IEEE802．15．4時隙CSMA/CA算法性能研究

姜智文，周 熙，佘 陽，黃 磊，李廣位

(重慶通信學院，重慶400035)

0 引言

隨著無線通信、微電子技術和傳感器技術的發展，涉及多學科高度交叉的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)［1－2］研究領域正備受關注。IEEE802．15．4標準［3］被認為是目前最適合無線傳感器網絡的物理層和MAC層的無線通信協議。

近來，研究者針對IEEE802．15．4時隙CSMA/CA算法，運用離散時間馬爾科夫鏈模型［4－6］，提出了時隙CSMA/CA的分析模型，但未考慮Beacon Order(BO)、Superframe Order(SO)值的影響。文獻［7］提出了一種在飽和情況下一種新的CSMA/CA的馬爾科夫鏈模型用來計算吞吐量和能耗。文獻［8］中，Koubaa等人通過為2種幀類型設置CSMA/CA參數，仿真并比較了先進先出隊列和優先級隊列之間的差異。文獻［9］研究了 IEEE802．15．4MAC 屬性的值(BO=SO，即100%的占空比)對吞吐量，時延和成功率的影響，未對其他的取值進行研究。

在網絡傳輸業務動態發生變化時，IEEE802．15．4標準中采用的靜態法案設置活躍期和非活躍期持續時間的辦法將不能滿足網絡業務的要求，需要采取不同的工作周期以到達改善網絡性能的目的，因此，分析工作周期等對網絡性能的影響尤為重要。

1 IEEE802．15．4 標準

IEEE802．15．4 標準把低能耗、低速率傳輸、低成本作為重點設計目標，旨在為短距離不同設備之間低速率無線互連提供統一標準。在IEEE802．15．4網絡中，存在2種功能設備:全功能設備(FFD)和部分功能設備(RFD)。FFD可作為網絡的PAN協調點，協調器和設備，而RFD功能相對簡單，只與FFD通信，不需傳輸大量的數據。根據網絡應用要求，IEEE802．15．4網絡中定義了2種拓撲結構:星型拓撲結構和點對點拓撲結構。

IEEE802．15．4標準定義了物理層(Physical Layer)和媒體接入控制(Medium Access Control，MAC)層。物理層中，定義了網絡的物理信道、調制方式、擴頻方式等，其功能是激活和關閉無線發送器、能量檢測、鏈路質量指示、選擇信道空閑信道評估以及物理信道發送和接受數據幀。該標準規定了3 種 頻 率 帶 寬 868 MHz，915 MHz 和2．4 GHz。2．4 GHz頻段是全球通用，所以本文所考慮的物理層頻率帶寬設置為2．4 GHz，傳輸數率為250 kbps。

MAC層是主要是用來規范信道訪問的方式，解決物理節點以何種規則共享媒體并取得滿意的網絡性能問題。IEEE802．15．4標準的MAC協議支持信標時能(Beacon Mode)和非信標使能(non-Beacon Mode)。在信標使能模式下，提供了2種信道訪問方式:基于競爭的時隙CSMA/CA協議和確保傳輸時隙的GTS機制。時隙CSMA/CA采用載波偵聽多址接入/碰撞避免方式，適用于業務傳輸實時性要求較低的應用場合。

2 超幀結構

在IEEE802．15．4的MAC協議中，引入了超幀結構(Superframe Structure)的概念，如圖1所示。超幀以網絡協調器(PAN Coordinator)發出的信標(圖中第一個時隙)為開始，由活躍期和非活躍期2個部分組成。在活躍期，PAN中的設備進行通信，完成數據傳輸。在非活躍期，PAN中的設備停止通信，進入休眠狀態以達到節省能量的目的。

圖1 超幀結構

超幀的結構由1個參數確定，信標參數 BO(Beacon Order)和超幀參數SO(Superframe Order)，BO決定超幀的長度，SO決定一幀中活躍期的長度，BO和SO滿足0≤SO≤BO≤14。超幀長度BI和超幀活躍期長度SD由以下公式確定:

