IEEE802.15.4协议GTS算法性能研究

姜智文,周 熙,李广位,黄 磊

(重庆通信学院,重庆400035)

IEEE802.15.4协议GTS算法性能研究

姜智文,周 熙,李广位,黄 磊

(重庆通信学院,重庆400035)

简单介绍了IEEE802.15.4标准中特有的GTS算法。基于OPNET仿真平台,设计了不同网络环境下的仿真实验。研究了超帧参数SO、数据到达率和IFS参数对GTS吞吐量、耗费带宽以及分组介质接入时延的影响。结果表明,对于高数据到达率时,低SO值和SIFS时,实现了GTS分配的最大化利用以及最小介质接入时延;高SO值和LIFS时,既没有保障GTS分配的最大化利用,反而还加大了分组介质接入时延,不适合时间敏感性强的无线传感器网络。

吞吐量 带宽利用率 介质接入时延 GTS算法 IEEE802.15.4

0 引 言

IEEE802.15.4标准[1-2]是一种针对低速率、低能耗和低成本的无线个域网(WPAN,Wireless Personal Area Network)而设计的无线通信协议。IEEE802.15.4标准能够灵活地、广泛地应用于众多环境,这都是得益于对其参数的合理调整。由于IEEE802.15.4标准采用保障时隙(GTS,Guaranteed Time Slot)媒体接入控制机制来提供实时保障传输,这就使得IEEE802.15.4标准能够支持实时性很强的无线传感器网络(Wireless Sensor Network)[3]。在许多高危险性的环境里,保障信息的传输甚至比节约能耗更加重要。

1 相关研究工作

从分配的角度来看,GTS分配的概念类似于时分多址接入(TDMA,Time Division Multiplex Access)时隙分配。预留的带宽被周期性地分给指定的数据流。然而,IEEE802.15.4GTS机制相比于TDMA来说更加灵活,因为它可以动态地调整超帧的参数来满足不同的应用环境需求。目前,研究人员已针对其灵活的参数设置做了大量的研究工作。在文献[4]中,提出了采用自适应GTS分配分配方案(AGA,Adaptive GTS Allocation scheme)算法,在AGA算法中,针对节点近期的GTS使用情况,PAN主控节点为节点分配不同的优先级来进行资源调度。在文献[5-7]中,采用数学方法评估了GTS算法的时延性能,并证明了调度算法的可预测性。在文献[7]中,提出了能量高效的超帧参数选择方法来满足实时业务的时延要求。在文献[8]中,提出了一个简单和高效的16-mTS算法,在该算法中, CFP期间被划分为16个微时隙,该算法优先为时间敏感的应用提供GTS分配。在文献[9]中,作者提出了准确的OPNET仿真模型,主要关注了GTS分配的最大吞吐量以及最小帧时延等性能,文中的研究主要是基于此而展开的。

2 GTS算法概述

IEEE802.15.4标准定义了物理层和媒体接入控制(MAC,Medium Access Control)层。文中采用理想的物理层环境,频段范围为2400～2483.5 MHz,传输速率为250 kb/s,调试方式为O-QPSK。

MAC层是主要是用来规范信道访问的方式,支持信标使能和非信标使能两种运行模式,运行模式的选取是由网络中的中心控制节点所控制的,叫做主控(PAN协调器,PAN Coordinator)。在信标使能模式中,保障时隙仅由PAN主控节点分配给想要传输实时数据或者数据请求带宽预留的设备。

在信标使能模式中,引入了超帧结构(如图1所示)。超帧以PAN协调器发出的信标(以图1中第一个时隙)为开始,由活跃期和非活跃期两个部分组成。在活跃期,PAN中的设备进行通信,完成数据传输;在非活跃期,PAN中的设备停止通信,进入休眠状态以达到节省能量的目的。

图1 超帧结构Fig.1 Structure of superframe

超帧的结构由两个参数确定,信标参数BO (Beacon Order)和超帧参数SO(Superframe Order), BO决定超帧的长度,SO决定一帧中活跃期的长度, BO和SO满足0≤SO≤BO≤14。超帧长度BI和超帧活跃期长度SD由式(1)、式(2)确定:

BI=aBaseSuperframeDuration×2BO(1)

SD=aBaseSuperframeDuration×2SO(2)

当BO=0时,定义了一个超帧的最短长度。该标准定义最短长度为960symbols(假设在2.4 GHz附近频段和250 kb/s传输数率下,1个Symbol相当于4 bits)。超帧的工作周期(也称为占空比)定义为: DC=SD/BI。显然,由式(1)、式(2)可知,占空比与SO和BO的取值相关。

