IEEE 802.15.4無線傳感器網絡性能分析

AbdulaZiz

摘要：近年來，傳感器技術和無線通信技術的進步促進了無線傳感器網絡的出現和發展，無線傳感器網絡廣泛應用于軍事、環境監測、農業、工業控制等領域。IEEE 802.15.4標準由于其低速、低功耗、短傳輸距離和簡單架構的特點，已成為無線傳感器網絡的流行媒體訪問控制層和物理層標準。該文對使用IEEE 802.15.4協議的大規模無線傳感器網絡的性能進行分析。

關鍵詞：無線傳感器網絡;lEEE 802.15.4;網絡性能

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）34-0020-03

隨著通信技術，嵌入式計算技術和微傳感器加工技術的快速發展，許多具有計算和通信能力的傳感器可以通過無線模式相互連接，以完成特定的應用任務。由這些傳感器形成的無線傳感器網絡（WSN）引起了極大的關注。IEEE 802.15.4是這種網絡的主要協議，通過將兩者相結合來執行數據收集，處理和分析任務可以確定是否或何時需要用戶操作。

1 無線傳感器網絡

1.1 無線傳感器網絡的結構

在WSN中，監控環境中的傳感器節點通過多跳中繼將數據傳輸到匯聚節點。其規模相對較大，由幾個集群組成。在群集中選擇節點，所有節點構成匯聚節點的骨干網絡。集群中的節點將收集的數據發送到集群節點。節點通過骨干網絡將數據發送到匯聚節點。最后，整個區域的數據通過互聯網或衛星傳輸到遠程監控中心進行集中處理。典型的傳感器網絡架構包括分布式傳感器節點，聚合節點，互聯網和用戶界面。無線傳感器網絡中的大多數節點傳輸范圍小，匯聚節點傳輸能力強，功率大，處理能力強。

1.2 無線傳感器網絡的特性和應用

無線傳感器網絡很大，是自組織的，動態的和可靠的，它們被部署在人力資源不易訪問的地方。無線傳感器網絡在軍事，農業，環境檢測，智能家居，醫療等領域具有廣闊的應用前景。

1.3 IEEE 802.15.4標準

長期以來，對無線網絡技術的研究主要集中在高速和長距離，缺乏對低速無線網絡中的研究和應用。為滿足低成本設備（固定，便攜或移動設備）之間的低速傳輸，IEEE標準委員會于2000年12月正式批準并建立了IEEE 802.15.4工作組，其使命是開發低速無線通信標準，其具有以下特征：

（1）功耗低，實現簡單。這是該標準最重要的特性。該標準引入多種節能機制，最重要的是“超幀模式”，允許設備在沒有數據傳輸的情況下進入休眠狀態。

（2）成本低。該標準的設備成本，安裝成本和維護成本較低。器件可在標準電池供電條件下工作，無須充電。該標準內部可配置，降低維護費用。

（3）單個網絡能容納節點密度更高。ZigBee通過使用該標準的物理層和媒體訪問控制層支持幾乎任意數量的設備，這對于大規模傳感器陣列和控制尤其重要。

（4）協議簡單而國際化。ZigBee協議棧平均只有藍牙或其他標準的1/4，這種簡化對于低成本，互操作性和可維護性非常重要。

2 lEEE 802.15.4標準的基本問題

2.1 網絡組成及其拓撲結構

使用IEEE 802.15.4標準的無線個人網絡（AN）可分為兩種類型。一是簡化的功能設備（RFD）。其功能相對簡單，只能與相關的Ff進行通信。另一種是具有數據傳輸，接收，數據采集和外部通信的全功能設備（FFD）。其至少有一個FFD作為PAN協調器。每個PAN都有一個唯一的PAN標識符。

LR.WPAN可以工作在兩種拓撲中：星型或點對點網絡拓撲，如圖1所示。在星型網絡中，有一個FFD作為PAN協調器。點對點網絡還具有網絡協調器。該網絡中的所有設備都可以與信號輻射范圍內的設備通信.這使得點對點網絡拓撲更加復雜。

2.2 堆棧的結構

IEEE 802.15.4標準定義了物理層和MAC子層，它符合開放系統互連模型（OSI）。物理層包括射頻收發器和底層控制模塊。MAC子層提供了一個高級訪問物理信道的接口。協議結構如圖3所示。

2.3 協議功能概述

LR-WPAN的功能，主要包括超幀結構，數據傳輸模型，數據幀結構，可靠的數據傳輸機制，低功耗和安全問題。

超幀結構是核心部分，實現IEEE 802.15.4標準的基礎。在該結構中傳輸MAC層的所有幀。當執行信道競爭訪問時，網絡中的節點還在該幀中執行競爭訪問時段（CAP）。當節點以非競爭方式進入信息傳輸時，它可以在非競爭訪問時段（CFP）中完成它。在這種情況下，需要提前分配和保留GTS。當節點爭用該信道時，應用CSMA/CA算法。根據網絡是否使用信標，該算法被劃分為具有時隙的算法和無時隙算法。

