基于ZigBee的無線水信息監測系統中MAC協議研究

梁東坡,王 慧

(海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠 233012)

基于ZigBee的無線水信息監測系統中MAC協議研究

梁東坡,王 慧

(海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠 233012)

為了有效提高IEEE802.15.4 MAC協議的能量有效性，建立IEEE802.15.4時隙CSMA/CA的Markov分析模型，并且提出一種實時數據占空比自適應算法。利用NS2仿真軟件，分析了協議參數對能耗的影響，特別是根據提出的算法對網絡中節點的狀態進行判定，是否需要改變占空比。仿真結果表明，網絡性能獲得提升，節點能耗下降并跟理論分析結果較吻合。

IEEE802.15.4；實時數據占空比自適應算法；Markov分析模型

0 引言

ZigBee協議是一種近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率和低成本的無線通信技術[1-2]，它依據IEEE802.15.4標準[3-4]，協調數千個微小的傳感器之間的相互通信。IEEE802.15.4專為低速率無線傳感器網絡(WPAN)設計，它采用CSMA/CA機制，相比于很成熟的802.11[5]具有很高的能量有效性。在現在的生產、生活中，ZigBee正得到越來越廣泛運用[6]。

在水情監測系統中，由于傳感器節點本身供電有限，然而卻受地理環境或者其他氣候變化影響，因此更換電池不便，節點容易失效。空閑監聽、控制開銷、沖突和串音等是MAC能耗的幾個關鍵參數。近年來，有很多關于802.15.4的研究，文獻[7]提出增強時隙馬爾科夫鏈模型，文獻[8]提出動態占空比算法，提高網絡性能，文獻[9-11]提出了一種新信標使能的自適應算法。本文提出了實時數據占空比自適應算法，并建立在時隙CSMA/CA下的新馬爾科夫鏈模型，旨在MAC層降低節點能耗，延長其壽命。

1 IEEE802.15.4 MAC協議

本文討論的是信標使能下時隙CSMA/CA機制的星形網絡拓撲結構[12]。N個節點關聯一個協調器節點[13]。時隙CSMA/CA機制描述如圖1所示。

每個節點有3個很重要的參數：NB(執行發送任務的退避指數，初始值為0)；CW(競爭窗口長度，每次發送前設置為2，當發現信道忙時復位)；BE(退避指數)。首先，初始化NB和CW(NB=0，CW=2)，BE=2或者根據電池壽命擴展MAC屬性被初始化為BE=min(2，macMinBE)，其中macMinBE是定義的常數，默認值等于3。接著在[0，wi-1]內等概率隨機選擇一個數執行退避過程，監測信道，如果信道忙時，BE=min(BE+1，aMaxBE)，NB自動+1，此時如果NB>macMaxCSMABackoffs(試圖訪問信道的最大退避次數)，設備訪問信道失敗，否則設備進入下一個退避階段。如果信道被偵聽為空閑，CW自動遞減1，如果CW減為0，節點便可在下個可用時隙邊界發送數據。

圖1 時隙CSMA/CA機制描述

2 馬爾科夫模型

圖2 CSMA/CA的Markov模型

若CCA1發現信道被占用，s(t)加1，新的初始化退避值為p{i,k|i-1,0}=α/Wi,i∈(1,m),k∈(0,Wi-1)；

當CCA2監測信道忙的時候，s(t)加1，新的初始化退避值為p{i,k|i-1,-1}=β/Wi,i∈(1,m),k∈(0,Wi-1)；

若CCA2監測空閑，此時發送數據，s(t)返回0。一旦進入發送狀態，G時隙開始計數。一次發送后，如果還有數據需要發送，選擇初始退避值，否則會進入空閑狀態

這里，q1表示一次發送后沒有數據需要發送的概率。

當s(t)達到BE最大值，CCA1發現信道占用，則正在發送的數據將被取消，如果發送隊列不空，選擇新的退避值，否則進入空閑狀態

同上，s(t)達到BE最大值，CCA2監測結束，將開始新的退避周期，否則進入空閑狀態。

發送到空閑再到發送的概率可是表示為:

q2表示一個空閑周期沒有數據發送的概率，通過推導，在隨機選擇時隙下的CCA1和CCA2的概率為：

只有在CCA1與CCA2都監測信道空閑的時候，設備發送的概率為：

γ=(1-β)τ=(1-pm+1)b0,0；

為了降低能耗，本文在802.15.4中實現在隨機退避周期，節點不監聽信道。每個節點成功發送1 bit的平均能耗為：

為了獲得通信時能耗的分析公式，定義EX為發送數據時的平均能耗，ER為接收數據時的平均能耗，Eidle為空閑狀態的平均能耗，ECCA為CCA檢測的平均能耗，PCCA為執行CCA監測的概率，PX為節點發送數據的概率，PL為節點偵聽信道的概率，Pidle為空閑狀態概率，n為節點的數目。

根據Markov模型，可以得到：

可以看出，節點數目n以及一個數據成功發送的概率是節點能耗的關鍵因素。然而從幀結構分析，占空比對能量有效性起著至關重要的作用[15]。占空比(DC)=信標期間活躍時間長度(SD)/信標周期長度(BI)=2SO-BO。

