ZigBee 在身體傳感器網絡中的適應性評估

高 蕾，曹建忠，黃近秋

(惠州學院a.計算機科學系;b.電子科學系，廣東 惠州 516007)

1 概述

無線通信、微電子和信號處理技術的發展使身體傳感器網絡(Body Sensor Network，BSN)也迅速發展。BSN 由可佩戴或可植入的傳感器設備和無線網絡，把從用戶的身體所收集的數據傳送到遠程站點［1］。BSN 可以用來監測各種生理參數和信號，如溫度、心率、血壓、血氧飽和度、身體姿態、腦電圖(EEG)、心電圖(ECG)和肌電圖(EMG)［2］。

BSN 的監測，給患者的長期診斷和治療帶來顯著好處，并且盡少地約束患者日常活動。它允許患者自由的移動，在醫院的內外都可以提供連續的監測，這對于需要長時間監測的患者特別有用。許多心臟疾病都伴隨陣發性異常，如血壓或心律不齊的瞬態浪涌，這是使用常規的監控設備監測不到的［3］。BSN 可以提供早期檢測和預防此類的病癥，避免后期昂貴的治療［4］。

IEEE 802.15.4 和ZigBee 是在基于產生式事件和低數據率通信的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)中廣泛被采用的標準，目前，也是BSN 最廣泛被使用的標準［5］。然而與無線傳感器網絡不同的是，BSN 通常產生周期性的、頻繁的數據密集型流量(如心電圖、腦電圖和身體姿態數據)。因此，需要對這些標準是否適合BSN 傳感器產生的數據流量進行評估。目前，已有研究者針對不同的應用場景對IEEE 802.15.4 和ZigBee 協議性能進行評估，并給出了評估結果。然而，大多數評估結果是基于分析模型［6］或仿真［7-8］的。本文從另一方面，通過對多個BSN 的應用場景進行實驗測試，對ZigBee 和IEEE802.15.4 進行性能評估。本文給出的評估方法，考慮到了網絡具體實施中的多種變量，能更加深入地探究和評估系統的性能，而這些變量在其他的理論模型中常常被忽略，如網絡節點處理的負載等。

文獻［9］介紹了一個基于ZigBee 多跳的BSN 系統，在醫院環境中使用佩戴的MICAz motes，病人與血壓、心率監測儀相連，使用3 個病人的實驗測試結果沒有數據丟失。文獻［10］介紹了一種基于多跳的802.15.4 的BSN 系統，測量急診病人的心率和血液中的氧含量。該系統采用Telos motes 和TinyOS 提供的集合樹協議(CTP)把測量值轉發到網關，測得的傳輸率(Delivery Ratio，DR)在99.9%以上。上述2 個系統中只使用了產生低數據速率流量的傳感器，本文使用數據密集型流量的傳感器，同時時鐘漂移和隱藏節點效應也被建模和評估。在服務質量(Quality of Service，QoS)中的2 個相關指標是:傳輸率和端到端延時。

2 IEEE802.15.4 標準和ZigBee 協議

2.1 IEEE802.15.4 標準

IEEE 802.15.4 標準是針對低速無線個人區域網絡(LR-WPAN)制定的標準，該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，為個人或者家庭范圍內不同設備之間的低速互連提供統一標準［11］。在868/915M、2.4GHz 的ISM 頻段上，數據傳輸率最高可達250 Kb/s。其低功耗、低成本的優點使它在很多領域獲得了廣泛的應用。IEEE 802.15.4 標準只定義了PHY 層和數據鏈路層的MAC子層。PHY 層由射頻收發器以及底層的控制模塊構成。MAC 子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。IEEE 802.15.4 標準定義的LRWPAN 網絡具有如下特點:(1)在不同的載波頻率下實現了20 Kb/s、40 Kb/s 和250 Kb/s 這3 種不同的傳輸速率;(2)支持星型和點對點2 種網絡拓撲結構;(3)有16 位和64 位3 種地址格式，其中64 位地址是全球惟一的擴展地址;(4)支持沖突避免的載波多路偵聽技術(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA-CA);(5)支持確認(ACK)機制，保證傳輸可靠性［12］。

