基于Zigbee技術(shù)的機(jī)坪移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能量?jī)?yōu)化方法研究*

陳維興，李雯清，孫毅剛

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

近年來(lái)，民航飛機(jī)在停機(jī)坪被碰撞的事故不斷發(fā)生，2005年僅一年就有三架客機(jī)分別在白云、咸陽(yáng)、首都機(jī)場(chǎng)被車(chē)輛撞壞。本文所述的“機(jī)坪動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)”利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)坪移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在天津機(jī)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中完全實(shí)現(xiàn)了既定功能，但也暴露出了網(wǎng)絡(luò)能耗較高以及隨之產(chǎn)生的定位計(jì)算偏差和滯后加重的問(wèn)題，在一定程度上影響了使用效果。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，MAC層所定義的超幀機(jī)制和CSMA/CA算法可以在很大程度上影響節(jié)點(diǎn)能耗，對(duì)電池供電的節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的實(shí)際意義[1]。

1 機(jī)坪動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2－3]

系統(tǒng)被劃分為若干子網(wǎng)，各子網(wǎng)對(duì)其所覆蓋停機(jī)位內(nèi)的動(dòng)目標(biāo)定位，整個(gè)定位區(qū)域的動(dòng)目標(biāo)位置信息經(jīng)候機(jī)樓內(nèi)綜合布線系統(tǒng)送交中心主機(jī)顯示。ZigBee子網(wǎng)由固定節(jié)點(diǎn)RN、車(chē)載節(jié)點(diǎn)BN與網(wǎng)關(guān)組成，利用 RSSI原理對(duì) BN定位。BN采用 TI的CC2431做處理器，利用其內(nèi)置定位引擎完成定位:BN周期根據(jù)LQI接收周邊至少3個(gè)RN的固定坐標(biāo)值，同時(shí)參考該RN的RSSI值計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距，然后根據(jù)接收到的3個(gè)(或更多)RN的固定坐標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)間距計(jì)算BN的自身位置，最后將BN自身坐標(biāo)上傳至上位機(jī)。圖1表示子網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信鏈路和數(shù)據(jù)傳遞的關(guān)系。

系統(tǒng)使用中出現(xiàn)定位誤差頻度和幅度增加的現(xiàn)象，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，而此時(shí)測(cè)量節(jié)點(diǎn)電池，發(fā)現(xiàn)電池電壓已經(jīng)處于下降甚至欠壓狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)如表1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信鏈路關(guān)系

表1 電池電量與系統(tǒng)使用特性的關(guān)系

分析原因，主要是電池消耗導(dǎo)致BN和RN的RF模塊PA和LNA下降，直接影響到RSSI準(zhǔn)確性和網(wǎng)絡(luò)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)量則反應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)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。因此，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))，如何降低網(wǎng)絡(luò)(節(jié)點(diǎn)電池)能耗從而提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。同時(shí)，單純追求能耗必然會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和吞吐量造成影響，故對(duì)這兩種參數(shù)也加以討論。

2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議

Zigbee網(wǎng)絡(luò)MAC層中規(guī)定的超幀結(jié)構(gòu)信道訪問(wèn)機(jī)制[4－5]、CSMA/CA 算法和 GTS 分配管理機(jī)制[6]等都是近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的研究方向。本文論述的網(wǎng)絡(luò)屬于信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)，采用帶時(shí)隙的CSMA/CA算法[7]，且超幀的活躍期均為CAP，其3個(gè)參數(shù)為:

(1)NB，退避次數(shù) 嘗試一次新發(fā)送時(shí)NB為0。NB最大值(下文為maxNB)可自由設(shè)定，默認(rèn)為5。

(2)CW，競(jìng)爭(zhēng)窗口 一般初始化為2，并且當(dāng)每次CCA為忙時(shí)重置為2。

(3)BE，退避指數(shù) 退避周期 T是(0.2BE－1)間的隨機(jī)數(shù)，BE的最大值aMaxBE=5，為常量。

以上參數(shù)直接作用于網(wǎng)絡(luò)信道監(jiān)聽(tīng)、碰撞等方面，進(jìn)而影響性能，因此如何設(shè)置CSMA/CA參數(shù)是本文討論的重點(diǎn)內(nèi)容。