超帧的活跃期划分为三个时段:信标发送时段、竞争访问时段(CAP,Contention Access Period)和非竞争访问时段(CFP,Contention Free Period)。活跃期被划分为16个等长的时隙,在超帧的CAP时段,节点采用时隙CSMA/CA机制接入信道。在CFP时段,PAN主控节点以先来先服务(FCFS)的方式分配各节点预约的保障时隙GTS。保障时隙用于保障业务数据的实时传输,每个超帧最多支持7个保障时隙。

PAN主控节点负责GTS的分配工作,要么作为其初始的结果,要么取决于来自终端设备的请求。根据接收一个GTS分配的请求,PAN主控节点检查是否有足够的资源如果有,分配请求GTS。一个超帧最多支持7个GTS,每个GTS可以包括一个或更多的时隙。一个GTS只用于从设备到PAN主控节点(传输方向)或者从PAN主控节点向设备(接收方向)传输消息。在传输方向或者接收方向,每个设备可以请求一个GTS。GTS的分配不能低于最小CAP的长度,即aMinCAPLength(440symbols)。另外,一个已经分配了GTS的设备也可以在CAP期间进行传输。在非活跃期的时段里,各个设备可以进入低能耗模式来节省能量。

3 仿真方案设计

3.1 仿真模型

OPNET Modeler是当前业界领先的网络技术开发环境,以其高度的灵活性应用于设计和研究通信网络、设备和协议。文中的仿真模型是基于Petr Jurcik等人提出的针对IEEE802.15.4协议GTS机制的OPNET仿真模型[10](如图2所示),该仿真模型是目前能够最准确地反映IEEE802.15.4协议相关性能的仿真模型。但是,该仿真模型当前仅支持星形拓扑结构,因此,在终端设备和PAN主控节点之间只能满足单跳的通信方式。

图2 IEEE802.15.4的OPNET仿真模型Fig.2 OPNET simulation model of IEEE802.15.4

仿真模型主要由应用层、MAC层、物理层以及电源模块四部分组成。应用层由Traffic Source和GTS Traffic Source和Sink进程模块构成,在CAP期间Traffic Source生成非确认和确认的数据帧并且采用时隙CSMA/CA,而GTS Traffic Source使用GTS原理产生非确认和确认的实时数据帧,Traffic Sink接受来自低层的帧并且完成网络数据的统计。

该仿真模型中还定义了GTS中一些重要的用户自定义属性。用户自定义的属性值GTS Permit, PAN主控节点可以接收或拒绝来自终端设备GTS分配请求。当GTS分配和释放请求发送给PAN协调点时,设备可以指定时间(Start Time和Stop Time属性)。分配请求也包括请求时隙的数量GTS Length属性和方向(传输或接收)GTS Direction。

当请求GTS分配给指定设备时,其应用层开始形成数据块(以下称为帧负载)与MAC帧负载一致(也就是MAC业务数据单元(MSDU))。这种帧负载的大小由MSDU Size属性的概率分配函数所规定。概率分配函数在MSDU Interarrival Time属性里规定,在两个连续的帧负载之间定义inter-arrival时间。帧负载覆盖在MAC报头里以帧形式存储在规定容量的缓存内(Buffer Capacity属性)。

MAC报头的默认值是104 bits,因此仅有16 bits的短地址用于通信[1]。全部帧的最大允许分配值(也就是帧负载加上MAC报头)等于aMaxPHYP-acketSize(1016)bits。形成的帧超过了缓冲分配的范围时将予以抛弃。当请求的GTS被激活时,帧将被从缓存内删除,覆盖在物理层报头处并且以一个an outgoing data rate等于物理数据率WPAN_DATA_ RATE(250 kb/s)的输出数据率分配给网络。

3.2 仿真设置

为了更准确的地反映GTS机制的性能,文中设置了2个节点,一个PAN主控节点和一个设备节点,这样就避免了媒体接入竞争对GTS的影响,确保了仿真结果的准确性。这里假设在每个超帧内仅有一个GTS的时隙分配,并且满足100%的占空比(SO=BO)。确认帧和非确认帧均可以在GTS期间传输,但在文中,由于采用广播方式传播,所以只有非确认帧的传输,而没有确认帧的传输。缓存容量为2 kbits,仿真场景范围为100 m×100 m。

连续的帧被帧间间隔(IFS,Inter Frame Spacing)时段所分隔。对于帧长度小于aMAXSIFSFrameSize(144 bits)[1],IFS等于一个48 bits的较短帧帧间隔(SIFS,Short Inter-Frame Spacing)。对于帧长度大于aMAXSIFSFrameSize并且小于aMax-PHYPacketSize(1 016 bits),IFS等于160 bits的较长帧帧间隔(LIFS,Long Inter-Frame Spacing)。如果在GTS结束之前整个传输(包括帧,IFS,确认和请求)能够完成,那么对于一个分配了GTS的设备只能传输一个帧,否则其必须等待下一个GTS。

