章 陽，王潛平

（中國礦業(yè)大學 計算機科學與技術學院，江蘇 徐州221116）

0 引 言

IEEE802.15.4［1］MAC 層 的 占 空 比 由 信 標 級 數(shù)BO（beacon order）和超幀級數(shù)SO （superframe order）決定且范圍從1到1／16384。由于不同的占空比適用于不同的網(wǎng)絡需求：如果同時增大BO 和SO，會增大傳輸?shù)臅r延，導致因密集的信道競爭而減小系統(tǒng)的吞吐量；如果同時減小BO和SO，會減小有效帶寬，導致因頻繁的信標接收和發(fā)送增大能量消耗。所以，如何設置一對恰當?shù)闹禎M足當前網(wǎng)絡的需求是一個十分值得研究的問題。

Yu Kai［2］等人研究了信標網(wǎng)絡下低功率操作的綜合分析，建立了MAC 特性模型、緩沖數(shù)據(jù)包模型。Joseph Jeon［3］等人研究了網(wǎng)絡下的占空比自適應算法，分析了不同節(jié)點數(shù)量下的丟包率。高博［4］提出了一種獨立占空比算法，使每個節(jié)點可以采用不同的占空比和協(xié)調器進行通信。萬靜［5］利用了節(jié)點隊列大小，并對GTS進行修改，實現(xiàn)了實時任務和非實時任務的公平性分析。文獻 ［6，7］是非時隙下的占空比優(yōu)化，建立了CSMA 模型。文獻 ［8］分析了低占空比下的信標網(wǎng)絡性能。文獻 ［9－12］在IEEE802.15.4其他方面做了些改進。

以上研究均未同時考慮占空比和公平性問題，所以本文提出了一種可以同時解決占空比動態(tài)適應網(wǎng)絡負載變化和節(jié)點公平性的方案。通過對能量、有效吞吐率、時延以及丟包率4方面進行分析，更好地實現(xiàn)了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸。

1 IEEE802.15.4MAC層

IEEE802.15.4標準定義了兩種介質訪問模式：信標模式和非信標模式。在信標模式下的CAP （channel access perid）階段，節(jié)點通過CSMA／CA［13］算法競爭信道，傳輸非實時數(shù)據(jù)；在CFP （channel access－free perid）階段，節(jié)點通過申請保護時隙GTS，滿足實時數(shù)據(jù)傳輸。基于信標模式的各種優(yōu)點，本文在信標網(wǎng)絡模式下進行研究。

1.1 超幀結構

如圖1所示，超幀［14］的活動部分分成16 個相等的時隙，活動部分又被分為CAP階段和CFP階段。其中，活動部分的第一個時隙由協(xié)調器發(fā)送信標；CAP中的時隙由節(jié)點通過競爭獲得；CFP中的保護時隙GTS是給特定的設備使用的。廣播的信標幀中含有決定占空比 （duty cycle）大小的參數(shù)SO、BO 值，如式 （1）所示

圖1 超幀結構

1.2 CAP理論分析

本文假設整個超幀的活動部分只含有CAP階段，且沒有實時任務和沖突發(fā)生。計算CAP 階段可發(fā)送的數(shù)據(jù)幀個數(shù)cap＿num的前提是求出一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送所需的符號數(shù)Ttotal。

由圖2得式 （2）和式 （3）

其中，TACK包括Tack和ACK。

其中，Tbeacon為信標占用的時隙，SD 為活動時間。

2 ABC算法

圖2 帶ACK 的數(shù)據(jù)幀傳輸

針對IEEE802.15.4MAC層存在的固定占空比以及CAP霸占問題。本文采用了自適應信標控制算法，即通過終端設備的隊列長度、CAP階段可發(fā)送數(shù)據(jù)幀個數(shù)以及矩陣分析，來控制信標幀的變化。

2.1 ABC算法的幀結構設計

本算法在原協(xié)議的基礎上對信標幀和數(shù)據(jù)幀進行了重新設計，其他幀結構保持不變。

2.1.1 信標幀

ABC算法在原信標幀的基礎上，增加了雙倍競爭窗口DoubleCW （double contention window）變量，見表1。該變量包含設備編號 （DeviceID）以及標志 （Flag）兩個字段，見表2。根據(jù)矩陣分析結果，得出需要增大CW 的節(jié)點，并在新的超幀開始之前，將這些節(jié)點的Flag 設置為1，剩余的節(jié)點的Flag 設置為0。終端設備在接收到信標后，根據(jù)信標幀的信息改變自身的占空比以及CW 值。