3 機(jī)坪動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能量?jī)?yōu)化算法(RMTMN-EOA)

3.1 MAC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)的分析[7－8]

本文所述MAC協(xié)議，即IEEE 802.15.4使用無(wú)差別的參數(shù)設(shè)置，無(wú)法對(duì)網(wǎng)絡(luò)做出最優(yōu)設(shè)計(jì)。

圖2表示在執(zhí)行CSMA/CA過(guò)程中是否采用ACK對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的影響，使用ACK令丟包率下降吞吐量增加，但其加大網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷而增加能耗。本文仿真橫軸均表示時(shí)間(min)，圖2(a)縱軸表示能量(kJ)，能量模型采用了OPNET的能量統(tǒng)計(jì)量，與§3.3討論的能量模型近似，是接近一次曲線的階梯型曲線。除ACK外，令CW增大或maxNB減小都會(huì)引起能耗的降低，如圖3、4，這是由于減少了網(wǎng)絡(luò)退避等待和空閑監(jiān)聽(tīng)時(shí)間造成的，以本系統(tǒng)采用的CC2431處理器為例，空閑監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的漏電流為 19.7mA，發(fā)送狀態(tài)為 17.4mA[9]。可見(jiàn)，正確地動(dòng)態(tài)設(shè)置CAMA/CA參數(shù)有非常重要的實(shí)際意義。

圖2 ACK設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)性能

3.2 RMTMN-EOA 設(shè)計(jì)

機(jī)坪動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[2－3](RMTMN)數(shù)據(jù)分類以及特點(diǎn)如表2所示。原有MAC層采用無(wú)差別的CSMA/CA，將會(huì)導(dǎo)致信道資源不合理使用:1類數(shù)據(jù)退避過(guò)長(zhǎng)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)造成偵聽(tīng)過(guò)程的能耗過(guò)大;2/3類數(shù)據(jù)搶占1類數(shù)據(jù)信道，導(dǎo)致碰撞率上升，迫使重要數(shù)據(jù)重傳，引起電池能量下降，尤其是能量的下降會(huì)直接導(dǎo)致定位精度和顯示實(shí)時(shí)性的惡化。參考文獻(xiàn)[10－11]提出了優(yōu)先設(shè)置CW的方法，但其它參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響沒(méi)有討論。本文根據(jù)數(shù)據(jù)分類自適應(yīng)配置CSMA/CA參數(shù);同時(shí)引入了ACK應(yīng)答和重傳。

表2 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)特點(diǎn)分類

(1)在應(yīng)用層中為各類數(shù)據(jù)添加標(biāo)志位，該數(shù)據(jù)到達(dá)MAC層時(shí)可解析，由于不同類數(shù)據(jù)基本只由一類節(jié)點(diǎn)發(fā)送，所以實(shí)際上可以按網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分類處理。

(2)關(guān)于CW 參考文獻(xiàn)[10－12]，CW是目前基于CSMA/CA的網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化研究中最受重視的參數(shù)，在IEEE802.15.4中并沒(méi)有明確的指出最大值，但Ndih等人已驗(yàn)證CW在1～3范圍內(nèi)取值可以達(dá)到令人比較滿意的網(wǎng)絡(luò)性能。本文采用RMTMN作為仿真環(huán)境，節(jié)點(diǎn)仿真結(jié)果如圖4，能耗圖縱軸為能量(kJ)，時(shí)延圖縱軸表示退避時(shí)隙的個(gè)數(shù)(slot)，吞吐量圖縱軸為數(shù)據(jù)流量(比特/s)。對(duì)比圖3～圖5可見(jiàn)CW對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響較大;且CW=1時(shí)，各項(xiàng)性能均為最優(yōu);CW=3，意味著要連續(xù)3次CCA均為空閑才能接入信道，這個(gè)條件比較嚴(yán)苛，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)在退避、偵聽(tīng)環(huán)節(jié)大量耗能，同時(shí)退避的延長(zhǎng)會(huì)使實(shí)時(shí)性和吞吐量大幅下降。

