急診病人的心率和血液中的氧含量。該系統(tǒng)采用Telos motes 和TinyOS 提供的集合樹協(xié)議(CTP)把測量值轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)，測得的傳輸率(Delivery Ratio，DR)在99.9%以上。上述2 個(gè)系統(tǒng)中只使用了產(chǎn)生低數(shù)據(jù)速率流量的傳感器，本文使用數(shù)據(jù)密集型流量的傳感器，同時(shí)時(shí)鐘漂移和隱藏節(jié)點(diǎn)效應(yīng)也被建模和評(píng)估。在服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)中的2 個(gè)相關(guān)指標(biāo)是:傳輸率和端到端延時(shí)。

2 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee 協(xié)議

2.1 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LR-WPAN)制定的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間的低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［11］。在868/915M、2.4GHz 的ISM 頻段上，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)250 Kb/s。其低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)使它在很多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)只定義了PHY 層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。PHY 層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC 子層為高層訪問物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義的LRWPAN 網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn):(1)在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn)了20 Kb/s、40 Kb/s 和250 Kb/s 這3 種不同的傳輸速率;(2)支持星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)2 種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);(3)有16 位和64 位3 種地址格式，其中64 位地址是全球惟一的擴(kuò)展地址;(4)支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA-CA);(5)支持確認(rèn)(ACK)機(jī)制，保證傳輸可靠性［12］。

2.2 ZigBee 協(xié)議

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)人局域網(wǎng)協(xié)議［13-14］，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee 協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。ZigBee 的底層技術(shù)基于IEEE 802.15.4，即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE 802.15.4 的定義。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、低速率、低復(fù)雜度、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、快速、可靠、安全。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可分為協(xié)調(diào)器(Coordinator)、匯聚節(jié)點(diǎn)(Router)、傳感器節(jié)點(diǎn)(EndDevice)等3 種角色，依據(jù)802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此，其通信效率非常高。

2.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)估平臺(tái)

本文測試中使用的硬件平臺(tái)是CC2530 開發(fā)套件，由ZigBee 產(chǎn)品領(lǐng)先供應(yīng)商德州儀器制造。它是基于CC2530［15］的片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)，在同一芯片上集成了微控制器和收發(fā)器。它的微控制器是基于8051 架構(gòu)，并且收發(fā)器符合2.4 GHz 頻段的IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)采用由德州儀器提供的Z-Stack 版本ZigBee和TIMAC 版的IEEE 802.15.4 協(xié)議棧開發(fā)。使用的Z-Stack 版本是Z-Stack CC2530 2.4.0 1.4.0，它支持ZigBee2007 版的雙堆棧配置:ZigBee 和ZigBee Pro。這個(gè)Z-Stack 版本是ZigBee 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)2.4.0 版本與IEEE 802.15.4 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)1.4.0 版本的組合。本文中的某些實(shí)驗(yàn)只采用了IEEE802.15.4 協(xié)議棧，也就是只采用TIMAC 的協(xié)議棧版本TIMAC-CC530-1.3.1。

3 評(píng)估方法和模型

本節(jié)介紹實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法和模型。實(shí)驗(yàn)通過分析DR 和爭用延時(shí)、時(shí)鐘漂移和隱藏節(jié)點(diǎn)問題3 種不同方案，來評(píng)估ZigBee 和IEEE802.15.4 的性能。

實(shí)驗(yàn)中使用26 頻道，沒有其他來源(例如WiFi網(wǎng)絡(luò))的干擾，使用頻譜分析儀來驗(yàn)證。節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和位置都被設(shè)定以確保不會(huì)因?yàn)槁窂綋p耗或節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的陰影效應(yīng)影響引起丟包。因?yàn)楸狙芯渴窃u(píng)估因?yàn)榕鲎?、爭用，時(shí)鐘漂移和隱藏節(jié)點(diǎn)引起的傳輸率，在隱藏節(jié)點(diǎn)的測試中，傳感器節(jié)點(diǎn)的信號(hào)彼此之間用金屬板阻隔，節(jié)點(diǎn)置于一個(gè)消聲室避免多路徑傳播。