2.1.2 數(shù)據(jù)幀

ABC算法在原數(shù)據(jù)幀的基礎上，增加了隊列信息Queue變量，該變量只有兩個字節(jié)，見表3。其中0 位為isDevice表示是否是終端設備，1－8位為DeviceID 表示終端設備MAC地址，9－15位為Length表示隊列剩余的幀個數(shù)，見表4。終端設備會將自身隊列中的剩余數(shù)據(jù)幀個數(shù)記錄在數(shù)據(jù)幀Queue的Length 字段中，這樣，協(xié)調器收到數(shù)據(jù)幀后，從數(shù)據(jù)幀的Queue字段中可以知道與自身相連的各節(jié)點隊列剩余幀個數(shù)。

表1 ABC信標幀

表2 DoubleCW 結構

表3 ABC數(shù)據(jù)幀結構

表4 Queue結構

2.2 ABC算法的流程

在ABC算法中，所有的終端節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，將各自隊列中剩余幀個數(shù)放入Queue的字段中。協(xié)調器得到數(shù)據(jù)幀后，將各個節(jié)點隊列信息存入矩陣。通過分析矩陣，得出是否需要修改占空比，是否發(fā)生節(jié)點抑制。根據(jù)分析的結論，修改占空比以及CW 值，流程見圖3。

圖3 ABC流程

2.3 ABC的矩陣分析及信標控制

算法涉及的變量和函數(shù)見表5。

表5 算法涉及的變量和函數(shù)

矩陣分析與信標控制具體過程：

（1）協(xié)調器通過Matrix求出所有的totalNum ［j］。

（2）判斷Matrix ［j］ ［i］是否大于0，若邏輯結果為真，則times＿CW ［i］加1。同時判斷totalNum ［j］是否大于cap＿num，若邏輯結果為真，則times＿duty 加1。循環(huán)步驟 （2），直到j等于λ。

（3）判斷times＿duty 和Ω、ω 之間的大小關系。若times＿duty 大于Ω，則執(zhí)行過程decBO。若times＿duty 小于ω，則執(zhí)行過程incBO。

（4）查看times＿CW ［i］中的值，若值大于φ，則將1賦予times＿CW ［i］。反之，則將0賦予times＿CW ［i］。

（5）在步驟 （4）之后，協(xié)調器會將新的BO 寫入幀特性描述符，同時根據(jù)times＿CW ［i］中的值，對每個節(jié)點設置DoubleCW。

（6）節(jié)點在下一個超幀收到信標，會根據(jù)信標中的信息，設置自身節(jié)點的BO 和CW。

上述描述的6個步驟，步驟（1）－步驟（4）為矩陣分析，步驟 （5）、步驟 （6）為信標控制。關于如何通過修改占空比，在步驟 （2）和步驟 （3）中也給出了具體的方法。在1.2中，本文已經(jīng)分析了cap＿num 的值，且因為ABC 算法只是修改了BO 的值，并沒有對SO 進行修改，所以cap＿num 始終保持不變。對于節(jié)點抑制采取的方法，是記錄節(jié)點在一次算法周期內發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)，如果次數(shù)超過了上限值φ，則認為該節(jié)點在算法周期內霸占了CAP 階段，從而應該改變該節(jié)點的CW 大小。而對次數(shù)未超過上限值φ 的節(jié)點，則認為該節(jié)點還未對其他節(jié)點構成競爭威脅，保持原先的CW 值。矩陣分析流程，如圖4所示。