圖3 CW參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響

(3)關(guān)于NB NB本身并不影響網(wǎng)絡(luò)性能，但maxNB決定了允許CCA忙的最大次數(shù)，CCA忙的次數(shù)若超過(guò)maxNB，則認(rèn)定此次通信失敗，本文系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)此時(shí)會(huì)退出通信過(guò)程并休眠等待下一超幀以節(jié)省能量。過(guò)高的maxNB會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)即使在CCA忙不能接入信道的情況下也會(huì)長(zhǎng)時(shí)間的退避偵聽(tīng)而導(dǎo)致能耗和時(shí)延性能的下降;低maxNB雖節(jié)省能耗，但必然會(huì)由于節(jié)點(diǎn)總是在CCA忙后過(guò)早進(jìn)入休眠等待而導(dǎo)致吞吐量性能下降。在能耗、時(shí)延和吞吐量中，若配置maxNB優(yōu)化某些性能必將犧牲其它性能，如圖4，故應(yīng)考慮實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量和能耗各方面需求的優(yōu)先級(jí)。通常情況下3或4兼顧所有網(wǎng)絡(luò)性能。

圖4 maxNB參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響

(4)關(guān)于BE BE和碰撞有密切的關(guān)系，BE初值可設(shè)置，初值過(guò)小則降低退避時(shí)長(zhǎng)不能避免碰撞。本文嘗試在CW和maxNB相同的情況下，在2～5范圍內(nèi)取BE初值，同時(shí)增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量以提高數(shù)據(jù)包碰撞的概率，觀察BE初值和網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)系。仿真發(fā)現(xiàn)該值和能耗并無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，尤其節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，小BE初值反而會(huì)引起能耗的上升如圖5。這是由于退避過(guò)程縮短導(dǎo)致碰撞現(xiàn)象加劇而增加能耗和時(shí)延，而大BE初值又會(huì)退避過(guò)長(zhǎng)而能耗加重且實(shí)時(shí)性下降。BE在吞吐量的差別并不明顯。由圖5，BE=3或4是一個(gè)較好的區(qū)間且各項(xiàng)性能參數(shù)差別不大。綜合考慮，BE設(shè)置應(yīng)在降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)減少碰撞以保證較高的吞吐量性能。

圖5 BE參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響

(5)綜上所述，1類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高，應(yīng)盡量減少時(shí)延，同時(shí)BN的RF模塊收發(fā)頻繁，計(jì)算強(qiáng)度大易耗能，若令CW=1且maxNB=3，可以在降低能耗、減少時(shí)延方面起到重要作用。但maxNB=3會(huì)一定程度地降低吞吐量，而1類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，尤其是上位機(jī)顯示刷新率較高的時(shí)候，因此折中考慮吞吐量需求令maxNB=4。CW=1在BN節(jié)點(diǎn)較多的時(shí)候(盡管這種情況并不多見(jiàn)，因機(jī)坪車(chē)輛不允許過(guò)多)會(huì)增加碰撞幾率而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，因此BE應(yīng)選取較大初值增加退避時(shí)間給以一定補(bǔ)償，故令BE初值=4。同時(shí)考慮到1類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)重要性高，應(yīng)減少丟包率，故采用了ACK應(yīng)答和重傳機(jī)制，但重傳次數(shù)太多必將增加延時(shí)和能耗導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，而可以傳遞1類數(shù)據(jù)的BN(機(jī)坪車(chē)輛)并不多，故令重傳次數(shù)r=2。