實(shí)驗(yàn)中使用的默認(rèn)參數(shù)是IEEE802.15.4 的非時(shí)隙CSMA-CA 算法，3 種評(píng)估方案中使用的ZigBee 層的數(shù)據(jù)包共264 位，所有測試完成后，協(xié)調(diào)器從終端設(shè)備接收到5 000 個(gè)數(shù)據(jù)包。本文的測試中使用的是專業(yè)版ZigBee 協(xié)議規(guī)范，使用ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行同樣的測試，測試結(jié)果并無顯著差異。

實(shí)驗(yàn)從多個(gè)傳感器模塊組成的身體姿勢監(jiān)控系統(tǒng)提取密集型數(shù)據(jù)，每一個(gè)都包含3 個(gè)加速度計(jì)和3 個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，使用30 Hz 采樣。使用2 種不同的設(shè)置，在模式A 中，發(fā)送間隔為200 ms，數(shù)據(jù)包的長度是89 個(gè)字節(jié)，包括6 個(gè)傳感器和協(xié)議的開銷。在模式B中，傳輸間隔是100 ms，數(shù)據(jù)包的長度是62 個(gè)字節(jié)。在其他的BSN 應(yīng)用中也有類似的數(shù)據(jù)密集型通信，例如患者的心電圖監(jiān)測信號(hào)，采樣率可以高達(dá)250 Hz［16］。

3.1 傳輸率和延時(shí)

這個(gè)評(píng)估測試方案是在爭用的環(huán)境下測量DR和端到端的延時(shí)，多個(gè)終端設(shè)備同時(shí)生成數(shù)據(jù)包發(fā)送到協(xié)調(diào)器。DR 為源節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序成功傳送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量的比值。端到端的延時(shí)是數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層傳輸?shù)侥康牡毓?jié)點(diǎn)的應(yīng)用層的時(shí)間。

在BSN 中使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是比較常見的，但是多跳的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)［9-10］中也有介紹。因此，本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)星型和二跳的樹形2 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，采用的二跳樹形網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)Z-Stack 和TIMAC 這2 個(gè)支持系統(tǒng)的協(xié)議棧評(píng)估。因?yàn)镮EEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行定義，所以測試使用TIMAC 協(xié)議棧，使用終端設(shè)備的數(shù)據(jù)包都發(fā)送到特定設(shè)備的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)來模擬一個(gè)兩跳的樹形拓?fù)渎酚善鳎瑢?shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器。

3.2 時(shí)鐘漂移

評(píng)估測試方案使用2 個(gè)ZigBee 終端設(shè)備之間的不同時(shí)鐘漂移的模型來評(píng)估2 個(gè)參數(shù)的持續(xù)時(shí)間:干擾時(shí)間(Tint)是2 個(gè)終端設(shè)備因?yàn)闀r(shí)鐘漂移使用非時(shí)隙CSMA-CA 算法競爭通道的時(shí)間;TIntRep是干擾的重復(fù)間隔時(shí)間。這個(gè)模型使用的是IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的非時(shí)隙CSMA-CA 算法，數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間如圖2 所示。

圖2 IEEE 非時(shí)隙CSMA-CA 算法的傳輸時(shí)間

發(fā)送周期(TTx)由TBackoff(隨機(jī)退避間隔)、TTA(收發(fā)器周轉(zhuǎn)時(shí)間)、TPacket(數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間)、TACK(ACK 的傳輸時(shí)間)組成。在IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)中，收發(fā)器周轉(zhuǎn)時(shí)間是192 μs，ACK 的傳輸時(shí)間是352 μs，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間取決于負(fù)載。

