簇树网络单信标周期调度机制研究

陈建明， 王亭岭

（华北水利水电学院，河南 郑州 450011）

0 引言

IEEE 802.15.4工作组和ZigBee联盟已经完成了低速率无线个人局域网（LR-WPANs ）标准协议栈的规范制定[1]。它被认为是一项普遍的解决方案，是低成本、低功耗无线连接的监测和控制设备[2-3]。ZigBee最重要的技术特点是提供低功耗和实时的保障。无论是在信标使能（同步）模式或在非信标使能（非同步）模式，这些功能的实现通常依赖于配置的介质访问控制（MAC）子层。信标使能模式依靠保证时隙（GTS）机制提供了实时保障的手段，这对于时间敏感的无线传感器网络应用，是一个非常重要的功能。值得注意，无线传感器网络在能源和/或有延迟要求领域的应用，必须设定为信标使能模式运行[4]。

1 IEEE 802.15.4/Zigbee协议概述

IEEE802.15.4MAC协议可以通过个人局域网PAN协调器来支持两种运行模式。在信标使能模式中，PAN协调器周期性地发送信标帧，以识别其无线个域网和同步与它连接的节点。这样做的时候，超帧结构（见图 1）的定义是：①信标间隔（BI）定义为两相邻信标间的时间；②超帧时间（SD），它定义了BI的活动的部分，分为16个同样大小的时隙，在这期间内允许帧的传输。同时，如果BISD＞，将定义一个非活动时间。在非活动时间（如果存在），所有节点可进入休眠模式以节约能源。

BI和SD由两个参数决定，信标阶数(BO)和超帧阶数(SO)，分别表示如下：

aBaseSuperframeDuration = 1 5.36 m s （设在2.4 GHz频段中为250 kb/s）指最小超帧时间，对应 S O= 0 。

在超帧SD中，节点在竞争期（CAP）采用时隙CSMA/CA竞争介质访问权。对于时间敏感的应用，IEEE 802.15.4标准在SD内，通过分配保证时隙（GTS）定义了一个免竞争期（CFP）。

从图1可以很容易地看到，对应于信标阶数，设定较小的超帧阶数可以获得低占空比配置，带来较长的休眠（非激活期）期。

图1 超帧结构

靠 PAN协调器发送周期信标帧来获得同步的好处是，所有节点在同一时间唤醒和进入睡眠模式。然而，在多协调器发送信标帧的簇树网络中，每一个协调器都有自己的信标间隔，使用这种同步方案依然存在信标碰撞的棘手问题。

2 簇树结构网络模型

参考图2所示的簇树网络模型。整个网络由唯一的PAN协调器（或ZigBee协调器-ZC）来确定。PAN协调器允许其他特殊节点，如ZigBee路由器（ZR）或协调器，发送周期信标帧以同步他们周围的节点。

图2 簇树拓扑模型

很明显，在发送周期信标帧时，若时间上未经过特殊安排处理，当节点处在多个协调器重叠的传输范围时，在这些节点上将发生信标帧碰撞。15.4b工作组[5]定义了两种类型的碰撞：①直接信标帧碰撞；②间接信标帧碰撞。

3 单信标周期法信标调度机制

在此方法中，时间窗口，作为单一信标周期，以自由竞争方式，在超帧起始时刻发送信标[6]，如图3所示。各协调器通过选择自由竞争时隙(CFTS)来确定发送时间偏移量，以避免与邻居信标帧碰撞。这种方法较前一种的优点是，不同簇在同一时刻进入激活期，因此临近节点间可直接通信，且无占空比要求。

图3 单信标周期法

图 2所示，N个协调器 { ZRi=（SDi, BIi） }1≤i≤N组成的IEEE 802.15.4/Zigbee无限个人居于网（WPANs），按照一定的超帧阶数 S Oi和信标阶数 B Oi产生周期信标帧。 S Di和BIi分别表示第i个协调器 Z Ri的超帧持续时间和信标间隔，设超帧结构以信标单周期开始。