超幀的工作周期(Duty Cycle，DC)也可稱為占空比定義為:DC=SD/BI。顯然，由式(1)和式(2)可知，占空比與SO和BO的取值相關。

超幀的活躍期劃分為3個時段:信標發送時段、競爭訪問CAP時段(Contention Access Period)和非競爭訪問CFP時段(Contention Free Period)。活躍期被劃分為16個等長的時隙，在超幀的CAP時段，節點采用時隙CSMA/CA機制接入信道。在CFP時段，PAN協調器以先進先服務(FCFS)的方式分配各節點預約的保障時隙GTS。保障時隙用于保障業務數據的實時傳輸，每個超幀最多支持7個保障時隙。

3 IEEE802．15．4 時隙 CSMA/CA 算法

關注重點放在了IEEE802．15．4MAC協議時隙CSMA/CA算法上，主要是因為相對于非時隙的CSMA/CA算法而言，時隙CSMA/CA算法使用信標來實現同步服務，這不同于以往所知一些CSMA/CA算法(例如 IEEE802．11中)。

IEEE802．15．4MAC 層采用 CSMA/CA(Carrier Sensor Multiple With Collision Avoidance)信道訪問機制競爭信道使用權，該算法也是ZigBee的關鍵技術之一。時隙CSMA/CA算法主要應用在超幀的CAP時段，除非該幀是緊跟在一個數據請求命令的確認幀之后(此時這個數據幀可以在發送完確認幀之后立即發送)，要么各個節點在發送數據之前均應用CSMA/CA算法競爭訪問信道。在信標使能網絡中MAC層采用的是時隙CSMA/CA算法，而在非信標使能網絡中采用無時隙的CSMA/CA算法，研究是基于時隙CSMA/CA算法的基礎上開展的。

為實現該算法，需要維護3個變量:NB、CW和BE。

①NB是在執行當前發送任務時，時隙CSMA/CA算法需要進行退避的次數，在開始新的算法過程時初始化為0，當信道為忙時，NB的值會自動加1，最大值為4;

②CW是競爭窗口長度，是開始傳送信息之前連續監測到信道空閑的次數，每次算法開始時被初始化為2，并且每次信道監聽評定為忙時重置為2;

③BE是退避指數，它與設備在使用信道進行信息發送之前需要等待的退避周期有關，是一個在(0，2BE－1)之間的隨機數，信標使能網絡中該值被初始化為2和macMinBE中較小的一個，BE的最大值定義為5，這是為了避免退避時間過長而影響整個網絡的性能。

4 仿真方案設計

OPNET Modeler作為當前業界著名的仿真軟件，以其無與倫比的靈活性應用于設計和研究通信網絡、設備、協議和應用。OPNET作為事件驅動的網絡仿真軟件，能最佳地模擬網絡協議。本文基于P．Jurcik，A．Koubaa 開發的 IEEE802．15．4OPNET Simulation Model Version2．1開展計算機仿真研究。目前，該模型僅支持星形拓撲結構，因此，只能滿足終端節點和協調點之間的單跳通信。

IEEE802．15．4的 OPNET仿真模型如圖 2所示。該模型由4部分組成:物理層(Physical layer)、MAC層、應用層(Application Layer)和電源模塊(Battery Module)。MAC層定義了CSMA/CA算法和GTS機制，本文重點關注的是時隙CSMA/CA算法，使用OPNET默認的無線模塊來仿照無線信道物理層。

圖2 IEEE802．15．4的 OPNET 仿真模型

仿真場景均采用理想的物理層，調制方式為O-QPSK。每個仿真場景中都采用星型拓撲結構，有一個PAN協調點和若干設備節點。仿真參數設置如表1所示。

表1 仿真環境設置

5 仿真結果及分析

通過改變網絡中的參數值，設置了不同的網絡場景，研究了網絡節點個數、占空比對網絡介質接入時延、吞吐量以及能耗之間的影響。

分別選取節點個數為4、20、50和100場景作為比較對象，每組均有相同的節點數目以及不同的占空比，研究不同的占空比對介質接入時延的影響，仿真結果表明，隨著占空比的降低，網絡的介質接入時延不斷增加，節點個數為20、50和100時，仿真結果也如此。