3 實時數據占空比自適應算法

當DC占空比設置得比較低時，節點用于信道空閑偵聽、信道資源接入競爭、數據幀發送和接收等操作的超幀活躍期(AP)很小，而節點休眠于低功耗的非活躍期(IP)卻占很大一部分時間。節點的能耗與信息發送的時延存在著矛盾關系，如果DC設置得過低，會導致網絡端到端的時延很大。這是因為節點在休眠之前未完成包括其在休眠過程中新加等待處理的操作，都要延遲到下一個信標間隔周期方能開始。因此，如果周期內的IP時間過長，那么這種延遲將會很大。相反，如果DC設置得比較高，網絡的端到端時延性能將會得到改善，但是可能此時節點的大部分時間處在不必要的空閑偵聽狀態從而浪費大量寶貴的能量。因此，設置適當的DC值不僅對能耗很關鍵，同時還能平衡能耗與時延的關系。

對于一個節點，其在發送或接收信息模式能耗是處于休眠模式的幾十倍，所以可以在以下情況下考慮讓節點進入休眠模式：

① 當前CAP結束前，MAC成功地將待發數據幀傳輸至協調器；

② 當CSMA/CA算法參數NB(MAC為了發送數據幀而已嘗試退避的次數)達到協議要求的上限值，而MAC依然無法接入信道；

③ MAC估計出當前CAP剩余時隙不足以完成CSMA/CA傳輸數據幀所需的剩余步驟[4]。

因為以上原因，考慮水情監測數據的實時性，本文提出一種實時數據占空比自適應算法，為了調整占空比DC，保持BI不變，需要改變活躍周期。無論什么時候新數據到達消息序列，節點通過查看數據的延遲需要來檢查數據的緊要性，如果節點發現數據很緊要則調整活躍期使之能成功發送數據，然后通過一個管理數據表Tab，不管這個實時數據是否導致占空比的改變，保留發送的數據信息。這個管理表Tab用來指示終端節點的MAC狀態[16]。利用占空比緩沖和延遲隊列來設置。因為每個節點有個有限的隊列大小，占空比緩沖能有效防止數據包丟失。假設延遲隊列是指數據包從到達到發送。它暗示了節點是否在給定的活躍期經歷了競爭。

同時，節點準備將活躍期的調整向協調器發送請求。這個請求附加在下一幀中。這個請求信息包括數據隊列的數目以及實時數據需要的延時。收到請求信息的協調器，將請求信息保存在管理表并且通過一個確認幀反饋允許，這個允許信息包括一個允許比特與在請求信息中一樣的實時數據數目。收到確認幀的節點檢查協調器是否允許調整活躍期，如果允許，調整節點與協調器之間的活躍期。

這個調整通過節點與協調器的裁決開關時間(裁決開關時間指的是從活躍模式到非活躍模式的時間)。節點從活躍模式到休眠模式的狀態切換，也對節點的能耗有著顯著的影響，避免頻繁的狀態切換對降低能耗起著很大的作用[17]。

當滿足下面的情況，關閉活躍到非活躍模式：

① 每個節點的管理表沒有登記；② 在信標幀定義的活躍期已經過去。

條件①表示，消息隊列中已經沒有很緊要的信息需要開關活躍到非活躍模式。條件②表示，調整活躍周期的時間應該長于信標幀中預先定義的。因為消息隊列的條件不同，節點的調整活躍期可以不同。但是，從睡眠模式到活躍模式對所有節點都是相同的。

導致活躍周期改變的實時數據的條件是延遲邊界應該早于下一信標發送的時間，用函數表示為Ddeadline≤Tbeacon+aBaseSuperframeDuration×2BO，滿足等式的實時數據如果在下一信標幀到來前還沒發送出去，那么數據將被丟棄[8]。

4 仿真結果分析

為了驗證算法，進行仿真實驗。在仿真時，首先預設置參數值，數據幀載荷=100 Byte，比特率=250 KB/s，MAC頭部=13 Byte，PHY頭部=6 Byte，睡眠功率=144 nW，休閑功率=712 μW，發送功率=32.32 mW。設置好這些參數值后，針對功率消耗和吞吐率2個方面，分別進行仿真實驗。

4.1 功率消耗分析

本文的占空比DC由BO和SO共同決定，利用NS2仿真時取BO=6，SO=4，如圖3所示。從圖3中可以看出，單位節點平均消耗隨著節點數目增加而減小，那是因為節點數目增加，競爭接入的成功率下降了，多余的節點進入睡眠狀態。

圖3 節點數目與節點平均消耗關系對比

4.2 吞吐率分析

不同負載下的不同吞吐量如圖4所示。從圖4中可以看出，在6 ～7 kbps，網絡的吞吐量沒有增加，這是因為應用層的負載與MAC層的不一樣，應用層實際的負載增加，但MAC層的實際負載卻不會增加。

通過功率消耗和吞吐率仿真結果，可以明顯得出，本文所提出的算法使網絡性能獲得提升，節點能耗下降，且跟理論分析結果較吻合。

圖4 負載與吞吐量關系對比

5 結束語

在傳統算法802.15.4中所有節點的占空比都是一樣的，如果某些節點不需要調整占空比而被迫調整占空比，會增加額外的能耗，使節點能耗上升，不利于網絡性能的穩定。本文結合Markov模型提出的實時數據占空比自適應算法可以很好地解決這個問題，能夠靈活地調整需要調整節點的占空比，并且增強網絡吞吐量，降低丟包率和能耗，在很大程度上改善了無線水信息監控系統的性能，具有很好的應用價值，后續將對硬件實現進行研究。

[1] 李曉維.無線傳感器網絡技術[M].北京:北京理工大學出版社，2007.

