IEEE 802.15.4 MAC协议能耗与时延均衡的GTS调度新算法设计*

李 明 ，周四清 ，2

（1.暨南大学，信息科学技术学院，广东 广州 510632；2.暨南大学，经济学院，广东 广州 510632)

随着通信技术的飞速发展，人们对无线移动通信尤其是短距离无线移动通信的需求日益增多。为满足用户对低速率、低成本、低能耗的短距离无线通信需求，2003年5月，IEEE 802.15.4工作组正式发布了针对低速率无线个人区域网LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Network)的物理层(PHY)和媒体接入控制(MAC)的IEEE 802.15.4规范[1]。2004年，ZigBee联盟组织采纳了IEEE 802.15.4标准，为无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)等LR-WPAN奠定了良好的应用基础，从而为相关高新技术产业的发展提供了新契机。

WSN起源于20世纪90年代末，并在21世纪得到迅速发展，在国防军事、环境监测、医疗卫生、智能家居、抗灾救险和交通领域等人类生活的各方面发挥着重要作用。例如，美国加州大学伯克利分校Intel实验室和数据，重复传输2次，仿真运行20次。

表1 部分仿真参数

表2 节点的业务量和时延期限

图4 仿真场景图

本文采用3个参数对该GTS调度算法的性能进行评价：

(2)最大时延差LMAX=(实际时延-时延期限)

(3)设备节点的剩余能量 E剩，并与 IEEE 802.15.4的先来先服务 (FCFS)GTS分配机制的性能进行比较，其结果分别如图5、图 6、图7所示。

图5 时延期限满足率(TDR)

图6 最大时延差(LMAX)

由图5可知，TDP调度算法的TDR为100%，而FCFS的 TDR比较低，TDP、GTS分配机制调度算法的TDR比FCFS分配机制调度算法的TDR要高。这是因为TDP调度算法优先考虑了时延要求，在满足时延要求的情况下再进行GTS分配，而FCFS没有考虑这一点。由图6可知，采用TDP调度算法，节点能在规定时延范围内完成传输，而在FCFS则不能。这是因为TDP优先为时延期限小的节点分配GTS，且以节点最小时延期限为系统最大延迟，且每到1个节点传输完成时，重新进行调度，而FCFS没有进行调度。由图7可知，在TDP下，节点的剩余能量比 FCFS偏多一些，是因为TDP调度算法在满足时隙要求情况下，调节占空比，使占空比最低，适当增加了节点的休眠时间，而FCFS调度没有考虑能耗问题。

图7 设备节点剩余能量

本文在分析IEEE 802.15.4协议GTS分配机制基础上，提出了一种新的TDP调度算法。该调度算法对时延期限小的节点优先进行GTS分配且在满足其时延要求的情况下，根据业务量调节超帧结构中的SO和BO，使设备节点能耗降到最低，实现设备能耗与时延的相对均衡，为促进无线传感网络在实时系统的应用具有参考意义。但目前该调度算法只适合于星状网络结构，使其适合其他网络拓扑结构仍需要进一步研究。

[1]IEEE 802.15.4 Standard-2003.Part 15.4：wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks(LR-WPANs).IEEE-SA Standards Board，2003.

[2]蒋挺，成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[3]KOUBAA A，ALVES M.Energy and delay trade-off of the GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4 for wireless sensornetworks[J].International Journal ofCommunication Systems，2007(20)：791-808.

[4]PARDEEP K，MESUT G.Enhancing IEEE 802.15.4 for low-latency， bandwidth， and energy critical WSN applications[C].ICET 2008.4th International Conference on E-merging Technologies， 2008：146-151.

[5]徐雷鸣，庞博.NS与网络模拟[M].北京：人民邮电出版社，2003.