这种方法的复杂性在于，针对特定的网络拓扑结构信标单周期时间的计算。该时间取决于网络的节点数、父子关系以及各协调器对CFTS的分配机制。

3.1 问题描述

问题是如何计算信标单周期和在信标单周期中如何调度信标帧的传输。

3.2 分配一个自由竞争时隙

参见文献[5]，15.4b工作组已提出协调器选择自由竞争时隙（CFTS）应满足以下规则：

规则1 Ci协调器CFTS必须不同于其父协调器CFTS。

规则 2 Ci协调器 CFTS必须不同于邻居的父协调器CFTS。

很明显，规则1～2协调所使用的CFTS不可再用于其子协调器和邻居协调器。因此，其没有完全消除信号帧碰撞的问题，因为简单节点在其父协调器的CFTS内没有任何手段来通知其他协调器。所以，当其父与另一个协调器使用同一个CFTS时，在简单节点处有可能发生信标帧碰撞。

为了避免这个问题，修改规则2为：

规则2'Ci协调器CFTS必须不同于所有邻居（包含协调器和简单节点）的父CFTS。

对于没有父子关系的情况下完全避免直接信标碰撞，提出以下新的规则：

规则 3 Ci协调器 CFTS必须不同于其邻居协调器CFTSs。

显然，规则3涵盖了某些规则2′所未涉及的情况，例如图4 中设想的例子。事实上，图4中想象的节点N31并不存在；根据规则2'，C3和C4协调器可以使用相同的CFTS。现在，如果节点N31加入网络而C3和C4已经使用了同样的 CFTS，由于直接信标碰撞，它将既无法联系协调器 C3也无法联系协调器 C4。因此，规则 3规定，直接邻居协调器不能使用相同的CFTS，为了避免这种情况。

图4 避免直接信标碰撞的规则3说明

[5]中没有涉及的另一个重要的问题是，分级同步。实际上，请注意，规则1和规则2允许两个位于不同深度的协调器都具有相同的CFTS。为了说明问题，对应图4的网络，考察图5中CFTS分配的例子。

可以看到协调器 C0和 C7分配相同CFTS（CFTS0），C7的父协调器C3分配CFTS3 。在这种情况下，可以想象，C3协调器无条件的停止发送信标帧，对应该CFTS的安排协调器C7先于C3发送信标，因此，C7的子协调器将被同步（此时C7未被同步）。由于C3本次发送信标失败，则C7将不会同步而成为孤儿，但此时它的子节点已获同步。

这种情况下，重要的是要限制不同深度的协调器共享相同的CFTS。换言之，在信标单周期法中，父协调器CFTS必须先于其后的所有子协调器CFTS。在接收到父协调器信标帧确认是同一个同步WPAN之前，协调器不能发送信标帧。

4 结语

针对IEEE 802.15.4/Zigbee簇树网络对标准做了改进，提出了信标碰撞避免调度机制。提出了超帧时序调度算法，它依据超帧阶数和信标阶数，以非重叠的方式有效的组织不同协调器的超帧时序。同时指出，这种方法可以通过组群加以改进，但会带来实施复杂性的增加。接下来讨论了关于信标单周期CFTS安排机制的规范和尺度计算。

参考文献

[1] ZHENG J, MYUNG J L. Will IEEE 802.15.4 Make Ubiquitous Networking a Reality?-- A Discussion on a Potential Low Power,Low Bit Rate Standard[J]. IEEE Communications Magazine,2004,42(06)：140-146.

[2] ADAMS J. Building Low Power into Wireless Sensor Networks Using ZigBee Technology[C]. USA：Sensors Expo Chicago, 2005：26-30.

[3] 刘希若，袁康敏，李院民. 无线传感器网络新型MAC协议研究[J].通信技术,2008，41(08)：160-165.

[4] KOUBAA A, ALVES M, TOVAR E. GTS Allocation Analysis in IEEE 802.15.4 for Real-Time Wireless Sensor Networks[C]. USA：IEEE,2006：25-29.

[5] The Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE 802.15 WPAN™ Task Group 4b (TG4b) [DB/OL]. (2008-02-19).[2009-04-22]http：//grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/TG4b.html.

[6] JOEN H I, KIM Y. BOP (beacon-only period) and Beacon Scheduling for MEU (mesh-enabled USN) Devices[J].9th International Conference on Advanced Communication Technology, 2007(02)：1139-1142.