[2] 張 雄，秦會斌，毛祥根，等.基于ZigBee技術的遠程家電控制系統[J].無線電通信技術，2015，41(6)：68-71.

[3] 姜智文，周 熙，佘 陽,等.IEEE802.15.4MAC協議研究現狀協議研究現狀[J].無線電通信技術，2013，39(5)：11-14.

[4] 陸 陽，方 梅，官駿鳴.非飽和態802.15.4網絡吞吐量建模分析[J].系統仿真學報，2010(4)：1 037-1 041.

[5] 巫 素，嚴 牧，馮 鋼，等.基于吞吐量比例公平的802.11MAC優化機制[J].無線電通信技術，2016，42(1)：12-17.

[6] 符凌峰，趙春宇，黃震宇，等.基于ZigBee技術的連棟溫室低功耗環境監測系統設計[J].傳感器與微系統，2016，35(8)：74-76，79.

[7] WEN Hao,LIN Chuang,CHEN Zhi-jia.An Improved Markov Model for IEEE 802.15.4 Slotted CSMA/CA Mechanism[J].Journal of Computer Science and Technology,2009,24(3):495-504.

[8] GAO Bo,HE Chen.An Individual Beacon Order Adaptation Algorithm for IEEE 802.15.4 Networks[C]∥IEEE International Conference on Communications Systems(ICCS 2008),2008:12-16.

[9] JEON Joseph,LEE Jong-wook,HA Jae-yeol,et al.DCA:Duty-cycle Adaptation Algorithm for IEEE 802.15.4 Beacon-enabled Networks[J].Vehicular Technology,Spr,2007:110-113.

[10] LIM Jae-han,JANG Byung-tae.Dynamic Duty Cycle Adaptation to Real-time Data in IEEE802.15.4 Based WSN[C]∥Consumer Communication and Networking Conference.Los Vegas,USA:IEEE,2008:353-357.

[11] IEEE Std 802.15.4,Part15.4:Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specication for Low Rate Wireless Personal AreaNetworks(LR-WPANs)[S].[12] 王 凱，徐展琦，肖永偉，等.無線認知開發平臺綜述[J].無線電通信技術，2016，42(2)：9-11.

[13] 張 瑩，滕 偉，韓維佳，等.認知無線電頻譜感知技術綜述[J].無線電通信技術，2015，41(3)：12-16.

[14] 鄧曉平，馬路娟.一種多速率水聲傳感器網絡協商機制[J].無線電通信技術，2015，41(1)：17-20.

[15] 任明明，謝志軍，金 光，等.傳感網絡中基于移動信標的網格掃描定位算法[J].無線電通信技術，2014，40(2)：4-6，59.

[16] 閆會芹，何加銘，鄭紫微，等.無線傳感器網絡模糊邏輯分簇路由協議[J].無線電通信技術，2013，39(6)：18-21.

[17] 李 昀，安珊珊，朱 崢.延長無線多跳自組織網絡生存周期的方法[J].無線電通信技術，2013，39(6)：22-24.

梁東坡 男，(1986—)，碩士，助理講師。主要研究方向：衛星通信。

王 慧 女，(1987—)，碩士，講師。主要研究方向：衛星通信。

The Study of the MAC Based on ZigBee Wireless Hydro-information Monitor System

LIANG Dong-po,WANG Hui

(BengbuNavalSchoolforNon-commissionedOfficers,BengbuAnhui233012,China)

To improve the energy-efficiency of IEEE802.15.4 MAC,a Markov-based analytical model is set for IEEE802.15.4 slotted CSMA/CA.And a duty cycle adaptation to real-time data algorithm is proposed.The impact of protocol parameters is analyzed by NS2.Moreover,the need to change the Duty Cycle is discussed by determining the state of node based on the proposed algorithm.It is showed that the network performance could be improved.And the decrease of the energy consumption also matches with the simulations.

IEEE802.15.4;duty cycle adaptation to real-time data algorithm;Markov-based analytical model

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.02

梁東坡,王 慧.基于ZigBee的無線水信息監測系統中MAC協議研究[J].無線電工程,2017,47(5):6-9,36.[LIANG Dongpo,WANG Hui.The Study of the MAC Based on ZigBee Wireless Hydro-information Monitor System[J].Radio Engineering,2017,47(5):6-9,36.]

2017-02-07

TP30

A

1003-3106(2017)05-0006-04