为了探究IFS对于GTS吞吐量、耗费带宽以及分组介质接入时延的影响,帧负载大小设置为40 bits或41 bits。这是因为在帧负载小于或等于40 bits时(帧大小=144 bits),使用SIFS(48 bits);在帧负载大小大于或等于41 bits时,使用LIFS (160 bits)。在帧负载中的一个bit的变化将会在IFS中引起112个额外的bits。还设置了不同的数据到达率,定义为式(3)。

4 仿真结果及分析

通过改变网络中的参数值,设置了不同的网络场景。对于不同的SO(这里仅考虑0～7)、IFS和不同的数据到达率,这里仿真和比较了在一个时隙的GTS里的吞吐量、耗费带宽以及分组介质接入时延等性能。图3为在不同的SO值(占空比均为1),两种帧负载(40 bits和41 bits)的条件下,节点的GTS吞吐量的仿真结果。

图3 不同SO值下的GTS吞吐量的变化曲线Fig.3 Throughput curves of GTS with different SO values

由图3可知,数据到达率为5 kb/s时的GTS吞吐量仅为其他情况下的一半左右,这主要是因为,数据到达率为5 kb/s的时候,每28.8 ms就会形成一个帧负载,当SO=0时,一个超帧的时间是15.36 ms,也就是说,每两个超帧中就会有一个可用帧存在缓存中,因此其GTS吞吐量就为其他情况下的一半左右;而对于帧负载等于41 bits的情况下,SO=0时,其GTS吞吐量也为0,这是由于在GTS结束之前,帧的传输并没有完成所导致。对于数据到达率较大的情况下,GTS吞吐量基本保持相同的状态,峰值也基本相同;而在SO=7时,整个网络超出了缓存能力,网络抛弃了所有帧,GTS吞吐量为0。比较具有相同数据到达率和不同帧负载的条件下的GTS吞吐量可知,使用SIFS的情况下的GTS吞吐量要比使用LIFS时表现得更优越。GTS吞吐量的峰值是出现在SO取值为2～4的条件下,可见在较低的SO取值情况下,GTS吞吐量达到了最大值。

图4为在不同的SO值(占空比为1),两种帧负载(40 bits和41 bits)的条件下,节点因IFS所导致的耗费带宽的仿真结果。由图可知,数据到达率为5 kb/s的耗费带宽为其他情况下近一倍左右,而对于帧负载等于41 bits的情况下,SO=0时,其耗费带宽也为0,这个原因与造成吞吐量的减半是相同的,这里不再赘述。对于数据到达率较大的情况下,耗费带宽基本保持相同的状态,最小值也基本相同;而在SO=7时,整个网络超出了缓存能力,网络抛弃了所有帧,耗费带宽为0。比较具有相同数据到达率和不同帧负载的条件下的耗费带宽可知,使用SIFS的情况下的GTS吞吐量要比使用LIFS优越很多,因为其具有更高的带宽利用率。耗费带宽的最小值是出现在SO取值为2～4的条件下,可见在较低的SO取值情况下,对网络带宽的利用率是最优的。

图4 不同SO值下的耗费带宽的变化曲线Fig.4 Curves of bandwidth utilization with different SO values

图5为在不同的SO值(占空比为1),两种帧负载(40 bits和41 bits)的条件下,节点分组介质接入时延的仿真结果。观察可知,对于数据到达率比较高的条件下(40～120 kb/s),分组介质接入时延并不受数据到达率的影响,介质接入时延最低是在低SO值时实现的。在SO值等于6的时候,介质接入时延会有一个明显的增加,这是应为所有存储在缓存里的帧都在一个GTS时段内传输,介质接入时延也就会随之增加,而在SO=7时,整个网络超出了缓存能力,网络抛弃了所有帧,故而介质接入时延为0。比较具有相同数据到达率和不同帧负载的条件下的介质接入时延可知,在使用SIFS的情况下的该机制的接入时延性能要比使用LIFS时好很多,因为其具有更低的分组介质接入时延。

图5 不同SO值下的介质接入时延的变化曲线Fig.5 Curves of packet medium access delay with different SO values

5 结 语

简单介绍了IEEE802.15.4标准特有的GTS算法。基于OPNET仿真平台,设计了不同网络环境下的仿真实验。研究了SO值、数据到达率和IFS参数对GTS吞吐量、耗费带宽以及分组介质接入时延的影响。结果表明,在SO值为2～4时,实现了GTS分配的最大化利用;在SO=2的时候是最适合提供实时保障业务的,因为其实现了GTS帧的最小介质接入时延;相反,高SO值既没有保障GTS分配的最大化利用,也没有降低介质接入时延,并不适合时间敏感性强的无线传感器网络。

[1]IEEE 802.15.4.Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(LRWPANs)[S].Revision of IEEE Std 802.15.4-2006, New York:IEEE,2006:1-25.