(6)2/3類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性需求不高，數(shù)據(jù)量較1類少，應(yīng)避免同1類爭(zhēng)奪信道以減少1類重傳次數(shù);同時(shí)由于BN可以從多個(gè)RN獲取數(shù)據(jù)用于定位，沒(méi)有必要保證所有RN都可以接入信道，故2/3類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)能耗需求優(yōu)先于吞吐量需求，因此考慮增大CW而適當(dāng)減小maxNB，令CW=2且maxNB=3，甚至3類可以令maxNB=2以減少能耗，這是因?yàn)?類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量極少且不輕易變動(dòng)，對(duì)吞吐量和時(shí)延的要求極低。BE初值為3，實(shí)際上BE取3和4差別并不明顯只是在時(shí)延上稍加改善，如圖5。同時(shí)，因?yàn)镃W增大會(huì)大幅減少碰撞概率[7]，且2/3類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和重要程度不高，故不使用ACK應(yīng)答和重傳以進(jìn)一步節(jié)省能耗。

3.3 RMTMN-EOA的數(shù)學(xué)模型

針對(duì)上述算法并參考文獻(xiàn)[10，12－13]，可建立對(duì)應(yīng)的Markov模型。其中{ST，LV，CW}表示模型的任一隨機(jī)狀態(tài)，ST為不同隨機(jī)狀態(tài)，ST∈{TX，IDL，CCA，BO，RT}(分別表示傳輸、待機(jī)、信道評(píng)估、退避等待和重傳);LV為退避級(jí)數(shù)，LV=[1，macMaxCSMACABackoff];CW 為需要的CCA 次數(shù)，CW∈{1，2}。

1類數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的Markov模型如圖6，有以下關(guān)系。

圖6 第1類數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)Markov模型

(1)上層數(shù)據(jù)到來(lái)進(jìn)入退避的概率，

(2)沒(méi)有數(shù)據(jù)需要傳送的概率，

(3)根據(jù) IEEE802.15.4 協(xié)議，

(4)設(shè)CCA結(jié)果為忙的概率為α，故CCA結(jié)果忙從而進(jìn)入退避的概率，

(5)CCA結(jié)果為閑，數(shù)據(jù)開(kāi)始傳遞的概率，

(6)發(fā)送數(shù)據(jù)成功的概率，

(7)發(fā)生碰撞，進(jìn)行重傳的概率，

(8)從退避狀態(tài)開(kāi)始進(jìn)行CCA的概率，

(9)退避結(jié)束后，超幀剩余時(shí)隙不足導(dǎo)致要待機(jī)到下一超幀的概率，

(10)數(shù)據(jù)到來(lái)概率為a，設(shè)Nq是數(shù)據(jù)包長(zhǎng)，數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間系數(shù)(泊松指數(shù))為λq，則，

并且由于1類數(shù)據(jù)使用ACK，所以，

tCCA為CCA時(shí)間;tfr為數(shù)據(jù)幀所用時(shí)間;tcap為超幀內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段的時(shí)間;tack指等待ACK幀和ACK幀本身時(shí)間和，以上均以時(shí)隙(slot)為單位。

根據(jù)上述關(guān)系可建立以下模型。

(11)節(jié)點(diǎn)處于任一退避狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率，

進(jìn)而遞推可得

(12)考慮重傳因素，數(shù)據(jù)剛開(kāi)始進(jìn)行退避的穩(wěn)態(tài)概率為，

(13)設(shè)節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行CCA的概率為τ，考慮重傳

利用上式討論信道，若M個(gè)節(jié)點(diǎn)中M－1個(gè)未進(jìn)行CCA，其概率為，

M－1節(jié)點(diǎn)中至少有1個(gè)進(jìn)行CCA，并開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)，其概率為，

若數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則，

同時(shí)，可知重傳發(fā)生的概率為，

(14)參照文獻(xiàn)[13]，吞吐量可以定義為

TA是CAP時(shí)段時(shí)隙數(shù)目，TI是免競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段CFP的時(shí)隙數(shù)目，本文TI為0。

(15)參照文獻(xiàn)[13]，近似能量模型:

能量模型近似為線性關(guān)系，與OPNET14.5能量統(tǒng)計(jì)模型[14]基本相同，只是由于節(jié)點(diǎn)工作時(shí)存在空閑時(shí)間，會(huì)影響到上述Markov模型的d參數(shù)和其相關(guān)參數(shù)，因此能量曲線為近似線性的階梯型曲線。

