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摘要：近年來，傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)由于其低速、低功耗、短傳輸距離和簡單架構(gòu)的特點(diǎn)，已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的流行媒體訪問控制層和物理層標(biāo)準(zhǔn)。該文對(duì)使用IEEE 802.15.4協(xié)議的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);lEEE 802.15.4;網(wǎng)絡(luò)性能

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）34-0020-03

隨著通信技術(shù)，嵌入式計(jì)算技術(shù)和微傳感器加工技術(shù)的快速發(fā)展，許多具有計(jì)算和通信能力的傳感器可以通過無線模式相互連接，以完成特定的應(yīng)用任務(wù)。由這些傳感器形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）引起了極大的關(guān)注。IEEE 802.15.4是這種網(wǎng)絡(luò)的主要協(xié)議，通過將兩者相結(jié)合來執(zhí)行數(shù)據(jù)收集，處理和分析任務(wù)可以確定是否或何時(shí)需要用戶操作。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

在WSN中，監(jiān)控環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)通過多跳中繼將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。其規(guī)模相對(duì)較大，由幾個(gè)集群組成。在群集中選擇節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成匯聚節(jié)點(diǎn)的骨干網(wǎng)絡(luò)。集群中的節(jié)點(diǎn)將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到集群節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)通過骨干網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。最后，整個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行集中處理。典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)，聚合節(jié)點(diǎn)，互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)傳輸范圍小，匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸能力強(qiáng)，功率大，處理能力強(qiáng)。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性和應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)很大，是自組織的，動(dòng)態(tài)的和可靠的，它們被部署在人力資源不易訪問的地方。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事，農(nóng)業(yè)，環(huán)境檢測，智能家居，醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.3 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

長期以來，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究主要集中在高速和長距離，缺乏對(duì)低速無線網(wǎng)絡(luò)中的研究和應(yīng)用。為滿足低成本設(shè)備（固定，便攜或移動(dòng)設(shè)備）之間的低速傳輸，IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)于2000年12月正式批準(zhǔn)并建立了IEEE 802.15.4工作組，其使命是開發(fā)低速無線通信標(biāo)準(zhǔn)，其具有以下特征：

（1）功耗低，實(shí)現(xiàn)簡單。這是該標(biāo)準(zhǔn)最重要的特性。該標(biāo)準(zhǔn)引入多種節(jié)能機(jī)制，最重要的是“超幀模式”，允許設(shè)備在沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下進(jìn)入休眠狀態(tài)。

（2）成本低。該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備成本，安裝成本和維護(hù)成本較低。器件可在標(biāo)準(zhǔn)電池供電條件下工作，無須充電。該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部可配置，降低維護(hù)費(fèi)用。

（3）單個(gè)網(wǎng)絡(luò)能容納節(jié)點(diǎn)密度更高。ZigBee通過使用該標(biāo)準(zhǔn)的物理層和媒體訪問控制層支持幾乎任意數(shù)量的設(shè)備，這對(duì)于大規(guī)模傳感器陣列和控制尤其重要。

（4）協(xié)議簡單而國際化。ZigBee協(xié)議棧平均只有藍(lán)牙或其他標(biāo)準(zhǔn)的1/4，這種簡化對(duì)于低成本，互操作性和可維護(hù)性非常重要。

2 lEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基本問題

2.1 網(wǎng)絡(luò)組成及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)（AN）可分為兩種類型。一是簡化的功能設(shè)備（RFD）。其功能相對(duì)簡單，只能與相關(guān)的Ff進(jìn)行通信。另一種是具有數(shù)據(jù)傳輸，接收，數(shù)據(jù)采集和外部通信的全功能設(shè)備（FFD）。其至少有一個(gè)FFD作為PAN協(xié)調(diào)器。每個(gè)PAN都有一個(gè)唯一的PAN標(biāo)識(shí)符。

LR.WPAN可以工作在兩種拓?fù)渲校盒切突螯c(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如圖1所示。在星型網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)FFD作為PAN協(xié)調(diào)器。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)還具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。該網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都可以與信號(hào)輻射范圍內(nèi)的設(shè)備通信.這使得點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜。

2.2 堆棧的結(jié)構(gòu)

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和MAC子層，它符合開放系統(tǒng)互連模型（OSI）。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊。MAC子層提供了一個(gè)高級(jí)訪問物理信道的接口。協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 協(xié)議功能概述

LR-WPAN的功能，主要包括超幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸模型，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，低功耗和安全問題。