[2]KOUBÂA A,ALVES M,TOVAR E.IEEE 802.15.4 for Wireless Sensor Networks:a Technical Overview[J].IPP -HURRAY Technical Report(TR-050702),2005:1-18.

[3]郑丹玲,董宏成.无线传感器网络与其关键技术[J].通信技术,2008,41(08):179-180.

ZHENG Dan-ling,DONG Hong-cheng.Wireless Sensor Network and Its Key Technology[J].Communications Technology,2008,41(08):179-180.

[4]HUANG Y K,PANG A C,KUO T W.AGA:Adaptive GTS allocation with Low Latency and Fairness Considerations for IEEE 802.15.4[C]//Communications,2006. ICC'06.IEEE International Conference on.Istanbul: IEEE,2006:3929-3934.

[5]KOUBÂA A,ALVES M,TOVAR E.GTS Allocation A-nalysis in IEEE 802.15.4 for Real-time Wireless Sensor Networks[C]//Parallel and Distributed Processing Symposium,2006.IPDPS 2006.20th International.Rhodes Island:IEEE,2006:158.

[6]KOUBÂA A,ALVES M,TOVAR E.i-GAME:an Implicit GTS Allocation Mechanism in IEEE 802.15.4 for Time-sensitive Wireless Sensor Networks[C]//Real-Time Systems,2006.18th Euromicro Conference on. Dresden:IEEE,2006:192.

[7]KOUBÂA A,ALVES M,TOVAR E.Energy and Delay Trade-off of the GTS Allocation Mechanism in IEEE 802. 15.4 for Wireless Sensor Networks[J].International Journal of Communication Systems,2007,20(07):791-808.

[8]CHENG L,BOURGEOIS A G,ZHANG X.A New GTS Allocation Scheme for IEEE 802.15.4 Networks with Improved Bandwidth Utilization[C]//Communications and Information Technologies 2007.ISCIT'07.International Symposium on Sydney.NSW:IEEE,2007:1143-1148.

[9]JURCIK P,KOUBÂA A,ALVES M,et al.A Simulation Model for the IEEE 802.15.4 Protocol:Delay/Throughput Evaluation of the GTS Mechanism[C]//Modeling,A-nalysis,and Simulation of Computer and Telecommunication Systems,2007.MASCOTS'07.15th International Symposium on.Istanbul:IEEE,2007:109-116.

[10]JURĈíK P,KOUBÂA A.The IEEE 802.15.4 OPNET Simulation Model:Reference Guide v2.0[J].IPPHURRAY Technical Report,HURRAY-TR-070509, 2007(05):1-13.

姜智文(1988—),男,硕士研究生,主要研究方向为无线传感器网络;

JIANG Zhi-wen(1988-),male,graduate student in Chongqing Institute of Communication,mainly engaged in wireless sensor networks.

周 熙(1972—),男,博士,硕士生导师,教授,主要研究方向为无线网络;

ZHOU Xi(1972-),male,Ph.D.,master tutor,professor,mainly working at wireless network.

李广位(1963—),男,硕士,教授,主要研究方向为卫星通信和无线网络;

LI Guang-wei(1963-),male,M.Sci.,professor,mainly working at satellite communications and wireless network.

黄 磊(1973—),男,硕士,讲师,主要研究方向为卫星通信。

HUANG Lei(1973-),male,M.Sci.,lecturer,mainly working at satellite communications.

Performance of GTS Mechanism in IEEE802.15.4 Protocol

JIANG Zhi-wen,ZHOU Xi,LI Guang-wei,HUANG Lei
(Chongqing Institute of Communications,Chongqing 400035,China)

The unique GTS mechanism in IEEE802.15.4 standard is simply described,the impacts of SO (Superframe Order),data arrival rate and IFS on GTS mechanism performance are discussed,through various simulation experiments based on OPNET software under different network conditions.Simulation results show that the maximum utilization of allocated GTS and minimal packet medium access delay are achieved in low SO value and SIFS for applications with high data arrival rate.However,it is not suitable for time-sensitive wireless sensor networks,for this mechanism could neither achieve the maximum utilization of allocated GTS,nor decrease the packet medium access delay for high SO value and LIFS.

throughput;bandwidth utilization;medium access delay;GTS mechanism;IEEE802.15.4

TP391.4

A

1002-0802(2014)01-0055-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.011