2/3類數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的Markov模型如圖7，由于沒(méi)有使用ACK，且進(jìn)行2次CCA，則

同1類模型的推導(dǎo)方法，沒(méi)有考慮重傳，且參考文獻(xiàn)[13，15]，有如下關(guān)系。

圖7 第2/3類數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)Markov模型

(16)設(shè)β是第2次CCA結(jié)果忙的概率，α和β可近似為，

4 算法仿真

4.1 仿真場(chǎng)景和模型設(shè)計(jì)

以一個(gè)停機(jī)位子網(wǎng)為對(duì)象建立三層仿真模型，按現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定為360 m×360 m，RN間距40 m，安裝高度7 m ～9 m，由于現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛數(shù)受限，BN 不能過(guò)多[2－3]。圖8為網(wǎng)絡(luò)模型，其中協(xié)調(diào)器為網(wǎng)關(guān)(不做仿真統(tǒng)計(jì)，圖中未標(biāo)出)，終端為RN，路由器為車(chē)載BN。

圖8 OPNET網(wǎng)絡(luò)模型

節(jié)點(diǎn)建模如圖9，本文討論的MAC協(xié)議封裝在IEEE802.15.4模塊。TX和 RX模塊是符合IEEE802.15.4物理層規(guī)范的無(wú)線收發(fā)機(jī)，PA等參數(shù)按照CC2430/1的實(shí)際參數(shù)設(shè)定[9]，因重傳因素設(shè)置了信道碰撞的統(tǒng)計(jì)線。Loc_data_command模塊模擬上層網(wǎng)絡(luò)的各種數(shù)據(jù)和命令，可通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)到達(dá)間隔模擬網(wǎng)絡(luò)流量。Init_Processor模塊使用sink結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以緩存數(shù)據(jù)或銷(xiāo)毀數(shù)據(jù)以節(jié)省內(nèi)存，同時(shí)它也是區(qū)分不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的功能模塊。同時(shí)各節(jié)點(diǎn)均設(shè)置了電能監(jiān)視模塊Energy_master，通過(guò)OPNET提供的遠(yuǎn)程中斷和ICI(接口控制信息)機(jī)制[14]仿真節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)能耗情況。

圖9 OPNET節(jié)點(diǎn)模型

進(jìn)程模型如圖10，該模型的基本流程如圖11。

圖10 OPNET進(jìn)程模型

圖11 OPNET仿真代碼流程圖

INI狀態(tài)下進(jìn)行MAC參數(shù)初始化;SYCN狀態(tài)下區(qū)分各節(jié)點(diǎn)的IEEE802.15.4規(guī)范，涉及信標(biāo)幀的處理;CLA狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)分類、重傳數(shù)據(jù)鑒別和重傳失敗報(bào)告;IDL狀態(tài)為待機(jī)狀態(tài)，等待定時(shí)中斷或外部事件中斷開(kāi)始CCA、數(shù)據(jù)待傳送等，同時(shí)具備失敗報(bào)告上層功能;BO、BO_wINT和CCA三個(gè)狀態(tài)按數(shù)據(jù)分類設(shè)置參數(shù)，執(zhí)行CSMA/CA算法，其中BO_wINT狀態(tài)考慮了CAP不足導(dǎo)致CCA延時(shí)的情況，單獨(dú)設(shè)置了事件觸發(fā)功能;重傳數(shù)據(jù)將會(huì)ReTX狀態(tài)處理。

4.2 仿真結(jié)果和分析

仿真并對(duì)比3種情況:IEEE802.15.4(曲線A);CW=1、max_NB=3、BE=3但仍然無(wú)差別服務(wù)(曲線B);差別服務(wù)算法(曲線EOA)，如圖12。

圖12 OPNET仿真結(jié)果

由圖12可見(jiàn)，EOA在3種網(wǎng)絡(luò)性能方面的表現(xiàn)均強(qiáng)于A和B。分析原因如下:

(1)曲線A由于無(wú)差別服務(wù)導(dǎo)致無(wú)法正確的配置信道資源和電能，節(jié)點(diǎn)能量浪費(fèi)在偵聽(tīng)、退避以及節(jié)點(diǎn)間的信道爭(zhēng)奪而導(dǎo)致的重傳等方面，導(dǎo)致了吞吐量下降和時(shí)延變長(zhǎng)，表現(xiàn)在定位精度差和刷新慢，按原算法BN此時(shí)會(huì)啟動(dòng)重傳以及更加頻繁的搜集附近RN的RSSI進(jìn)行計(jì)算以滿足實(shí)時(shí)性要求，使節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)加重而加快電能損失從而進(jìn)入惡性循環(huán)，網(wǎng)絡(luò)性能變差。

(2)曲線B參照?qǐng)D3～圖5最優(yōu)調(diào)整了CSMA/CA參數(shù)，令CW=1、maxNB=3且 BE=3，但仍采取無(wú)差別服務(wù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)B與A相比在提高能耗和延時(shí)性能的同時(shí)犧牲了吞吐量性能，與EOA相比仍非最優(yōu)。這是由于即便優(yōu)化了CW等各項(xiàng)參數(shù)，無(wú)差別服務(wù)無(wú)法解決節(jié)點(diǎn)信道爭(zhēng)奪問(wèn)題，同(1)所述，能耗下降會(huì)引發(fā)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能下降的惡性循環(huán)而進(jìn)一步加快能耗下降，因此A、B和EOA的能耗曲線會(huì)隨時(shí)間的增加而明顯區(qū)別加大。

(3)EOA的特點(diǎn)在于其針對(duì)不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)引入了差別服務(wù)，優(yōu)化能耗且兼顧其它性能。1類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和重要程度均高且數(shù)據(jù)量大，因此優(yōu)先為其配置信道且減少退避，從而降低碰撞概率以優(yōu)化性能。重傳的引入使EOA的吞吐量得以增長(zhǎng)，但是這必將損失能耗，通過(guò)限制重傳次數(shù)以犧牲實(shí)時(shí)性來(lái)補(bǔ)償能耗的損失而達(dá)到性能間的平衡，因此EOA能耗對(duì)比A和B仍是降低的。由于BN可從不同RN獲取RSSI進(jìn)行定位，故2類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求低，不必第一時(shí)間接入信道，也不必碰撞后重傳，因此對(duì)其配置考慮在確保1類數(shù)據(jù)優(yōu)先訪問(wèn)信道的前提下(CW=2)，通過(guò)配置maxNB和BE值以減少能耗以及保證吞吐量。3類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為網(wǎng)絡(luò)配置信息，設(shè)置后基本不變動(dòng)，因此實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)量都極低，為此類數(shù)據(jù)配置了接入信道優(yōu)先級(jí)最低、退避時(shí)間長(zhǎng)的CSMA/CA參數(shù)，保證1、2類數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先訪問(wèn)信道不發(fā)生碰撞，而其自身數(shù)據(jù)量小，故不會(huì)造成因長(zhǎng)時(shí)間偵聽(tīng)、退避導(dǎo)致的能耗高現(xiàn)象。

5 結(jié)論

針對(duì)“機(jī)坪動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)”現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的問(wèn)題，提出了基于CSMA/CA的優(yōu)化方法。主要思想是，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不同特點(diǎn)建立了有差別服務(wù)MAC模型;通過(guò)減少信道競(jìng)爭(zhēng)和合理安排退避待機(jī)時(shí)間的方法降低能耗;同時(shí)考慮了重傳和ACK對(duì)能耗的影響并作相應(yīng)處理。仿真結(jié)果驗(yàn)證，該算法有效地降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，同時(shí)優(yōu)化了吞吐量、時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能。算法可以應(yīng)用于與本文相同或類似的Zigbee定位網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)合，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層設(shè)計(jì)有較大參考價(jià)值。但是除節(jié)點(diǎn)能耗外，RSSI定位方式受電磁波反射及再反射等影響較大，會(huì)造成信號(hào)衰減而定位效果變差，本文沒(méi)有討論是今后的研究方向。

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