GTS機制在實時無線傳感器網絡中的研究

吳克啟，王 慧，陳新來

（海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠233012）

IEEE802.15.4是針對低速無線個人區域網絡（LR-WPAN）制定的通用標準，這個標準定義了物理層和介質訪問層[1]。

為了支持無線傳感器網絡的實時性應用，IEEE802.15.4標準為之提供了一種時隙保障分配（GTS）機制，數據包得以正確和快速地傳輸。使用GTS機制需要設備間的時間同步，而IEEE802.15.4中的時間同步是通過一種叫做“超幀”的機制實現的，超幀結構由網絡協調器來定義。

由圖1可以看出，超幀是由活動(Active)部分和可選的非活動(Inactive)部分組成的。超幀的活動部分(Active)被分為16個等長的時隙，信標幀在每個超幀的第一個時隙傳輸，剩下的15個時隙可進一步分為兩部分——競爭接入期(CAP)和非競爭期(CFP)。CAP期間的信道接入使用的是CSMA/CA機制[2]來競爭信道使用機會。而在CFP期間，最多可以分配7個GTS。一個GTS可以占用多個時隙，每個GTS中的時隙都指定分配給了申請到該GTS的設備。因此，數據的傳輸不使用競爭機制，節點可以在該GTS包含時隙內直接進行數據的傳輸。以網絡信標作為每個超幀的邊界。超幀長度SD與超幀序號SO的關系為：

信標間隙BI與信標序號BO的關系為：

其中，aBaseSuperframeDuration=60 symbols×16=960 symbols，BO和SO的值由協調器給定，且應滿足0≤SO≤BO≤14。

1 IEEE802.15.4協議的GTS管理

IEEE802.15.4網絡根據應用的需要，可以組成星型或點對點的網絡拓撲結構[3]。本文重點研究星型拓撲結構，如圖 2所示，并以此網絡結構為依托介紹GTS在網絡中的傳輸機制。在星型結構中，所有設備都與中心設備——PAN網絡協調器通信。

1.1 GTS分配機制

設備節點要使用GTS進行數據傳輸，必須向網絡中的PAN協調器進行申請，發送GTS分配請求命令，如圖3所示。GTS請求命令幀的GTS特性域的特性類型子域設置為 1(表示 GTS分配)，根據所需的 GTS特性設置GTS時隙長度和方向，如圖4所示。

PAN協調器接收到GTS請求命令幀后，將發送確認幀，對接收進行確認。然后，PAN協調器根據CAP中所剩余的長度和請求GTS長度，如圖5所示，檢查在當前超幀中是否有足夠的容量。如果沒有達到保護時隙的最大數目(在一個超幀中最多分配7個GTS)，并且所需分配長度的GTS不會將CAP的長度減少到小于aMin-CAPLength(IEEE 802.15.4規定其值為 440 symbols[4])，此時，只要PAN協調器能有效地提供足夠的帶寬，就會根據“先來先服務(FCFS)”的原則分配GTS保護時隙。PAN協調器會在信標幀中的GTS域說明GTS分配情況。設備節點在4個信標周期內，對接收到的信標幀的GTS域進行分析，判斷是否被分配了GTS保護時隙。

圖5 GTS描述符

1.2 GTS數據傳輸方式

數據以GTS方式進行傳輸，MAC層將判斷是否存在一個有效的保護時隙。如果設備是PAN協調器，那么MAC層將判斷協調器是否存在數據目標設備的接收保護時隙；如果不是PAN協調器，那么該設備MAC層將判斷是否被分配了發送保護時隙。如果存在有效的保護時隙，MAC層將根據實際情況產生一個延遲，直到該設備的有效接收保護到來。并在保護時隙內，將數據發送到所指定的目標設備。這時，MAC層將以非CSMA/CA方式傳輸數據，整個傳輸和應答過程（如需要確認幀）應在該保護時隙內完成。