每個(gè)終端(EDn)都被連接到協(xié)調(diào)器(基站)，去測量在周期(T)中增加或丟失的振蕩(ticksdrifted)，并與協(xié)調(diào)器的時(shí)鐘做比較?；?BS)和終端設(shè)備n之間的時(shí)鐘漂移可以通過式(1)計(jì)算。

其中，F(xiàn)osc為CC2530 的標(biāo)稱時(shí)鐘頻率(32 MHz)。不考慮各自相對(duì)基站的絕對(duì)時(shí)鐘漂移，可以得到終端ED1 到終端ED2 的差分時(shí)鐘漂移公式，如式(2)所示。

非同步的具有相同標(biāo)稱周期的終端設(shè)備傳輸周期性的業(yè)務(wù)，由于時(shí)鐘漂移的影響最終將競爭無線信道。如果ED1 和ED2 之間的差分時(shí)鐘漂移是DED1，ED2，節(jié)點(diǎn)的標(biāo)稱傳輸周期是TED，那么這2 個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔TIntRep秒將爭奪無線信道，如式(3)所示。

2 個(gè)終端設(shè)備競爭通道的干擾時(shí)間TInt可由式(4)得到，式中TVul代表脆弱時(shí)間窗。2 個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸中彼此干擾的脆弱時(shí)間窗如圖3 所示。

圖3 時(shí)鐘漂移評(píng)估方案的脆弱時(shí)間窗

式(5)和式(6)分別表示設(shè)備ED1 和ED2 干擾期間開始和結(jié)束的時(shí)間。

其中，TBackoff_min是最小退避時(shí)間，等于0;TTx_max是發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包并接收到應(yīng)答需要的最長時(shí)間，使用最大退避周期TBackoff_max計(jì)算(TBackoff_max=2.24 ms);tEDn和分別是設(shè)備n 啟動(dòng)CSMA-CA 算法的開始和結(jié)束時(shí)間。從得到TVul的計(jì)算公式如下所示:

為了驗(yàn)證模型，評(píng)估實(shí)驗(yàn)由2 個(gè)終端設(shè)備組成的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以模式B(TED=100 ms)向協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)包。這種情況下，數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間是1.984 ms。為了更好地觀察干擾和干擾重復(fù)間隔，在隱藏節(jié)點(diǎn)的情況下，ACK 機(jī)制被禁用，這種情況下:

3.3 隱藏節(jié)點(diǎn)問題

在這個(gè)測試中，2 個(gè)ZigBee 終端設(shè)備彼此隱藏，在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的使用傳輸模式B 傳送數(shù)據(jù)包。為了分析最壞的情況，節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送的觸發(fā)信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，不啟用ACK 機(jī)制。

最小傳輸周期(TTx_min)等于TBackoff_min(0)。最大的傳輸時(shí)間(TTx_max)等于TBackoff_max(2.24 ms，對(duì)應(yīng)7 個(gè)單元的退避時(shí)間)。在這個(gè)測試中，當(dāng)協(xié)調(diào)器觸發(fā)2 個(gè)終端的傳輸數(shù)據(jù)包，傳輸時(shí)間是1.984 ms。除非ED1 和ED2 的傳輸周期分別等于TTx_min和TTx_max，否則相應(yīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包不會(huì)發(fā)生碰撞。這種情況出現(xiàn)的概率(pTX)如式(9)所示:

其中，pBackoff_min和pBackoff_max都等于1/8，因?yàn)樗鼈兪且粋€(gè)有8(0～7)種可能性的離散均勻分布。因此，pTX等于3.125%。這個(gè)值和未啟用ACK 機(jī)制的預(yù)期的DR 相符。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 傳輸率和延時(shí)

測試使用Z-Stack 的兩跳的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并啟用ACK 機(jī)制來觀察路由器的阻塞問題。使用包嗅探器，發(fā)現(xiàn)路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包只需幾秒鐘，繼而阻塞約8 s，待路由器可用后，這個(gè)過程重復(fù)繼續(xù)。對(duì)于其他情況做了幾個(gè)測試，驗(yàn)證了這個(gè)問題只發(fā)生在路由器高流量負(fù)載的情況即:數(shù)據(jù)包數(shù)量大于2 000個(gè)時(shí)路由器都會(huì)有5 s～8 s 的阻塞。

