基于OPNET的IEEE 802.15.4協議實時性能優化與分析

陳 亮，黃德元，江 明?

基于OPNET的IEEE 802.15.4協議實時性能優化與分析

陳 亮1，黃德元2，江 明1?

（1.安徽工程大學安徽省檢測技術與節能裝置重點實驗室，安徽蕪湖 241000；2.蕪湖奇瑞科技有限公司，安徽蕪湖 241000）

針對IEEE 802.15.4協議存在的退避指數范圍較窄、缺乏優先級區分服務和時隙分配算法粗糙的不足，融合了基于碰撞感知的二進制退避算法和優先級區分服務，提出一種基于時間敏感的時隙分配算法，用以降低時延、提高系統的自適應性和提高時隙帶寬利用率.最終以汽車傳感網為應用對象，在OPNET中驗證了所提出的融合改進型協議較原有協議在實時性能等方面的優越性.

退避指數，時隙分配，IEEE 802.15.4，實時性，OPNET

IEEE802.15.4標準由于其在功耗、成本、復雜度等方面的突出表現，自2003年被提出隨即廣泛引用于各個領域，例如在WSN領域使用該協議作為傳輸通信標準.然而隨著網絡系統在實時性、可靠傳輸、安全性等方面的要求越來越嚴格，勢必影響該協議的應用推廣.很多先驅者通過理論分析和實踐驗證對IEEE802.15.4協議做了較全面的性能評估.分析結果發現［1］，IEEE802.15.4協議在實時性和可靠性等方面并不能保證很好的服務保障.因此就IEEE802.15.4協議本身的特點和局限性，很多改進型協議被提出，這些改進都具有重要的實際應用意義，并在一些特定的場景中得到了驗證.

Sarker等提出了一種Urgency-Based MAC協議，主要對醫院患者的監護中的各種人體健康參數劃分了優先級，分為緊急和非緊急兩種，通過將非緊急數據的重傳次數減少到零的措施來保證緊急數據的有效實時傳輸，具有明顯的現實意義.Moghaddam等在區分服務的基礎上，通過融入擁塞控制策略，又進一步改善了醫療通信的實時性，可以運用到病人和老人重要生理參數監測當中.還有學者就CSMA/CA機制提出了許多改進性MAC協議.例如Baz等就低速率數據碰撞和功耗問題，將數據劃分為時間幀和選擇幀數據分別對待傳輸.Huang等在IEEE802.15.4的自由競爭周期提出基于簇的時隙分配算法，確保了每個設備節點不需發送請求就可以獲得信道使用權，降低了時延和節點能耗.Bharat［2］等提出一種基于隊列長度的時隙分配機制，提高了信道利用率，兼顧了信號的不確定性.蔣［3］等就標準CSMA/CA機制的不足，提出一種基于動態自適應的低功耗退避算法，在網絡拓撲相對固定的環境中可以在保證低功耗的前提下提高實時性.

綜上所述，目前仍存在應用環境下不同服務的區分對待問題、實時通信的自適應問題以及高度實時性實現與其他網絡資源之間的平衡問題等，復雜環境下的高度實時高效傳輸問題仍未圓滿解決，仍有待進一步探索和研究.本文就IEEE802.15.4協議通過融合基于碰撞感知的二進制退避算法和優先級區分服務，提出一種基于時間敏感的時隙分配算法，進而展開了優化改進，目的是降低數據沖突，提高實時傳輸性能，同時兼顧其他保障網絡性能.

1　協議本身不足分析

由于IEEE 802.15.4標準提出時的背景限制，使其應用至今逐漸凸顯出不足之處，主要表現在以下3個方面：

（1）CSMA/CA算法中二進制退避算法的退避指數BE可設置的范圍很窄.若BE值設置得過大，將導致有數據傳輸需求的節點需要花更多的時間去競爭成功，從而獲得傳輸的權利.而更多的等待時間意味著更高的能耗，同時也將降低信道利用率.若BE值設置得過小，則會增加在同一時刻兩個及兩個以上的節點使用同一退避時隙的可能性，毫無疑問這樣將增加信道競爭碰撞的次數，也將間接得導致信道利用率的降低.此外，這種退避機制也沒有兼顧當前信道的使用情況.若當前信道碰撞率較高或較低，而設置的BE較小或較大，無疑這兩種情況下都會降低信道利用率.相反，若當前信道碰撞率較高或較低，而設置的BE較大或較小，則一定程度上會提高信道利用率.

（2）標準的協議公平地對待每一個需要傳輸的數據包，意味著所有的數據包都需要通過公平競爭來獲取信道資格.這種公平背后透著教條死板.在一個現實網絡環境當中，一些報警信號需要被及時被傳輸到控制中心以便其做出迅速決策，否則將導致不可估量的損失.例如一些漏洞提醒、超閾值信息報警及外界惡意侵入等，這些信息較一些周期信息理所應當被優先傳輸.因此，引入優先級機制具有重大現實意義，不僅可以維護系統的穩定運行，同時也可降低競爭信道次數，減少能耗的同時降低時延.