3 仿真實驗和分析

本文利用NS2 仿真模擬軟件，對IEEE802.15.4 改進前后的協(xié)議在能量、傳輸時延、有效吞吐率以及丟包率，這4個方面進行比較分析。其中，能量是整個模擬時間內節(jié)點平均消耗的總能量；傳輸時延是一個數(shù)據(jù)包從源節(jié)點到目的節(jié)點所消耗的平均時間；有效吞吐率是正確接收的數(shù)據(jù)總量占整個網(wǎng)絡流量的百分比；丟包率是正確接收的數(shù)據(jù)幀個數(shù)占整個發(fā)送數(shù)據(jù)幀個數(shù)的百分比。仿真實驗參數(shù)見表6，本文采取的數(shù)據(jù)包小于MAC 層數(shù)據(jù)幀負載，從而杜絕數(shù)據(jù)包拆分現(xiàn)象，簡化數(shù)據(jù)分析。

表6 仿真實驗參數(shù)

整個仿真模擬的數(shù)據(jù)發(fā)送過程為，終端設備1－6 分別在17.1s、17.2s、17.3s，17.4s，17.5s以及17.6s發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調器0。本文對以下3種方法進行仿真分析：①origin為原始IEEE802.15.4協(xié)議。②ABC 為未包含CW 控制改進的ABC算法。③ABC＿CW 為包含了CW 控制改進的ABC算法。

3.1 能量消耗分析

由圖5可以看出，原算法的能量消耗遠比ABC 算法的能量消耗大。這是由于ABC 算法根據(jù)網(wǎng)絡流量的變化，定期的對占空比進行調節(jié)：低負載時，減少了接收和發(fā)送信標幀帶來的能量消耗；高負載時，降低了碰撞帶來的能量消耗。其中ABC和ABC＿CW 的能量消耗曲線在前300s表現(xiàn)基本相同，由于這段時間屬于整個模擬時間的前半段，網(wǎng)絡還未出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)累積，且沒有出現(xiàn)某些節(jié)點長期霸占CAP階段。但是從300s以后可以看出，ABC＿CW 比ABC 在能量上表現(xiàn)略微的優(yōu)勢。由于ABC＿CW 會分析出網(wǎng)絡是否出現(xiàn)節(jié)點抑制，并解決了不公平性。從而，ABC＿CW 不僅保護了各終端節(jié)點的公平性，而且節(jié)省了大量能量消耗。

3.2 丟包率分析

如圖6 所示，origin 的丟包率保持在25%左右，而ABC的丟包率比origin低一些，但是其值也有23%左右。ABC＿CW 卻能將丟包率控制在15%左右，比之前兩種方案低了10%左右。這是因為前兩種方案不能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡終端設備不公平現(xiàn)象，導致一些終端隊列長時間未發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)生大量溢出，產(chǎn)生丟包。而ABC＿CW 可以避免此現(xiàn)象出現(xiàn)，從而降低了丟包率。

3.3 有效吞吐率分析

根據(jù)圖6可知，ABC＿CW 比ABC 和origin在丟包率上有較大的改進。因為丟包率直接影響有效吞吐率，由圖6和圖7 在300s之后可以看出，ABC＿CW 的丟包率升高，導致ABC＿CW 的有效吞吐率降低。ABC 的丟包率比origin的丟包率低3%左右，但是有效吞吐率卻能提高20%左右，這是由于丟包率并不是影響有效吞吐率的唯一因素，還取決于其他因素，例如節(jié)點處理數(shù)據(jù)的速度和數(shù)據(jù)包傳輸時是否發(fā)生錯誤等?？傊?，通過圖7可知ABC＿CW 的有效吞吐率比ABC和origin表現(xiàn)的更好。

3.4 平均時延分析

由圖8可知在前300s，ABC 和ABC＿CW 的時延均比origin小。通過圖5能量消耗圖也可以知道，前300s沒有節(jié)點霸占CAP的現(xiàn)象。所以，兩種改進算法都比origin的時延小。但是在300s－450s階段，ABC＿CW 因為一些節(jié)點的CW 改變，導致總的時延增大，從而平均時延增大。而ABC只設置了適合網(wǎng)絡的占空比，所以時延比origin 小。最后50s內，因模擬時間將要結束，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生減少，3種方案的時延漸漸趨于一種相似平穩(wěn)狀態(tài)。

綜上所述，在保證時延大致不變的情況下，ABC＿CW不僅比ABC和origin的丟包率減少10%，有效吞吐率提高15%－40%，而且能量消耗也可以減少90%－900%。相比ABC算話和origin算法，ABC＿CW 算法滿足了無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能要求。