這個(gè)問題是因?yàn)楫?dāng)MAC 層不斷接收數(shù)據(jù)包時(shí)，路由器過載，不能夠處理在NWK 層的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)送。因此，為了評(píng)估路由器沒有堵塞時(shí)的傳輸率和延時(shí)，實(shí)驗(yàn)中把協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量從5 000 個(gè)逐步縮減到1 000 個(gè)，每次減少100 個(gè)數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)包低于2 000 個(gè)時(shí)，路由器對(duì)NWK 的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)送時(shí)延沒有明顯變化。為確保路由器不會(huì)因數(shù)據(jù)包過多而阻塞，實(shí)驗(yàn)中將數(shù)據(jù)包數(shù)量確定為1 000。

使用Z-Stack 測得的傳輸率與傳感器數(shù)目之間的關(guān)系如圖4 所示。對(duì)于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用ACK機(jī)制時(shí)傳輸率接近100%。但是使用3 個(gè)～5 個(gè)終端設(shè)備的2 跳的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸率要低一些，大約是96%。這個(gè)原因是因?yàn)榻K端設(shè)備產(chǎn)生的高流量負(fù)載，路由器觸發(fā)路由維護(hù)協(xié)議，導(dǎo)致頻繁啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程(平均每5 秒)。這個(gè)過程持續(xù)約250 ms，由于緩沖器溢出造成丟包，迫使路由器中斷數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)ACK 被禁用，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，在這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中DR 都顯著減小，這符合模型的預(yù)期值。

為了把TIMAC 協(xié)議棧和Z-Stack 的性能進(jìn)行比較，因?yàn)門IMAC 具有較小的協(xié)議開銷，數(shù)據(jù)包的長度等于在Z-Stack 引進(jìn)偽字節(jié)的測量值。使用TIMAC測得的DR 與傳感器數(shù)目之間的關(guān)系如圖5 所示。

圖4 使用Z-Stack 測得的傳輸率與傳感器數(shù)目之間的關(guān)系

圖5 使用TIMAC 測得的傳輸率與傳感器數(shù)目之間的關(guān)系

可以看出，啟用ACK 機(jī)制，使用TIMAC 測得的結(jié)果比使用Z-Stack 要差，因?yàn)閆-Stack 如果在MAC層未成功傳送數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)絡(luò)層可以重發(fā)一次。不啟用ACK 機(jī)制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用Z-Stack 性能要好些，因?yàn)槁酚善鞯木W(wǎng)絡(luò)層對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包具有緩沖功能，在競爭低的時(shí)候轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。而在TIMAC 中，模擬路由器的應(yīng)用程序接收到數(shù)據(jù)包立即就轉(zhuǎn)發(fā)。

圖6 和圖7 分別是實(shí)驗(yàn)測得的端到端延時(shí)的平均值和最大值與傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目的關(guān)系，分別使用Z-Stack 和TIMAC，并啟用ACK 機(jī)制。使用TIMAC的延時(shí)低于使用Z-Stack 的延時(shí)，因?yàn)門IMAC 引入的處理負(fù)荷比較低。和模型預(yù)期的一樣，因?yàn)闋幱?、碰撞和重傳，延時(shí)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而增加。具有3 個(gè)～5 個(gè)節(jié)點(diǎn)的Z-Stack 樹型拓?fù)浼せ盥酚删S護(hù)協(xié)議，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包緩沖，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的最大延時(shí)顯著增加。