2.2 ZigBee 協議

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 標準的低功耗個人局域網協議［13-14］，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。ZigBee 協議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等。ZigBee 的底層技術基于IEEE 802.15.4，即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE 802.15.4 的定義。ZigBee 網絡的主要特點是低功耗、低成本、低速率、低復雜度、支持大量節點、支持多種網絡拓撲、快速、可靠、安全。ZigBee 網絡中的設備可分為協調器(Coordinator)、匯聚節點(Router)、傳感器節點(EndDevice)等3 種角色，依據802.15.4 標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個網絡節點傳到另一個節點，因此，其通信效率非常高。

2.3 實驗評估平臺

本文測試中使用的硬件平臺是CC2530 開發套件，由ZigBee 產品領先供應商德州儀器制造。它是基于CC2530［15］的片上系統(System on Chip，SoC)，在同一芯片上集成了微控制器和收發器。它的微控制器是基于8051 架構，并且收發器符合2.4 GHz 頻段的IEEE 802.15.4 標準。

實驗采用由德州儀器提供的Z-Stack 版本ZigBee和TIMAC 版的IEEE 802.15.4 協議棧開發。使用的Z-Stack 版本是Z-Stack CC2530 2.4.0 1.4.0，它支持ZigBee2007 版的雙堆棧配置:ZigBee 和ZigBee Pro。這個Z-Stack 版本是ZigBee 協議棧實現2.4.0 版本與IEEE 802.15.4 協議棧實現1.4.0 版本的組合。本文中的某些實驗只采用了IEEE802.15.4 協議棧，也就是只采用TIMAC 的協議棧版本TIMAC-CC530-1.3.1。

3 評估方法和模型

本節介紹實驗的評價方法和模型。實驗通過分析DR 和爭用延時、時鐘漂移和隱藏節點問題3 種不同方案，來評估ZigBee 和IEEE802.15.4 的性能。

實驗中使用26 頻道，沒有其他來源(例如WiFi網絡)的干擾，使用頻譜分析儀來驗證。節點的傳輸功率和位置都被設定以確保不會因為路徑損耗或節點和協調器之間的陰影效應影響引起丟包。因為本研究是評估因為碰撞、爭用，時鐘漂移和隱藏節點引起的傳輸率，在隱藏節點的測試中，傳感器節點的信號彼此之間用金屬板阻隔，節點置于一個消聲室避免多路徑傳播。

實驗中使用的默認參數是IEEE802.15.4 的非時隙CSMA-CA 算法，3 種評估方案中使用的ZigBee 層的數據包共264 位，所有測試完成后，協調器從終端設備接收到5 000 個數據包。本文的測試中使用的是專業版ZigBee 協議規范，使用ZigBee 協議棧進行同樣的測試，測試結果并無顯著差異。

實驗從多個傳感器模塊組成的身體姿勢監控系統提取密集型數據，每一個都包含3 個加速度計和3 個磁強計，使用30 Hz 采樣。使用2 種不同的設置，在模式A 中，發送間隔為200 ms，數據包的長度是89 個字節，包括6 個傳感器和協議的開銷。在模式B中，傳輸間隔是100 ms，數據包的長度是62 個字節。在其他的BSN 應用中也有類似的數據密集型通信，例如患者的心電圖監測信號，采樣率可以高達250 Hz［16］。

3.1 傳輸率和延時

這個評估測試方案是在爭用的環境下測量DR和端到端的延時，多個終端設備同時生成數據包發送到協調器。DR 為源節點應用程序成功傳送的數據包的數量的比值。端到端的延時是數據包從源節點的應用層傳輸到目的地節點的應用層的時間。