（3）由于分配的時隙不能被多個節點共享，因此無法充分利用已分配的時隙帶寬，這是GTS分配機制與生俱來的缺陷.比如當一個時隙的帶寬利用率最初限定在0～0.5之間，那就意味著一個節點在一個時隙內最多只能使用50%的帶寬.因為一個時隙不能同時被其他節點共享，就意味著要白白浪費掉另外50%以上的帶寬資源.這里涉及到的有關帶寬利用率計算可自行查閱相關文獻資料，不再論證贅述.

2　協議改進理論論證

針對上面提到標準自身的不足，將一一給出解決的策略.

（1）針對IEEE 802.15.4協議本身二進制退避算法的缺陷，特別引入基于碰撞感知的退避算法［4］，著重解決BE指數設置區間范圍小的不足，同時考慮到當前信道的實際狀況.

在改進的退避算法中，引入參數TBP，max和λ，分別表示最大退避周期和一個動態參數，它們分別與最大退避指數PBE，max和碰撞率Pcoll有關，Pcoll被初始化為0.5.為了使退避周期的長度可控，將退避周期區間限制在0～TBP，max×λ，這里λ∈［0，1］，它隨著Pcoll的增大而呈指數遞增.當Pcoll足夠大的時候，說明當前信道狀況競爭激烈，狀況不好，退避周期TBP也相應較大，這樣反過來可以降低碰撞率；當Pcoll較小的時候，說明當前信道狀況良好，退避周期TBP也隨之較小，可以增加信道利用率.這里為了簡化算法的復雜度，對碰撞率的計算采用簡要的統計平均計算，被限制在某個具體的時段里來進行，并且忽視了之前碰撞率的影響.相關的公式計算如下［4］：

（2）針對IEEE 802.15.4標準協議中沒有對各種需要傳輸的數據劃分優先級的不足，特別引入區分服務的優先級機制［5］.

不同的數據有著不同的重要程度，一些攜帶重要系統信息的數據應當比普通周期采樣信息優先競爭到信道的使用權.因此，應當允許一些可以發送報警信號的節點較一般節點可以優先發送其數據.

引入的區分服務的優先級機制中涉及退避次數PBE和CCA檢測次數LCW.較小的PBE可以縮短數據發送前等待的時間，同時也更有可能競爭到信道使用權和改善網絡吞吐量.在標準IEEE 802.15.4中，節點在發送數據前需要執行至少兩次CCA，目的是保證ACK信號的順利傳輸.一個優先級高的節點執行的CCA次數要比優先級低的節點少，因此可以用LCW來表征節點優先級的高低.這樣做的目的是為了讓優先級高的節點可以優先傳送數據，保證系統運行的靈活性和穩定性.

區別與標準IEEE 802.15.4中在初始化時為每個節點設置相同的LCW，事先為不同的數據服務設置一組優先級標識｛level_0，level_1，…，level_L｝，優先級依次遞減.

（3）對于標準IEEE 802.15.4時隙帶寬利用率不高的問題，需要解決的是讓沒有正在傳輸的其他節點也能獲取時隙的使用權.為此提出一種時間敏感的時隙分配策略［6］，以汽車傳感網絡系統來詳細介紹.

在j段馬路上，RUj表示其周邊安置的中心協調節點，有N輛車會向RUj發送數據.假設在t時刻，在RUj廣播范圍的車輛數目是Nj，t，車輛用Vj，i，t表示，車速用Sj，i，t表示.在分析之前，先做以下假設：

假設1：道路兩邊無縫安置著中心協調節點，相鄰協調節點可進行信息交互；

假設2：在t時刻，Nj，t、Sj，i，t的值可以被最近的RUj感知，并能通過無線或者有線的方式共享給附近的RU［6］.s

要解決的關鍵問題是如何設計出一種有效地讓車輛在動態行駛過程中發送的數據能被就近RUs接收到的時隙配置策略.在已知Nj，t、Sj，i，t和RUj的廣播范圍Rj后，應滿足以下約束［7］：

式中，Dj，i表示第i輛車與RUj之間的傳播時延，Di為最大時延上限；rj，i表征車i發送的數據包到達RUj的速率，GCj表征RUj預設的最大接收能力上限.因為汽車在行駛移動，因此需要考慮中心協調節點的廣播范圍.然而Dj，i的上限應該取Di和TDj，i，這里TDj，i表示路邊中心協調節點在其廣播范圍Rj內監測到車i所花費的最大時間，其計算公式為［7］：

考慮到一種特殊情況：假設RUs間通訊鏈接可靠，車i在TDj，i時限內不能完成向RUj的數據發送，則需要把數據發送給就近中心協調節點，而通過節點之間的傳輸才能把車i信息發送給RUj，無疑這樣將增加動態調度的復雜度，并不是設計的初衷.

文獻［8］已經證明在車輛自由行使狀態，車速服從正態分布.因此約束C 3在這里就體現了在高速行使的車輛其車速服從一均值為μ、方差為σ的正態分布.由于在正態分布中，車速落在（μ-3σ，μ+3σ）區間占99.7%，因此可近似的認為Vmin=μ-3σ，Vmax=μ+3σ

由于可行的調度策略只能在中心協調節點的廣播范圍內才能被檢驗，為了后續討論和算法簡化，將Dj，i，max用Di，max代替，即忽略路段的差異.