4 結束語

本文基于IEEE802.15.4協(xié)議提出了ABC算法，以解決固定占空比不適合動態(tài)流量的問題和某些節(jié)點長期占用CAP周期帶來的不公平性問題。通過與原協(xié)議比較，ABC算法無論從能量、丟包率，還是有效吞吐率以及時延上均有明顯提高，很好地解決占空比和網(wǎng)絡流量之間的不協(xié)調問題，從而改善了整個網(wǎng)絡的公平性，完善了IEEE802.15.4 在LRWPAN網(wǎng)絡的應用需求。該算法為將來IEEE802.15.4信標控制進一步優(yōu)化改進提供了參考，同時也對其他網(wǎng)絡通信協(xié)議提供仿照基礎。

［1］IEEE P802.15.4REVi／D04：IEEE draft standard for information technology－telecommunications and information exchange between systems－local and metropolitan area networks－specific requirementspart 15.4：Wireless medium access control（MAC）and physical layer（PHY）specifications for low rate wireless personal area networks（WPANs）［S］.IEEE，2011：1－334.

［2］Yu Kai H，Ai Chun P，Hui Nien H.A comprehensive analysis of low－power operation for beacon－enabled IEEE 802.15.4 wireless networks ［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8 （11）：5601－5611.

［3］Jeon J，Jong W L，Jae Y H，et al.DCA：Duty－cycle adaptation algorithm for IEEE 802.15.4beacon－enabled networks［C］／／IEEE 65th VTC2007－Spring，2007.

［4］GAO BO. Modeling and energy－efficiency study of IEEE 802.15.4 MAC in wireless sensor networks ［D］.Shanghai Communications University，2009 （in Chinese）.［高博.無線傳感器網(wǎng)絡中IEEE 802.15.4 MAC的協(xié)議建模與能量有效性研究 ［D］.上海：上海交通大學，2009.］

［5］WAN Jing.The beacon－enabled study of IEEE 802.15.4 MAC［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology，2012 （in Chinese）.［萬靜.信標模式下802.15.4 MAC協(xié)議研究 ［D］.成都：電子科技大學，2012.］

［6］Ergen S C，F(xiàn)ischione C，Marandin D，et al.Duty－cycle optimization in unslotted 802.15.4wireless sensor networks：Global telecommunications conference［C］／／IEEE GLOBECOM，2008.

［7］Fischione C，Ergen S C，Pangun P，et al.Medium access control analytical modeling and optimization in unslotted IEEE 802.15.4wireless sensor networks ［C］／／6th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor Mesh and Ad Hoc Communications and Networks，2009.

［8］Kumar V，Raghuvansi A S，Tiwari S.Performance study of beacon－enabled IEEE 802.15.4standard in WSNs with clustering ［C］／／International Conference on Power，Control and Embedded Systems，2010.

［9］De Paz Alberola R，Villaverde B C，Pesch D.Distributed duty cycle management（DDCM）for IEEE 802.15.4beacon－enabled wireless mesh sensor networks［C］／／IEEE 8th International Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems，2011.

［10］Lian H，Xuecheng Z，Zhenglin L，et al.An energy－efficient AESCCM implementation for IEEE802.15.4wireless sensor networks［C］／／International Conference on NSWCTC，2009.

［11］Kwangil H，Sang Soo Y，Jong Hyuk P.Adaptive multi－channel utilization scheme for coexistence of IEEE802.15.4 LRWPAN with other interfering systems［C］／／11th IEEE International Conference on HPCC，2009.

［12］Lee Y H，F(xiàn)am F T.Delivering high quality，secure speech communication through low data rate 802.15.4 WPAN［C］／／IEEE International Conference on ICT－MICC，2007.

［13］Wang F，Li D，Zhao Y.Analysis of CSMA／CA in IEEE 802.15.4［J］.Communications，IET，2011，5 （15）：2187－2195.

［14］LV Zhi'an.ZigBee network theory and application development［M］.Beijing：Beihang University Press，2008（in Chinese）.［呂治安.ZigBee網(wǎng)絡原理與應用開發(fā) ［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.］