在BSN 中使用星型拓撲結構是比較常見的，但是多跳的樹形拓撲結構在文獻［9-10］中也有介紹。因此，本文的實驗對星型和二跳的樹形2 種拓撲結構進行評估，采用的二跳樹形網絡的拓撲結構如圖1所示。

圖1 網絡拓撲結構

實驗分別對Z-Stack 和TIMAC 這2 個支持系統的協議棧評估。因為IEEE802.15.4 標準沒有對網絡層進行定義，所以測試使用TIMAC 協議棧，使用終端設備的數據包都發送到特定設備的對等網絡來模擬一個兩跳的樹形拓撲路由器，將數據包轉發到協調器。

3.2 時鐘漂移

評估測試方案使用2 個ZigBee 終端設備之間的不同時鐘漂移的模型來評估2 個參數的持續時間:干擾時間(Tint)是2 個終端設備因為時鐘漂移使用非時隙CSMA-CA 算法競爭通道的時間;TIntRep是干擾的重復間隔時間。這個模型使用的是IEEE 802.15.4 標準的非時隙CSMA-CA 算法，數據包的傳輸時間如圖2 所示。

圖2 IEEE 非時隙CSMA-CA 算法的傳輸時間

發送周期(TTx)由TBackoff(隨機退避間隔)、TTA(收發器周轉時間)、TPacket(數據包傳輸時間)、TACK(ACK 的傳輸時間)組成。在IEEE 802.15.4 標準中，收發器周轉時間是192 μs，ACK 的傳輸時間是352 μs，數據包傳輸時間取決于負載。

每個終端(EDn)都被連接到協調器(基站)，去測量在周期(T)中增加或丟失的振蕩(ticksdrifted)，并與協調器的時鐘做比較。基站(BS)和終端設備n之間的時鐘漂移可以通過式(1)計算。

其中，Fosc為CC2530 的標稱時鐘頻率(32 MHz)。不考慮各自相對基站的絕對時鐘漂移，可以得到終端ED1 到終端ED2 的差分時鐘漂移公式，如式(2)所示。

非同步的具有相同標稱周期的終端設備傳輸周期性的業務，由于時鐘漂移的影響最終將競爭無線信道。如果ED1 和ED2 之間的差分時鐘漂移是DED1，ED2，節點的標稱傳輸周期是TED，那么這2 個節點每隔TIntRep秒將爭奪無線信道，如式(3)所示。

2 個終端設備競爭通道的干擾時間TInt可由式(4)得到，式中TVul代表脆弱時間窗。2 個節點在傳輸中彼此干擾的脆弱時間窗如圖3 所示。

圖3 時鐘漂移評估方案的脆弱時間窗

式(5)和式(6)分別表示設備ED1 和ED2 干擾期間開始和結束的時間。

其中，TBackoff_min是最小退避時間，等于0;TTx_max是發送一個數據包并接收到應答需要的最長時間，使用最大退避周期TBackoff_max計算(TBackoff_max=2.24 ms);tEDn和分別是設備n 啟動CSMA-CA 算法的開始和結束時間。從得到TVul的計算公式如下所示:

為了驗證模型，評估實驗由2 個終端設備組成的ZigBee 網絡使用星型拓撲結構以模式B(TED=100 ms)向協調器傳送數據包。這種情況下，數據包的傳輸時間是1.984 ms。為了更好地觀察干擾和干擾重復間隔，在隱藏節點的情況下，ACK 機制被禁用，這種情況下:

3.3 隱藏節點問題

在這個測試中，2 個ZigBee 終端設備彼此隱藏，在星型網絡拓撲結構中的使用傳輸模式B 傳送數據包。為了分析最壞的情況，節點根據協調器發送的觸發信號同時產生數據包，不啟用ACK 機制。

最小傳輸周期(TTx_min)等于TBackoff_min(0)。最大的傳輸時間(TTx_max)等于TBackoff_max(2.24 ms，對應7 個單元的退避時間)。在這個測試中，當協調器觸發2 個終端的傳輸數據包，傳輸時間是1.984 ms。除非ED1 和ED2 的傳輸周期分別等于TTx_min和TTx_max，否則相應發送的數據包不會發生碰撞。這種情況出現的概率(pTX)如式(9)所示:

其中，pBackoff_min和pBackoff_max都等于1/8，因為它們是一個有8(0～7)種可能性的離散均勻分布。因此，pTX等于3.125%。這個值和未啟用ACK 機制的預期的DR 相符。

4 實驗結果與分析

4.1 傳輸率和延時

測試使用Z-Stack 的兩跳的樹形拓撲結構，并啟用ACK 機制來觀察路由器的阻塞問題。使用包嗅探器，發現路由器轉發數據包只需幾秒鐘，繼而阻塞約8 s，待路由器可用后，這個過程重復繼續。對于其他情況做了幾個測試，驗證了這個問題只發生在路由器高流量負載的情況即:數據包數量大于2 000個時路由器都會有5 s～8 s 的阻塞。

這個問題是因為當MAC 層不斷接收數據包時，路由器過載，不能夠處理在NWK 層的數據包轉送。因此，為了評估路由器沒有堵塞時的傳輸率和延時，實驗中把協調器接收到的數據包數量從5 000 個逐步縮減到1 000 個，每次減少100 個數據包。當數據包低于2 000 個時，路由器對NWK 的數據包轉送時延沒有明顯變化。為確保路由器不會因數據包過多而阻塞，實驗中將數據包數量確定為1 000。

使用Z-Stack 測得的傳輸率與傳感器數目之間的關系如圖4 所示。對于星型拓撲結構，使用ACK機制時傳輸率接近100%。但是使用3 個～5 個終端設備的2 跳的樹形拓撲結構，傳輸率要低一些，大約是96%。這個原因是因為終端設備產生的高流量負載，路由器觸發路由維護協議，導致頻繁啟動路由發現過程(平均每5 秒)。這個過程持續約250 ms，由于緩沖器溢出造成丟包，迫使路由器中斷數據包轉發。當ACK 被禁用，隨著傳感器節點數量的增加，在這兩種拓撲結構中DR 都顯著減小，這符合模型的預期值。

為了把TIMAC 協議棧和Z-Stack 的性能進行比較，因為TIMAC 具有較小的協議開銷，數據包的長度等于在Z-Stack 引進偽字節的測量值。使用TIMAC測得的DR 與傳感器數目之間的關系如圖5 所示。

圖4 使用Z-Stack 測得的傳輸率與傳感器數目之間的關系

圖5 使用TIMAC 測得的傳輸率與傳感器數目之間的關系

可以看出，啟用ACK 機制，使用TIMAC 測得的結果比使用Z-Stack 要差，因為Z-Stack 如果在MAC層未成功傳送數據包，在網絡層可以重發一次。不啟用ACK 機制的實驗結果表明對于樹形拓撲結構用Z-Stack 性能要好些，因為路由器的網絡層對接收到的數據包具有緩沖功能，在競爭低的時候轉發數據包。而在TIMAC 中，模擬路由器的應用程序接收到數據包立即就轉發。

圖6 和圖7 分別是實驗測得的端到端延時的平均值和最大值與傳感器節點數目的關系，分別使用Z-Stack 和TIMAC，并啟用ACK 機制。使用TIMAC的延時低于使用Z-Stack 的延時，因為TIMAC 引入的處理負荷比較低。和模型預期的一樣，因為爭用、碰撞和重傳，延時隨著節點數目的增加而增加。具有3 個～5 個節點的Z-Stack 樹型拓撲激活路由維護協議，導致網絡層的數據包緩沖，ZigBee 網絡的最大延時顯著增加。

