基于IEEE802.15.4信标控制研究

章 阳，王潜平

（中国矿业大学 计算机科学与技术学院，江苏 徐州221116）

0 引 言

IEEE802.15.4［1］MAC 层 的 占 空 比 由 信 标 级 数BO（beacon order）和超帧级数SO （superframe order）决定且范围从1到1／16384。由于不同的占空比适用于不同的网络需求：如果同时增大BO 和SO，会增大传输的时延，导致因密集的信道竞争而减小系统的吞吐量；如果同时减小BO和SO，会减小有效带宽，导致因频繁的信标接收和发送增大能量消耗。所以，如何设置一对恰当的值满足当前网络的需求是一个十分值得研究的问题。

Yu Kai［2］等人研究了信标网络下低功率操作的综合分析，建立了MAC 特性模型、缓冲数据包模型。Joseph Jeon［3］等人研究了网络下的占空比自适应算法，分析了不同节点数量下的丢包率。高博［4］提出了一种独立占空比算法，使每个节点可以采用不同的占空比和协调器进行通信。万静［5］利用了节点队列大小，并对GTS进行修改，实现了实时任务和非实时任务的公平性分析。文献 ［6，7］是非时隙下的占空比优化，建立了CSMA 模型。文献 ［8］分析了低占空比下的信标网络性能。文献 ［9－12］在IEEE802.15.4其他方面做了些改进。

以上研究均未同时考虑占空比和公平性问题，所以本文提出了一种可以同时解决占空比动态适应网络负载变化和节点公平性的方案。通过对能量、有效吞吐率、时延以及丢包率4方面进行分析，更好地实现了网络数据的传输。

1 IEEE802.15.4MAC层

IEEE802.15.4标准定义了两种介质访问模式：信标模式和非信标模式。在信标模式下的CAP （channel access perid）阶段，节点通过CSMA／CA［13］算法竞争信道，传输非实时数据；在CFP （channel access－free perid）阶段，节点通过申请保护时隙GTS，满足实时数据传输。基于信标模式的各种优点，本文在信标网络模式下进行研究。

1.1 超帧结构

如图1所示，超帧［14］的活动部分分成16 个相等的时隙，活动部分又被分为CAP阶段和CFP阶段。其中，活动部分的第一个时隙由协调器发送信标；CAP中的时隙由节点通过竞争获得；CFP中的保护时隙GTS是给特定的设备使用的。广播的信标帧中含有决定占空比 （duty cycle）大小的参数SO、BO 值，如式 （1）所示

图1 超帧结构

1.2 CAP理论分析

本文假设整个超帧的活动部分只含有CAP阶段，且没有实时任务和冲突发生。计算CAP 阶段可发送的数据帧个数cap＿num的前提是求出一个数据帧发送所需的符号数Ttotal。

由图2得式 （2）和式 （3）

其中，TACK包括Tack和ACK。

其中，Tbeacon为信标占用的时隙，SD 为活动时间。

2 ABC算法

图2 带ACK 的数据帧传输

针对IEEE802.15.4MAC层存在的固定占空比以及CAP霸占问题。本文采用了自适应信标控制算法，即通过终端设备的队列长度、CAP阶段可发送数据帧个数以及矩阵分析，来控制信标帧的变化。

2.1 ABC算法的帧结构设计

本算法在原协议的基础上对信标帧和数据帧进行了重新设计，其他帧结构保持不变。

2.1.1 信标帧

ABC算法在原信标帧的基础上，增加了双倍竞争窗口DoubleCW （double contention window）变量，见表1。该变量包含设备编号 （DeviceID）以及标志 （Flag）两个字段，见表2。根据矩阵分析结果，得出需要增大CW 的节点，并在新的超帧开始之前，将这些节点的Flag 设置为1，剩余的节点的Flag 设置为0。终端设备在接收到信标后，根据信标帧的信息改变自身的占空比以及CW 值。

2.1.2 数据帧

ABC算法在原数据帧的基础上，增加了队列信息Queue变量，该变量只有两个字节，见表3。其中0 位为isDevice表示是否是终端设备，1－8位为DeviceID 表示终端设备MAC地址，9－15位为Length表示队列剩余的帧个数，见表4。终端设备会将自身队列中的剩余数据帧个数记录在数据帧Queue的Length 字段中，这样，协调器收到数据帧后，从数据帧的Queue字段中可以知道与自身相连的各节点队列剩余帧个数。

表1 ABC信标帧

表2 DoubleCW 结构

表3 ABC数据帧结构

表4 Queue结构

2.2 ABC算法的流程

在ABC算法中，所有的终端节点在发送数据帧时，将各自队列中剩余帧个数放入Queue的字段中。协调器得到数据帧后，将各个节点队列信息存入矩阵。通过分析矩阵，得出是否需要修改占空比，是否发生节点抑制。根据分析的结论，修改占空比以及CW 值，流程见图3。

图3 ABC流程

2.3 ABC的矩阵分析及信标控制

算法涉及的变量和函数见表5。

表5 算法涉及的变量和函数

矩阵分析与信标控制具体过程：

（1）协调器通过Matrix求出所有的totalNum ［j］。

（2）判断Matrix ［j］ ［i］是否大于0，若逻辑结果为真，则times＿CW ［i］加1。同时判断totalNum ［j］是否大于cap＿num，若逻辑结果为真，则times＿duty 加1。循环步骤 （2），直到j等于λ。

（3）判断times＿duty 和Ω、ω 之间的大小关系。若times＿duty 大于Ω，则执行过程decBO。若times＿duty 小于ω，则执行过程incBO。