2 OPNET仿真模型構建

OPNET Modeler利用三層建模機制，分別在進程層、節點層和網絡層進行“由下到上”的建模。同時在仿真過程中采用了離散事件驅動的模擬機理，能夠準確地分析復雜網絡的性能和行為。

2.1 OPNET仿真場景設置

為了研究方便，本次實驗中，采用一種基于星型結構的IEEE802.15.4網絡，由一個PAN協調器和一個關聯設備構成[5]。因為不存在媒體訪問競爭，所以這樣的網絡結構足夠反映GTS機制的性能機制，增加額外的設備也不會對仿真結果產生什么影響，GTS所需參數設置如表1所示。此外，在每個超幀結構中只分配一個GTS，并且GTS僅占據一個時隙。同時設置占空比為100%，即SO=BO[6]。

表1 GTS參數設置

2.2 實驗數據

情況1：根據表1所示的參數列表設置參數屬性值，傳輸數據包(Frame Size)為40 bits，緩沖容量(Buffer Capacity)為4 kbits。將數據包進入FIFO緩沖區時的速度（Arrival Data Rate）分別設置為 5 kb/s、10 kb/s、20 kb/s、40 kb/s、80 kb/s和 100 kb/s。 得到 Delay Bound[7]隨 Superframe Order變化的情況，如圖6所示。

情況2：設置參數屬性值，數據包大小為40 bits，數據進入緩沖區時的速度設置為10 kb/s。緩沖區容量(Buffer Capacity)分別設置為 0.5 kbits、1 kbits、2 kbits、4 kbits、7 kbits、10 kbits，得到了 Delay Bound隨 SO的變化情況，如圖 7所示。

2.3 結果分析

結果表明，當無線傳感網網絡的應用具有較低的數據傳輸速率(Data Rate＜10 kb/s)、較小的 FIFO緩沖區空間(Buffer Capacity＜1 kbits)，SO=0 時，系統具有最小的延遲特性，即達到最佳實時性；當應用在較高數據傳輸速率情況(Data Rate≥10 kb/s)、較大的緩沖區空間(Buffer Capacity≥1 kbits)時，SO=2能夠讓系統保持最佳實時性。

在信標使能模式下，使用GTS機制可以實現系統的實時性要求。為了獲得最佳的實時性，分別探討了在不同數據傳輸速率、不同緩沖容量兩種情況下的網絡延時情況，實驗結果表明通過IEEE802.15.4 GTS機制下參數的合理設置，可以得到無線傳感器網絡的最佳實時性能,為實時性的應用提供了可行的參考。除了通過GTS本身參數的設置獲得最佳實時性，下一步工作應考慮通過GTS機制本身的改進去提高系統實時性。

[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)[A].IEEE SA Standards Board，2003.

[2]KOUBAA A，ALVES M，TOVAR E.A comprehensive simulation study of slotted CSMA/CA for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks[C].Workshop on Factory Communication Systems(WFCS′06)，2006.

[3]ZHENG J，LEE M J.A comprehensive performance study of IEEE 802.15.4[J].Sensor Network Operations，IEEE Press，Wiley Inter Science，2006(4)：218-237.

[4]MILIC J，SHAFI S，MILIC V B.The impact of MAC parameters on the performance of 802.15.4 PAN[J].Elsevier Ad hoc Networks Journal，2005，3(5)：509-528.

[5]KOUBAA A，ALVES M，TOVAR E.i-GAME：an implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4[C].Euromicro Conference on Real-Time Systems(ECRTS′06)，2006.

[6]KOUBAA A，ALVES M，TOVAR E.IEEE 802.15.4：a federating communication protocol for time-sensitive wireless sensor networks[C].Sensor Networks and Configurations：Fundamentals，Techniques，Platforms，and Experiments，2007.

[7]MISIC J，MISIC V B.Access delay for nodes with finite buffers in IEEE 802.15.4 beacon-enabled PAN with uplink transmissions[J].Computer Communications，2005(28)：1152-1166.