分別選取具有相同的占空比和不同的節點數目的仿真場景，研究在相同的占空比情況下，節點數目對介質接入時延的影響，結果表明當占空比相同的情況下，節點個數越多，網絡的介質接入時延就越大，在占空比取其他固定值時也是類似的結果。

選取節點個數為50的仿真環境，研究不同的占空比條件下介質接入時延與吞吐量之間的關系，如圖3所示。

圖3 不同占空比下介質接入時延與吞吐量之間關系

仿真結果表明，節點個數為50的情況下，隨著占空比的不斷減小，介質接入時延會增加，網絡的吞吐量會下降，這主要是因為超幀占空比的減小導致了超幀的活躍期時間變短，使得網絡更多時間處在了非活躍期，處理數據的時間短了，介質接入時延和吞吐量也就降低了。因此，在實際的應用中，需要的是盡可能小的介質接入時延和盡可能大的吞吐量。

在固定占空比下，不同節點個數條件下介質接入時延與吞吐量之間的關系，選取SO=1和BO=2的固定工作周期，分別選取了節點個數為4、20、50和100為研究對象，實驗結果如圖4所示，結果表明，節點個數越多，介質接入時延就越大，網絡吞吐量越大。節點個數為50的情況下，隨著占空比的變化，介質接入時延與網絡能耗之間的關系如圖5所示。由分析結果可知，隨著占空比的減小，介質接入時延就增大，網絡的能耗會降低，可見這是一對相互矛盾的對象，實際應用中，既希望降低網絡的介質接入時延，又要求盡可能降低網絡的能耗，因此，要針對不同環境和應用特點區別對待，以達到二者之間的相互權衡，從而提高整個網絡性能。

固定占空比(BO=4、SO=1)條件下，不同節點個數下，介質接入時延與網絡能耗之間的關系如圖6所示。

節點個數越多，介質接入時延就越大，當節點個數在50以下時，隨著介質接入時延的增大，網絡能耗始終保持在一個穩定的水平，這主要是因為在網絡節點個數較少的情況下，網絡負載較小，網絡的處理能力能夠輕松應對，所以整個網絡的能耗也相對平穩。當節點個數為100時，網絡負載的增大使得網絡的處理能力吃緊，較大的介質接入時延也伴隨著較大的能量消耗，這是不希望看到的。因此，對于擁有大量節點的無線傳感器網絡來說，實現在大量節點工作的環境下，介質接入時之間的相互權衡是很重要的。

圖4 不同節點個數的介質接入時延與吞吐量之間關系

圖5 不同占空比下的介質接入時延與能耗關系

圖6 不同節點個數介質接入時延與能耗的關系

6 結束語

簡單介紹了 IEEE802．15．4標準，重點介紹了在信標使能模式下采用的時隙CSMA/CA算法。基于OPNET仿真平臺，設計了不同網絡環境下的仿真實驗，研究了節點個數、占空比等幾個重要參數對介質接入時延、吞吐量以及能耗的影響，為今后的分析研究提供了一定的理論基礎。仿真結果表明，節點個數以及占空比對介質接入時延有著密切的關系。相同節點個數情況下，占空比越小，介質接入時延越大，并且隨著占空比減小，介質接入時延增大，網絡吞吐量及能耗也均降低;相同占空比情況下，節點個數增多，介質接入時延也呈增大的趨勢，并且隨著節點個數的增多，介質接入時延增加，網絡吞吐量會變大，網絡的能耗在節點個數少于50時基本保持不變，節點個數為100時會有明顯的增加。在實際應用中，應該依據具體的網絡環境和網絡特點合理地選擇節點個數和占空比的大小，以求達到充分利用網絡資源，提高網絡性能的目的。

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