3 基于集群的lEEE 802.15.4無線傳感器網絡性能分析

在分析網絡性能時，建立了三種模型：競爭模型（CSMA算法的模擬），MAC層模型和節點模型。這三個模型可以組合在一起形成一致的參數。

3.1 競爭模型

競爭模型用于分析CSMA/CA機制，包括退避時間，沖突和重傳。為了簡化計算，在超幀結構中，不考慮非競爭時期的影響。因此，競爭訪問期（CAP）將在分析中發揮重要作用。

3.2 MAC層模型

MAC層模型用于分析發送和接收數據幀，確認幀，信標幀和網絡掃描所需的能量和時間。在IEEE 802.15.4標準中，一幀傳輸包括退避時間和實際用于傳輸數據的時間。我們將短幀和長幀分開來分析它們的時間和能量。首先，短幀傳輸包括退避時間是睡眠到空轉換時間、每次傳送所需的總退避時間、空轉發送轉換時間、短幀長度與數據傳輸速率的比率四個部分的總和。然后，獲得確認幀的傳輸能量，接收和發送的轉換能量、確認過程的能量、等待確認過程的能量三個部分的總和。

3.3 分析結果

我們對網絡中設備和協調器實現的功耗，吞吐量和有效吞吐量進行分析。

3.3.1 設備功耗

通常，由于接收的信標幀和發送的數據幀的能量隨著信標之間的間隔而減小;信標幀發送間隔的增加，網絡掃描能量消耗顯著增加。網絡掃描的能量消耗與信標周期成比例。BO=10與B0=8相較，設備的功耗更大。S0值較小也會導致設備功耗增大，因為這增加了沖突和重傳的可能性。

3.3.2 協調器功耗

在設備的功耗分析中，我們獲得了3小時的網絡掃描間隔。在低數據速率下，協調器的功耗可降至200μW。在典型應用中，協調器的功耗在1到10 mW之間。

3.3.3 有效吞吐量

網絡所需的吞吐量數據是傳輸的間隔，信標幀的間隔，以及通過協調器傳輸數據節點數量的總和。吞吐量是上行鏈路數據傳輸間隔和網絡深度的函數。

有效吞吐量等于吞吐量和成功傳輸的概率的乘積。對于不同長度（S0）的CAP，有效吞吐量占吞吐量的百分比如圖7所示。

結果顯示，當有效吞吐量小于每超幀200比特時，可以實現大約90%的傳輸成功率。當S0從0變為2時，每個信標周期的最大有效吞吐量為302，545和897比特。此時達到的有效吞吐量百分比在33%至55%之間。隨著吞吐量不斷增加，網絡中的沖突急劇增加，大大降低了有效吞吐量。增加S0將減少沖突并提高有效吞吐量。

網絡的能量效率是有效吞吐量除以協調器的功耗，協調器表示在一跳內成功發送一位數據所消耗的能量。網絡能效如圖8所示。

4 結論

本文首先闡述無線傳感器網絡的基本情況，其次研究具有大規模節點網絡結構，最后分析用于大規模集群樹網絡的IEEE 802.15.4標準的性能，建立了OPNET仿真場景，模擬了IEEE 802.15.4標準的有效吞吐量和功耗。將模擬結果與分析結果進行比較，以驗證分析結果的正確性。

參考文獻：

[1] Guowei Zhang， Laibo Zheng， Qi Cao， Ning Ying. Wireless adhoc network system Based on lEEE 802.15.4g[C]. Internation-al Conference on Cyberspace Technology （CCT 2014），2014.

[2] Jiamin ZHENG， Yu' an TAN， Qikun ZHANG.Xiaosong ZHANG，Liehuang ZHU， Quanxin ZHANG. Cross-cluster asymmetricgroup key agreement for wireless sensor networks[J]. ScienceChina（lnformation Sciences），2018（04）：226-228.

[3] Liugang Zheng. Research and Implementation of Wireless Per-sonal Area Network Based on lEEE 802.15.4[A]. InternationalInformatization and Engineering Associations. Atlantis Press，2015：5.

[4] Zhiwen Jiang. An enhanced CSMA/CA algorithm Based on col-lision avoidance after CCA deference in lEEE 802.15.4 forwireless sensor network[A]. Information Engineering ResearchInstitute. USA. Proceedings of 2014 International Conferenceon Communication Technology and System（ICCTS 2014）[C].ln-formation Engineering Research Institute. 2014：10.

[5] Baseri，M，Motamedi， Simulation study of packet length for im-proving throughput of IEEE 802.15.4 for image transmissionin WSNs[P].2013.

【通聯編輯：代影】

收稿日期：2019-08-16

作者簡介：Abdulaziz（1987-），碩士研究生，主要研究方向為通信與信息系統。