無線傳感器網絡下MAC層實時性改進方法

齊春輝，朱雪宏，李宗奎，丁承君

(河北工業大學 機械工程學院，天津 300130)

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無線傳感器網絡下MAC層實時性改進方法

齊春輝，朱雪宏，李宗奎，丁承君

(河北工業大學 機械工程學院，天津 300130)

摘要：在多機器人系統無線傳感器網絡下，信息傳輸實時性要求高，傳輸量大。為了保證重要信息傳輸的有效性和實時性，本文將媒體訪問控制協議中的改進最小競爭窗口值方法與優先級方法相結合，減少信息阻塞和高丟包率的同時，保證特殊信息傳輸的實時性。實驗結果表明：該方法能有效減少特殊信息延遲時間，提高多機器人系統靈活性。

關鍵詞：多機器人系統；ZigBee；信息通信；實時性；丟包率

0引言

在多機器人系統中，機器人在完成任務時需要相互協調合作，將傳感器信息和控制命令進行交互或傳回控制中心，這就要求既要減少信息阻塞，又要保證信息傳輸的實時性。近年來，大量學者對無線網絡通信進行了研究。文獻[1]提出了一種全局網-任務網協同工作的兩層式網絡系統架構,利用全局網保證網絡的連通性。文獻[2]針對通信沖突問題加入載波偵聽多路訪問/碰撞檢測(CSMA/CA)算法,較好地解決了多移動機器人無線通信系統中的沖突問題。文獻[3]對機器人Ad_hoc 網絡的路由協議進行了對比研究，并指出AODV被動式路由協議整體性能較為優越。文獻[4]對基于CSMA/CA的媒體訪問控制(medium access control，MAC)協議進行了優化，解決了MAC協議與樹狀結構無線傳感器網絡不匹配的問題，可減少信道資源浪費，提高網絡傳輸效率，降低能耗。文獻[5]借助合理有效的通信網絡布放規則,實現了井下煤礦救援機器人數據的實時有效傳輸。但在超大量數據傳輸中，極少有研究既解決高丟包率問題，又保證信息傳輸實時的要求。

多機器人通信系統要求既有大量視頻和音頻數據傳輸，又有實時性要求高的控制命令傳輸。針對這種特殊的網絡系統，本文將基于CSMA/CA的MAC協議改進最小競爭窗口值方法和優先級方法相結合，對特殊信息設置較高發送/接收優先級。對節點丟包率、能量消耗和特殊信息傳輸延遲時間進行統計分析，并通過實驗驗證了算法的有效性。

1普通非均等信道搶占機制的缺陷

圖1　多跳傳輸模型示意圖

多機器人系統通信是在無線傳感器網絡下進行的，本文采用IEEE 802.15.4[6]無線網絡通信協議。在多機器人系統中，多個機器人相互協調完成某項工作，各自傳感器信息共享，同時又受主機控制。當機器人相距較遠時，傳輸信息要以其他機器人為中轉器，經多跳的形式將信息傳到目標節點，多跳傳輸模型如圖1所示。

在基于CSMA/CA的改進MAC協議中，根據各層節點數和各節點子節點數確定最小競爭窗口值，給予父節點相對于子節點更多的搶占信道的機會[7-8]，對于普通的無線系統能有效減少信息阻塞和高丟包率現象。但對于多機器人系統，由于需要傳輸大量視頻和音頻信息，長時間占用信道資源，導致控制信號等不能及時地發出或接收，不能保證特殊信息傳輸的實時性，導致系統穩定性差，故障率高，不能滿足實時控制要求。因此,普通改進的MAC協議不能滿足多機器人系統的通信要求。

2基于信息優先級的改進

對于樹狀結構的數據傳輸模型而言，需要給予父節點相對于子節點更多的信道訪問機會。因為從整個傳輸樹來看，越是上層的節點，它的負載越重并且任務越重要，相對于下層的節點理應具有更高的信道占有率。最小競爭窗口值的大小決定了節點搶占信道機會的大小，通過對最小競爭窗口值的設置，可以為不同節點分配合理的搶占信道的機會。

針對多機器人無線通信網絡，本文采用優先級和改進最小競爭窗口值共同控制的方法，改進非均等信道搶占機制的MAC通信協議。

借鑒文獻[4]中最小競爭窗口值設置方法，本文根據節點所在層數及節點的子節點數目設置最小競爭窗口值。

(Ⅰ)計算樹形結構每層的層最小競爭窗口值：

(1)

(2)

(Ⅱ)根據各節點所在層的層最小競爭窗口值與該節點的子節點數量，計算得到各節點的最小競爭窗口值，單個節點的最小競爭窗口值的計算公式為：

(3)

其中：Al(n)為該節點所在層具有的所有子節點總量；An為該節點具有的子節點數。式(3)既保證該節點的最小競爭窗口值處于上層的層最小競爭窗口值與本層的層最小競爭窗口值之間，也保證了處于同一層的節點中，擁有子節點多的節點的最小競爭窗口值比擁有子節點少的最小競爭窗口值小。