圖6 平均延時(shí)與傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)系

圖7 最大延時(shí)與傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)系

4.2 時(shí)鐘漂移

終端設(shè)備n 和基站之間的差分時(shí)鐘漂移(DBS，EDn)如表1 所示。

表1 終端設(shè)備n 和基站之間的差分時(shí)鐘漂移ppm

選擇終端設(shè)備0 和1 進(jìn)行測量和模型驗(yàn)證，差分時(shí)鐘漂移DED1，ED0=3.5 ppm，代入到式(4)，得到Tint值等于40 min。代入到式(3)得到TIntRep的值為7 h 56 min。圖8 顯示了本次測試中2 個(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)的星型拓?fù)鋾r(shí)鐘漂移傳輸率。這個(gè)實(shí)驗(yàn)從18:15:10開始，第2 天的13:02:44 結(jié)束。在無干擾時(shí)段，傳輸率多數(shù)為100%。在干擾周期DR 開始減少，在2 個(gè)設(shè)備同時(shí)數(shù)據(jù)包時(shí)達(dá)到最小值，然后又增大，直到干擾結(jié)束，干擾時(shí)期持續(xù)了約40 min。干擾的重復(fù)間隔是大約7 h 53 min。測得的Tint與理論模型預(yù)測的值相相符，測得的TIntRep有6%的誤差。

圖8 2 個(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)的星型拓?fù)鋾r(shí)鐘漂移傳輸率

4.3 隱藏節(jié)點(diǎn)問題

在這個(gè)評(píng)估方案中，啟用ACK 機(jī)制實(shí)驗(yàn)測量到的DR 為90%。不啟用ACK 機(jī)制的結(jié)果是13%，這接近圖8 所示最低的傳輸率。之前在同樣的條件下測量沒有隱藏節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)終端設(shè)備，啟用ACK 機(jī)制和不啟用ACK 機(jī)制的傳輸率分別為100%和91%(見圖4)。因此，與沒有隱藏節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，具有隱藏節(jié)點(diǎn)的傳輸率急劇下降。這些結(jié)果表明，在競爭的情況下，有2 個(gè)隱藏終端設(shè)備構(gòu)成的簡單網(wǎng)絡(luò)傳輸率要低很多。隱藏節(jié)點(diǎn)越多，網(wǎng)絡(luò)性能越差。這嚴(yán)重危及網(wǎng)絡(luò)的可靠性，使得它無法滿足BSN 應(yīng)用程序的QoS 的要求。

在本文實(shí)驗(yàn)中不啟用ACK 機(jī)制測得的傳輸率是(13%)，高于前一節(jié)理論分析(3.125%)預(yù)測的值。為了找到產(chǎn)生這個(gè)差異的原因，本文分析實(shí)驗(yàn)的日志文件，理論分析假設(shè)協(xié)調(diào)器只接收從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的沒有碰撞的數(shù)據(jù)包，這只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)1 在TBackoff_min和節(jié)點(diǎn)2 在TBackoff_max執(zhí)行CSMA-CA 時(shí)才有可能。在原則上，協(xié)調(diào)器是不可能只從一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的，這使得傳輸率增加。使用數(shù)據(jù)包嗅探器，可以觀察到在觸發(fā)時(shí)，2 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送它們的數(shù)據(jù)包，如果其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)被禁用，協(xié)調(diào)器從另一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收所有數(shù)據(jù)包。

實(shí)驗(yàn)也顯示，如果該節(jié)點(diǎn)的傳輸功率用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)接收功率相同的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，傳輸率減少;如果使用不同的功率接收數(shù)據(jù)包，傳輸率增加。所以得出結(jié)論，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異可能與俘獲效應(yīng)有關(guān)。因?yàn)榕鲎玻绻涔β时雀蓴_數(shù)據(jù)包功率大得多，數(shù)據(jù)包可以被成功地接收。