圖6 平均延時與傳感器節點的關系

圖7 最大延時與傳感器節點的關系

4.2 時鐘漂移

終端設備n 和基站之間的差分時鐘漂移(DBS，EDn)如表1 所示。

表1 終端設備n 和基站之間的差分時鐘漂移ppm

選擇終端設備0 和1 進行測量和模型驗證，差分時鐘漂移DED1，ED0=3.5 ppm，代入到式(4)，得到Tint值等于40 min。代入到式(3)得到TIntRep的值為7 h 56 min。圖8 顯示了本次測試中2 個隱藏節點的星型拓撲時鐘漂移傳輸率。這個實驗從18:15:10開始，第2 天的13:02:44 結束。在無干擾時段，傳輸率多數為100%。在干擾周期DR 開始減少，在2 個設備同時數據包時達到最小值，然后又增大，直到干擾結束，干擾時期持續了約40 min。干擾的重復間隔是大約7 h 53 min。測得的Tint與理論模型預測的值相相符，測得的TIntRep有6%的誤差。

圖8 2 個隱藏節點的星型拓撲時鐘漂移傳輸率

4.3 隱藏節點問題

在這個評估方案中，啟用ACK 機制實驗測量到的DR 為90%。不啟用ACK 機制的結果是13%，這接近圖8 所示最低的傳輸率。之前在同樣的條件下測量沒有隱藏節點的兩個終端設備，啟用ACK 機制和不啟用ACK 機制的傳輸率分別為100%和91%(見圖4)。因此，與沒有隱藏節點的實驗結果相比，具有隱藏節點的傳輸率急劇下降。這些結果表明，在競爭的情況下，有2 個隱藏終端設備構成的簡單網絡傳輸率要低很多。隱藏節點越多，網絡性能越差。這嚴重危及網絡的可靠性，使得它無法滿足BSN 應用程序的QoS 的要求。

在本文實驗中不啟用ACK 機制測得的傳輸率是(13%)，高于前一節理論分析(3.125%)預測的值。為了找到產生這個差異的原因，本文分析實驗的日志文件，理論分析假設協調器只接收從節點發送的沒有碰撞的數據包，這只有當節點1 在TBackoff_min和節點2 在TBackoff_max執行CSMA-CA 時才有可能。在原則上，協調器是不可能只從一個節點接收數據包的，這使得傳輸率增加。使用數據包嗅探器，可以觀察到在觸發時，2 個節點發送它們的數據包，如果其中一個節點被禁用，協調器從另一個節點接收所有數據包。

實驗也顯示，如果該節點的傳輸功率用兩個節點接收功率相同的方式進行協調控制，傳輸率減少;如果使用不同的功率接收數據包，傳輸率增加。所以得出結論，理論和實驗結果之間的差異可能與俘獲效應有關。因為碰撞，如果其功率比干擾數據包功率大得多，數據包可以被成功地接收。

5 結束語

本文對ZigBee 和IEEE802.15.4 標準在BSN 應用中進行實驗性能分析，特別強調在高流量負載條件，研究基于德州儀器的Z-Stack 和IEEE802.15.4(TIMAC)。傳輸率和延時方案的實驗結果表明，在2 跳的樹型拓撲結構中，高負載持續時期可能導致的ZigBee 路由器啟動發現過程，對傳輸率和延時帶來負面的影響。路由器阻塞問題，可能會造成高流量負載持續幾秒。從時鐘漂移實驗結果分析表明，由于節點間很小的時鐘漂移，干擾可能會持續很長一段時間，實驗結果接近時鐘漂移預測模型。從隱藏節點方案的實驗結果表明，在競爭的情況下，由2 個隱藏終端設備構成的簡單網絡傳輸率要低很多。隱藏節點越多，網絡性能越差。盡管實驗是在爭用最壞的情況下完成，只使用2 個終端設備同時產生數據包。多個隱藏節點結合時鐘漂移的影響可能會導致長期的網絡可靠性問題。

BSN 網絡應用要符合QoS 的指標要求，實驗結果表明，需要一種機制來分配由數據密集型設備產生的流量負載，以防止基于ZigBee 的BSN 中路由器過載、時鐘漂移和隱藏節點問題，也可以通過對ZigBee 路由協議的修改，使之在路由競爭的情況下滿足QoS 的指標要求。

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