表1　不同類型傳輸信息優先級分配表

(Ⅲ)表1 為不同類型傳輸信息的優先級分配表。在控制程序中編寫不同優先級信息的發送函數，傳輸過程中高優先級信息(如控制指令)可以打斷較低優先級信息(如視頻信息)的傳輸，較低優先級的信息則等待發送，以滿足多機器人系統信息傳輸實時性要求。

3實驗與評估

3.1ZigBee實驗平臺

建立基于ZigBee[9-11]的無線傳感器網絡平臺，在這個平臺上將多機器人的通信簡化為ZigBee無線傳感器下傳感節點的通信。實驗采用2 Mbps信道，數據包長度為512字節，實驗中將7個節點放置在空曠區域內，節點分布如圖2所示。以主節點為原點建立坐標系，其余節點坐標分別為：節點1(15,0)、節點2(10，-10)、節點3(25，8)、節點4(25，-8)、節點5(35，0)和節點6(35，-15)，單位：m。

圖2　節點分布圖

啟動各節點，各節點將自動加入網路。按照非均等信道搶占機制，計算樹形結構網絡各層的最小競爭窗口值、各節點的子節點數和各層的子節點數。主節點將這些參數向所有節點進行廣播，各節點收到這些參數后計算出自身的最小競爭窗口值，然后再調用macMcuRandomByte()函數對MAC層的最小競爭窗口值進行設置。在各子節點成功入網后，每個子節點按設定的發送速率，發送1條包含自身短地址以及在傳輸過程中所經歷節點的短地址的信息給主節點。主節點收到信息后，通過串口在上位機上顯示收到的數據以及數據包的個數，根據串口上顯示的數據，可以計算丟包率。每發送1個數據包的能耗設置為2單位，每接收1個數據包的能耗設置為1單位，可以計算無線網絡成功發送1個數據包的能量消耗[12]。另外，在各節點發送過程中，節點5間斷地發送1條故障信息，檢測從節點5發送故障信息到主節點接收到故障信息所產生延遲的時間。使用本文算法和普通非均等競爭機制算法(改進的MAC算法)，數據包的發送速率分別為300 個/s、400 個/s、500 個/s和600 個/s時進行多次實驗，并統計和計算特殊指令延遲時間、丟包率和平均能量消耗。

圖3　節點丟包率

圖4　每成功發送1個數據包網絡平均能量消耗

圖5　特殊信息傳輸延遲時間分析

3.2實驗結果及分析

數據包在不同發送速率下進行多次實驗，剔除最大值和最小值后，計算平均值。在IEEE 802.15.4協議下，改進的MAC算法和本文算法的節點丟包率如圖3所示。每成功發送1個數據包，網絡的平均能量消耗如圖4所示。特殊信息傳輸延遲時間如圖5所示。

在圖3所示的節點丟包率分析實驗中，測試不同發送速率下系統丟包率。在發送速率較低的情況下，本文算法的丟包率略低于改進的MAC算法，但當高速率情況下，本文算法的丟包率略高于改進的MAC算法。整體來看：在丟包率方面，本文算法與改進的MAC算法相差不多，均能有效減少系統丟包率。在圖4所示的網絡能量消耗分析實驗中，測試不同發送速率下每成功發送1個數據包網絡的平均能量消耗，本文算法與改進的MAC算法的能量消耗基本一致。在圖5所示的特殊信息傳輸延遲時間分析中，測試不同發送速率下特殊信息延遲時間，在發送速率較低的情況下，本文算法能明顯減少信息傳輸延遲時間。在高發送速率的情況下，兩種算法延遲時間均有所下降，但本文算法依然明顯少于改進的MAC算法。

本文算法與改進的MAC算法相比，特殊信息傳輸延遲時間明顯降低且隨發送速率增加沒有顯著變化，極大地提高了多機器人通信系統特殊信息傳輸的實時性，而且，節點丟包率和能量消耗變化不大。因此，本文算法在保證網絡丟包率和能量消耗基本不增長的前提下，能夠提高特殊重要信息傳輸的實時性。在多機器人無線通信系統中，本文算法比改進的MAC算法有較大的改善。

4結束語

在基于ZigBee的無線傳感器網絡平臺上，對無線傳感器網絡下多機器人系統通信進行實驗，驗證了提出的改善信息延遲方法的可行性。將改進MAC協議中的最小競爭窗口值方法和優先級方法相結合，既能減少信息阻塞和高丟包率的發生，同時能有效減少重要信息傳輸的延遲時間，保證特殊重要信息傳輸的實時性，提高多機器人控制系統通信的靈活性和可控性。

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基金項目：河北省自然科學基金項目(F2013202220)；天津市科技支撐基金項目(13ZCZDGX01200);天津市“863” 成果轉化項目(13RCHZGX01116,14RCHZGX00862)

作者簡介：齊春輝(1991-),女,河北唐山人,碩士生;丁承君(1973-),男,通信作者,河北館陶人,教授,碩士,博士生導師,主要研究方向為移動機器人智能控制和嵌入式計算機系統.

收稿日期：2016-01-24

文章編號：1672-6871(2016)05-0029-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.007

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A