超幀結(jié)構(gòu)是核心部分，實(shí)現(xiàn)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。在該結(jié)構(gòu)中傳輸MAC層的所有幀。當(dāng)執(zhí)行信道競爭訪問時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)還在該幀中執(zhí)行競爭訪問時(shí)段（CAP）。當(dāng)節(jié)點(diǎn)以非競爭方式進(jìn)入信息傳輸時(shí)，它可以在非競爭訪問時(shí)段（CFP）中完成它。在這種情況下，需要提前分配和保留GTS。當(dāng)節(jié)點(diǎn)爭用該信道時(shí)，應(yīng)用CSMA/CA算法。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)是否使用信標(biāo)，該算法被劃分為具有時(shí)隙的算法和無時(shí)隙算法。

3 基于集群的lEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能分析

在分析網(wǎng)絡(luò)性能時(shí)，建立了三種模型：競爭模型（CSMA算法的模擬），MAC層模型和節(jié)點(diǎn)模型。這三個(gè)模型可以組合在一起形成一致的參數(shù)。

3.1 競爭模型

競爭模型用于分析CSMA/CA機(jī)制，包括退避時(shí)間，沖突和重傳。為了簡化計(jì)算，在超幀結(jié)構(gòu)中，不考慮非競爭時(shí)期的影響。因此，競爭訪問期（CAP）將在分析中發(fā)揮重要作用。

3.2 MAC層模型

MAC層模型用于分析發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)幀，信標(biāo)幀和網(wǎng)絡(luò)掃描所需的能量和時(shí)間。在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，一幀傳輸包括退避時(shí)間和實(shí)際用于傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。我們將短幀和長幀分開來分析它們的時(shí)間和能量。首先，短幀傳輸包括退避時(shí)間是睡眠到空轉(zhuǎn)換時(shí)間、每次傳送所需的總退避時(shí)間、空轉(zhuǎn)發(fā)送轉(zhuǎn)換時(shí)間、短幀長度與數(shù)據(jù)傳輸速率的比率四個(gè)部分的總和。然后，獲得確認(rèn)幀的傳輸能量，接收和發(fā)送的轉(zhuǎn)換能量、確認(rèn)過程的能量、等待確認(rèn)過程的能量三個(gè)部分的總和。

3.3 分析結(jié)果

我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備和協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)的功耗，吞吐量和有效吞吐量進(jìn)行分析。

3.3.1 設(shè)備功耗

通常，由于接收的信標(biāo)幀和發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的能量隨著信標(biāo)之間的間隔而減小;信標(biāo)幀發(fā)送間隔的增加，網(wǎng)絡(luò)掃描能量消耗顯著增加。網(wǎng)絡(luò)掃描的能量消耗與信標(biāo)周期成比例。BO=10與B0=8相較，設(shè)備的功耗更大。S0值較小也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備功耗增大，因?yàn)檫@增加了沖突和重傳的可能性。

3.3.2 協(xié)調(diào)器功耗

在設(shè)備的功耗分析中，我們獲得了3小時(shí)的網(wǎng)絡(luò)掃描間隔。在低數(shù)據(jù)速率下，協(xié)調(diào)器的功耗可降至200μW。在典型應(yīng)用中，協(xié)調(diào)器的功耗在1到10 mW之間。

3.3.3 有效吞吐量

網(wǎng)絡(luò)所需的吞吐量數(shù)據(jù)是傳輸?shù)拈g隔，信標(biāo)幀的間隔，以及通過協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的總和。吞吐量是上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸間隔和網(wǎng)絡(luò)深度的函數(shù)。

有效吞吐量等于吞吐量和成功傳輸?shù)母怕实某朔e。對(duì)于不同長度（S0）的CAP，有效吞吐量占吞吐量的百分比如圖7所示。

結(jié)果顯示，當(dāng)有效吞吐量小于每超幀200比特時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)大約90%的傳輸成功率。當(dāng)S0從0變?yōu)?時(shí)，每個(gè)信標(biāo)周期的最大有效吞吐量為302，545和897比特。此時(shí)達(dá)到的有效吞吐量百分比在33%至55%之間。隨著吞吐量不斷增加，網(wǎng)絡(luò)中的沖突急劇增加，大大降低了有效吞吐量。增加S0將減少?zèng)_突并提高有效吞吐量。

網(wǎng)絡(luò)的能量效率是有效吞吐量除以協(xié)調(diào)器的功耗，協(xié)調(diào)器表示在一跳內(nèi)成功發(fā)送一位數(shù)據(jù)所消耗的能量。網(wǎng)絡(luò)能效如圖8所示。

4 結(jié)論

本文首先闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本情況，其次研究具有大規(guī)模節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最后分析用于大規(guī)模集群樹網(wǎng)絡(luò)的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的性能，建立了OPNET仿真場景，模擬了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的有效吞吐量和功耗。將模擬結(jié)果與分析結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性。

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【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2019-08-16

作者簡介：Abdulaziz（1987-），碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。