5 結(jié)束語

本文對(duì)ZigBee 和IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)在BSN 應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性能分析，特別強(qiáng)調(diào)在高流量負(fù)載條件，研究基于德州儀器的Z-Stack 和IEEE802.15.4(TIMAC)。傳輸率和延時(shí)方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在2 跳的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，高負(fù)載持續(xù)時(shí)期可能導(dǎo)致的ZigBee 路由器啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)過程，對(duì)傳輸率和延時(shí)帶來負(fù)面的影響。路由器阻塞問題，可能會(huì)造成高流量負(fù)載持續(xù)幾秒。從時(shí)鐘漂移實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，由于節(jié)點(diǎn)間很小的時(shí)鐘漂移，干擾可能會(huì)持續(xù)很長一段時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近時(shí)鐘漂移預(yù)測模型。從隱藏節(jié)點(diǎn)方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在競爭的情況下，由2 個(gè)隱藏終端設(shè)備構(gòu)成的簡單網(wǎng)絡(luò)傳輸率要低很多。隱藏節(jié)點(diǎn)越多，網(wǎng)絡(luò)性能越差。盡管實(shí)驗(yàn)是在爭用最壞的情況下完成，只使用2 個(gè)終端設(shè)備同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包。多個(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)結(jié)合時(shí)鐘漂移的影響可能會(huì)導(dǎo)致長期的網(wǎng)絡(luò)可靠性問題。

BSN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要符合QoS 的指標(biāo)要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，需要一種機(jī)制來分配由數(shù)據(jù)密集型設(shè)備產(chǎn)生的流量負(fù)載，以防止基于ZigBee 的BSN 中路由器過載、時(shí)鐘漂移和隱藏節(jié)點(diǎn)問題，也可以通過對(duì)ZigBee 路由協(xié)議的修改，使之在路由競爭的情況下滿足QoS 的指標(biāo)要求。

［1］洪 巖，楊 敏.個(gè)體生理狀態(tài)及體表微氣候監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.中國個(gè)體防護(hù)裝備，2013，(2):76-82.

［2］唐湘楓，尹貽虎，賀志龍.身體傳感器網(wǎng)絡(luò)BSN 關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］.電子質(zhì)量，2011，(1):6-8.

［3］宮繼兵，王 睿.體域網(wǎng)BSN 的研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010，47(5):737-753.

［4］龐顯濤.基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的心臟病預(yù)測研究與實(shí)現(xiàn)［D］.長春:吉林大學(xué)，2012.

［5］龍承志.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電子健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)［J］.中外醫(yī)療，2007，(18):43-49.

［6］姜智文，周 熙，佘 陽，等.IEEE802.15.4 MAC 協(xié)議研究現(xiàn)狀［J］.無線電通信技術(shù)，2013，39(5):11-14.

［7］史 寧.基于ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.長春:吉林大學(xué)，2007.

［8］張麟麟，李東生.IEEE 802.15.4 MAC 的分析與性能評(píng)估［J］.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2012，34(3):24-28.

［9］Hande A，Polk T，Walker W，et al.Self-powered Wireless Sensor Networks for Remote Patient Monitoring in Hospitals［J］.Sensors，2006，6(9):1102-1117.

［10］Ko J G，Gao T，Terzis A.Empirical Study of a Medical Sensor Application in an Urban Emergency Department［C］//Proceedings of the 4th International Conference on Body Area Networks.［S.l.］:Institute for Computer Sciences，Social-Informatics and Telecommunications Engineering，2009:10.

［11］吉 誠.低速無線個(gè)域網(wǎng)能量有效性的研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［12］蔣建輝.ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.蘇州:蘇州大學(xué)，2006.

［13］Garde M S B，Kotgire S L.Coalmine Safety System with ZigBee Specification［J］.Journal Impact Factor，2013，4(2):504-512.

［14］王 欽.基于ZigBee 技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，25(8):46-51.

［15］Gonzalez J，Cruz J.Analysis of Process Variations'Impact on a 2.4 GHz 90 nm CMOS LNA［C］//Proceedings of LASCAS'13.［S.l.］:IEEE Press，2013:1-4.

［16］沈云明，鄭 焜，陳 龍，等.基于ZigBee 的嬰兒培養(yǎng)箱溫度監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)［J］.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2013，32(2):248-252.