經過以上的假設論證分析，接下來主要問題集中在如何設計一個合適的調度器，從而能夠有效地規劃車輛信息訪問序列和訪問機率.對于汽車傳感網來說，發送至RUs的數據包速率約束應當首先被確定下來，并能反映不同的應用對象要求.也就意味著在一個有N輛車的場景里，包的到達速率可以超過所有包到達速率的平均數（Rk/N），但仍然小于Rk.傳統的時隙分配所應用的場景都是靜態的，節點是不能移動的，因此研究動態的場景別具一格.

這里借鑒文獻［9］中提到的加權輪詢調度策略（WRR，Weighted Round Robin）.WRR調度算法按比例將時隙分配給數據包，此算法顯得更加簡單有效，只是增加了權重的抉擇，能區分對待不同優先級服務，同時取得了較高的帶寬利用率.然而在汽車傳感網中，由于汽車具有不同的前進速度、不同的時延要求和節點探測到汽車進入廣播范圍的探測時間等諸多元素，因此若只依據數據包的到達速率來分配時隙的權重將顯得不合時宜.因此提出一種基于時間敏感的時隙分配算法，應用于汽車傳感網中.

該時隙分配調度算法偽代碼如下所示：

輸入包括一個向量和信標中可分配的最大GTS數目Gmax.該向量是一組車i向路邊中心協調節點發送的本身信息，包含突發數據包大小bi、最大時延上限Di、包到達RUj的速率rj，i以及車i的行駛速度；Gmax表示信標內可分配的最大時隙數，由BO和SO共同決定.在充分考慮數據包的到達速率、實驗要求和時隙帶寬利用率等因素后，輸出是車輛與RUs信息交互的調度表.整個過程可簡單概括為：在給定的汽車傳感網場景中，事先設計好的調度器被喚醒后，會根據車輛發送來的請求數據通過調用時隙分配方法來進行空余時隙的分配.需要特別指出的是，這里的時隙分配算法只是有關空余時隙分配機制部分的，是獨立于2（1）、2（2）部分論述的內容.

3　仿真驗證與分析

仿真對象是汽車傳感網，選用多個動態仿真節點，節點的移動處在RUj的廣播范圍內，主要仿真參數配置詳如表1所示.

表1　仿真參數配置

仿真結果通過對比標準IEEE 802.15.4整體性能，來驗證所提出改性協議的正確性.所參照的評價指標采用端到端時延（End to end Delay）、有效數據率（Effective data rate）和丟包率（packet loss rate），橫坐標為約定范圍內車輛的數目.數據由OPNET每次仿真得到，當仿真運行10 min后，將穩定的有效數據導入到MATLAB中進行圖形繪制，最終仿真結果如圖1、圖2、圖3所示.

由仿真結果可知，在一定的車輛數目內，隨著車輛的增加，改進之后的協議性能較原先標準協議有效降低了端到端時延，提高了有效數據率，同時有效降低了丟包率.

4　結束語

通過融合基于碰撞感知的二進制退避算法和優先級區分服務機制，提出一種基于時間敏感的時隙分配算法，用以降低時延、提高系統的自適應性和提高時隙帶寬利用率.分別克服了IEEE 802.15.4協議存在的退避指數范圍較窄、缺乏優先級區分服務和時隙分配算法粗糙的不足，并一一從理論上論證了所提出改進措施的正確性.最終以汽車傳感網為應用對象，在OPNET中驗證了所提出融合改進型協議在實時性能等方面的優越性.

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Real-time performance optimization and analyses of IEEE 802.15.4 protocol based on OPNET

CHEN Liang1，HUANG De-yuan2，JIANG Ming1?
（1.Key Laboratory of Detecting Technology and Energy Conservation Equipment of Anhui Province，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China 2.Wuhu Chery Technology Co.，Ltd，Wuhu 241000，China）

Aiming at the insufficiency：relatively narrow back-off index range，treating every event fairly and rough time slot allocation algorithm is rough of IEEE 802.15.4 protocol，a priority-based adaptive service-differentiation scheme and a collision-aware back-off mechanism are fused，and then a delay sensitive time slot scheduling is proposed in modified protocol to strengthen the adaptive performance of the system，lower the delay and advance the bandwidth utilization respectively.And every proposed scheme is proved theoretically.Finally，the advantage in real-time performance of the proposed modified protocol compared with the original is verified in OPNET by applying it to vehicle wireless sensor network.

back-off index；time slot allocation；IEEE 802.15.4；real-time performance；OPNET

TP393.1

A

1672-2477（2015）02-0064-05

2015-01-10

國家自然科學基金資助項目（61271377）；安徽省高校自然科學研究重點基金資助項目（KJ2012 A035）

陳 亮（1990-），男，安徽池州人，碩士研究生.

江 明（1965-），男，安徽蕪湖人，教授，碩導.