IEEE 802.15.4 MAC協議能耗與時延均衡的GTS調度新算法設計*

李 明 ，周四清 ，2

（1.暨南大學，信息科學技術學院，廣東 廣州 510632；2.暨南大學，經濟學院，廣東 廣州 510632)

隨著通信技術的飛速發展，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工作組正式發布了針對低速率無線個人區域網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規范[1]。2004年，ZigBee聯盟組織采納了IEEE 802.15.4標準，為無線傳感器網絡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業的發展提供了新契機。

WSN起源于20世紀90年代末，并在21世紀得到迅速發展，在國防軍事、環境監測、醫療衛生、智能家居、抗災救險和交通領域等人類生活的各方面發揮著重要作用。例如，美國加州大學伯克利分校Intel實驗室和數據，重復傳輸2次，仿真運行20次。

表1 部分仿真參數

表2 節點的業務量和時延期限

圖4 仿真場景圖

本文采用3個參數對該GTS調度算法的性能進行評價：

(2)最大時延差LMAX=(實際時延-時延期限)

(3)設備節點的剩余能量 E剩，并與 IEEE 802.15.4的先來先服務 (FCFS)GTS分配機制的性能進行比較，其結果分別如圖5、圖 6、圖7所示。

圖5 時延期限滿足率(TDR)

圖6 最大時延差(LMAX)

由圖5可知，TDP調度算法的TDR為100%，而FCFS的 TDR比較低，TDP、GTS分配機制調度算法的TDR比FCFS分配機制調度算法的TDR要高。這是因為TDP調度算法優先考慮了時延要求，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調度算法，節點能在規定時延范圍內完成傳輸，而在FCFS則不能。這是因為TDP優先為時延期限小的節點分配GTS，且以節點最小時延期限為系統最大延遲，且每到1個節點傳輸完成時，重新進行調度，而FCFS沒有進行調度。由圖7可知，在TDP下，節點的剩余能量比 FCFS偏多一些，是因為TDP調度算法在滿足時隙要求情況下，調節占空比，使占空比最低，適當增加了節點的休眠時間，而FCFS調度沒有考慮能耗問題。

圖7 設備節點剩余能量

本文在分析IEEE 802.15.4協議GTS分配機制基礎上，提出了一種新的TDP調度算法。該調度算法對時延期限小的節點優先進行GTS分配且在滿足其時延要求的情況下，根據業務量調節超幀結構中的SO和BO，使設備節點能耗降到最低，實現設備能耗與時延的相對均衡，為促進無線傳感網絡在實時系統的應用具有參考意義。但目前該調度算法只適合于星狀網絡結構，使其適合其他網絡拓撲結構仍需要進一步研究。

[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.

[2]蔣挺，成林.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

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