（4）查看times＿CW ［i］中的值，若值大于φ，则将1赋予times＿CW ［i］。反之，则将0赋予times＿CW ［i］。

（5）在步骤 （4）之后，协调器会将新的BO 写入帧特性描述符，同时根据times＿CW ［i］中的值，对每个节点设置DoubleCW。

（6）节点在下一个超帧收到信标，会根据信标中的信息，设置自身节点的BO 和CW。

上述描述的6个步骤，步骤（1）－步骤（4）为矩阵分析，步骤 （5）、步骤 （6）为信标控制。关于如何通过修改占空比，在步骤 （2）和步骤 （3）中也给出了具体的方法。在1.2中，本文已经分析了cap＿num 的值，且因为ABC 算法只是修改了BO 的值，并没有对SO 进行修改，所以cap＿num 始终保持不变。对于节点抑制采取的方法，是记录节点在一次算法周期内发送数据的次数，如果次数超过了上限值φ，则认为该节点在算法周期内霸占了CAP 阶段，从而应该改变该节点的CW 大小。而对次数未超过上限值φ 的节点，则认为该节点还未对其他节点构成竞争威胁，保持原先的CW 值。矩阵分析流程，如图4所示。

3 仿真实验和分析

本文利用NS2 仿真模拟软件，对IEEE802.15.4 改进前后的协议在能量、传输时延、有效吞吐率以及丢包率，这4个方面进行比较分析。其中，能量是整个模拟时间内节点平均消耗的总能量；传输时延是一个数据包从源节点到目的节点所消耗的平均时间；有效吞吐率是正确接收的数据总量占整个网络流量的百分比；丢包率是正确接收的数据帧个数占整个发送数据帧个数的百分比。仿真实验参数见表6，本文采取的数据包小于MAC 层数据帧负载，从而杜绝数据包拆分现象，简化数据分析。

表6 仿真实验参数

整个仿真模拟的数据发送过程为，终端设备1－6 分别在17.1s、17.2s、17.3s，17.4s，17.5s以及17.6s发送数据给协调器0。本文对以下3种方法进行仿真分析：①origin为原始IEEE802.15.4协议。②ABC 为未包含CW 控制改进的ABC算法。③ABC＿CW 为包含了CW 控制改进的ABC算法。

3.1 能量消耗分析

由图5可以看出，原算法的能量消耗远比ABC 算法的能量消耗大。这是由于ABC 算法根据网络流量的变化，定期的对占空比进行调节：低负载时，减少了接收和发送信标帧带来的能量消耗；高负载时，降低了碰撞带来的能量消耗。其中ABC和ABC＿CW 的能量消耗曲线在前300s表现基本相同，由于这段时间属于整个模拟时间的前半段，网络还未出现大量数据累积，且没有出现某些节点长期霸占CAP阶段。但是从300s以后可以看出，ABC＿CW 比ABC 在能量上表现略微的优势。由于ABC＿CW 会分析出网络是否出现节点抑制，并解决了不公平性。从而，ABC＿CW 不仅保护了各终端节点的公平性，而且节省了大量能量消耗。

3.2 丢包率分析

如图6 所示，origin 的丢包率保持在25%左右，而ABC的丢包率比origin低一些，但是其值也有23%左右。ABC＿CW 却能将丢包率控制在15%左右，比之前两种方案低了10%左右。这是因为前两种方案不能发现网络终端设备不公平现象，导致一些终端队列长时间未发送数据包，发生大量溢出，产生丢包。而ABC＿CW 可以避免此现象出现，从而降低了丢包率。

3.3 有效吞吐率分析

根据图6可知，ABC＿CW 比ABC 和origin在丢包率上有较大的改进。因为丢包率直接影响有效吞吐率，由图6和图7 在300s之后可以看出，ABC＿CW 的丢包率升高，导致ABC＿CW 的有效吞吐率降低。ABC 的丢包率比origin的丢包率低3%左右，但是有效吞吐率却能提高20%左右，这是由于丢包率并不是影响有效吞吐率的唯一因素，还取决于其他因素，例如节点处理数据的速度和数据包传输时是否发生错误等。总之，通过图7可知ABC＿CW 的有效吞吐率比ABC和origin表现的更好。

3.4 平均时延分析

由图8可知在前300s，ABC 和ABC＿CW 的时延均比origin小。通过图5能量消耗图也可以知道，前300s没有节点霸占CAP的现象。所以，两种改进算法都比origin的时延小。但是在300s－450s阶段，ABC＿CW 因为一些节点的CW 改变，导致总的时延增大，从而平均时延增大。而ABC只设置了适合网络的占空比，所以时延比origin 小。最后50s内，因模拟时间将要结束，数据包产生减少，3种方案的时延渐渐趋于一种相似平稳状态。

综上所述，在保证时延大致不变的情况下，ABC＿CW不仅比ABC和origin的丢包率减少10%，有效吞吐率提高15%－40%，而且能量消耗也可以减少90%－900%。相比ABC算话和origin算法，ABC＿CW 算法满足了无线传感器网络的节能要求。

4 结束语

本文基于IEEE802.15.4协议提出了ABC算法，以解决固定占空比不适合动态流量的问题和某些节点长期占用CAP周期带来的不公平性问题。通过与原协议比较，ABC算法无论从能量、丢包率，还是有效吞吐率以及时延上均有明显提高，很好地解决占空比和网络流量之间的不协调问题，从而改善了整个网络的公平性，完善了IEEE802.15.4 在LRWPAN网络的应用需求。该算法为将来IEEE802.15.4信标控制进一步优化改进提供了参考，同时也对其他网络通信协议提供仿照基础。

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