基于ZigBee的无线水信息监测系统中MAC协议研究

梁东坡,王 慧

(海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠 233012)

基于ZigBee的无线水信息监测系统中MAC协议研究

梁东坡,王 慧

(海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠 233012)

为了有效提高IEEE802.15.4 MAC协议的能量有效性，建立IEEE802.15.4时隙CSMA/CA的Markov分析模型，并且提出一种实时数据占空比自适应算法。利用NS2仿真软件，分析了协议参数对能耗的影响，特别是根据提出的算法对网络中节点的状态进行判定，是否需要改变占空比。仿真结果表明，网络性能获得提升，节点能耗下降并跟理论分析结果较吻合。

IEEE802.15.4；实时数据占空比自适应算法；Markov分析模型

0 引言

ZigBee协议是一种近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率和低成本的无线通信技术[1-2]，它依据IEEE802.15.4标准[3-4]，协调数千个微小的传感器之间的相互通信。IEEE802.15.4专为低速率无线传感器网络(WPAN)设计，它采用CSMA/CA机制，相比于很成熟的802.11[5]具有很高的能量有效性。在现在的生产、生活中，ZigBee正得到越来越广泛运用[6]。

在水情监测系统中，由于传感器节点本身供电有限，然而却受地理环境或者其他气候变化影响，因此更换电池不便，节点容易失效。空闲监听、控制开销、冲突和串音等是MAC能耗的几个关键参数。近年来，有很多关于802.15.4的研究，文献[7]提出增强时隙马尔科夫链模型，文献[8]提出动态占空比算法，提高网络性能，文献[9-11]提出了一种新信标使能的自适应算法。本文提出了实时数据占空比自适应算法，并建立在时隙CSMA/CA下的新马尔科夫链模型，旨在MAC层降低节点能耗，延长其寿命。

1 IEEE802.15.4 MAC协议

本文讨论的是信标使能下时隙CSMA/CA机制的星形网络拓扑结构[12]。N个节点关联一个协调器节点[13]。时隙CSMA/CA机制描述如图1所示。

每个节点有3个很重要的参数：NB(执行发送任务的退避指数，初始值为0)；CW(竞争窗口长度，每次发送前设置为2，当发现信道忙时复位)；BE(退避指数)。首先，初始化NB和CW(NB=0，CW=2)，BE=2或者根据电池寿命扩展MAC属性被初始化为BE=min(2，macMinBE)，其中macMinBE是定义的常数，默认值等于3。接着在[0，wi-1]内等概率随机选择一个数执行退避过程，监测信道，如果信道忙时，BE=min(BE+1，aMaxBE)，NB自动+1，此时如果NB>macMaxCSMABackoffs(试图访问信道的最大退避次数)，设备访问信道失败，否则设备进入下一个退避阶段。如果信道被侦听为空闲，CW自动递减1，如果CW减为0，节点便可在下个可用时隙边界发送数据。

图1 时隙CSMA/CA机制描述

2 马尔科夫模型

图2 CSMA/CA的Markov模型

若CCA1发现信道被占用，s(t)加1，新的初始化退避值为p{i,k|i-1,0}=α/Wi,i∈(1,m),k∈(0,Wi-1)；

当CCA2监测信道忙的时候，s(t)加1，新的初始化退避值为p{i,k|i-1,-1}=β/Wi,i∈(1,m),k∈(0,Wi-1)；

若CCA2监测空闲，此时发送数据，s(t)返回0。一旦进入发送状态，G时隙开始计数。一次发送后，如果还有数据需要发送，选择初始退避值，否则会进入空闲状态

这里，q1表示一次发送后没有数据需要发送的概率。

当s(t)达到BE最大值，CCA1发现信道占用，则正在发送的数据将被取消，如果发送队列不空，选择新的退避值，否则进入空闲状态

同上，s(t)达到BE最大值，CCA2监测结束，将开始新的退避周期，否则进入空闲状态。

发送到空闲再到发送的概率可是表示为:

q2表示一个空闲周期没有数据发送的概率，通过推导，在随机选择时隙下的CCA1和CCA2的概率为：

只有在CCA1与CCA2都监测信道空闲的时候，设备发送的概率为：

γ=(1-β)τ=(1-pm+1)b0,0；

为了降低能耗，本文在802.15.4中实现在随机退避周期，节点不监听信道。每个节点成功发送1 bit的平均能耗为：

为了获得通信时能耗的分析公式，定义EX为发送数据时的平均能耗，ER为接收数据时的平均能耗，Eidle为空闲状态的平均能耗，ECCA为CCA检测的平均能耗，PCCA为执行CCA监测的概率，PX为节点发送数据的概率，PL为节点侦听信道的概率，Pidle为空闲状态概率，n为节点的数目。

根据Markov模型，可以得到：

可以看出，节点数目n以及一个数据成功发送的概率是节点能耗的关键因素。然而从帧结构分析，占空比对能量有效性起着至关重要的作用[15]。占空比(DC)=信标期间活跃时间长度(SD)/信标周期长度(BI)=2SO-BO。

3 实时数据占空比自适应算法

当DC占空比设置得比较低时，节点用于信道空闲侦听、信道资源接入竞争、数据帧发送和接收等操作的超帧活跃期(AP)很小，而节点休眠于低功耗的非活跃期(IP)却占很大一部分时间。节点的能耗与信息发送的时延存在着矛盾关系，如果DC设置得过低，会导致网络端到端的时延很大。这是因为节点在休眠之前未完成包括其在休眠过程中新加等待处理的操作，都要延迟到下一个信标间隔周期方能开始。因此，如果周期内的IP时间过长，那么这种延迟将会很大。相反，如果DC设置得比较高，网络的端到端时延性能将会得到改善，但是可能此时节点的大部分时间处在不必要的空闲侦听状态从而浪费大量宝贵的能量。因此，设置适当的DC值不仅对能耗很关键，同时还能平衡能耗与时延的关系。

对于一个节点，其在发送或接收信息模式能耗是处于休眠模式的几十倍，所以可以在以下情况下考虑让节点进入休眠模式：

① 当前CAP结束前，MAC成功地将待发数据帧传输至协调器；

② 当CSMA/CA算法参数NB(MAC为了发送数据帧而已尝试退避的次数)达到协议要求的上限值，而MAC依然无法接入信道；

③ MAC估计出当前CAP剩余时隙不足以完成CSMA/CA传输数据帧所需的剩余步骤[4]。

因为以上原因，考虑水情监测数据的实时性，本文提出一种实时数据占空比自适应算法，为了调整占空比DC，保持BI不变，需要改变活跃周期。无论什么时候新数据到达消息序列，节点通过查看数据的延迟需要来检查数据的紧要性，如果节点发现数据很紧要则调整活跃期使之能成功发送数据，然后通过一个管理数据表Tab，不管这个实时数据是否导致占空比的改变，保留发送的数据信息。这个管理表Tab用来指示终端节点的MAC状态[16]。利用占空比缓冲和延迟队列来设置。因为每个节点有个有限的队列大小，占空比缓冲能有效防止数据包丢失。假设延迟队列是指数据包从到达到发送。它暗示了节点是否在给定的活跃期经历了竞争。

同时，节点准备将活跃期的调整向协调器发送请求。这个请求附加在下一帧中。这个请求信息包括数据队列的数目以及实时数据需要的延时。收到请求信息的协调器，将请求信息保存在管理表并且通过一个确认帧反馈允许，这个允许信息包括一个允许比特与在请求信息中一样的实时数据数目。收到确认帧的节点检查协调器是否允许调整活跃期，如果允许，调整节点与协调器之间的活跃期。

这个调整通过节点与协调器的裁决开关时间(裁决开关时间指的是从活跃模式到非活跃模式的时间)。节点从活跃模式到休眠模式的状态切换，也对节点的能耗有着显著的影响，避免频繁的状态切换对降低能耗起着很大的作用[17]。

当满足下面的情况，关闭活跃到非活跃模式：

① 每个节点的管理表没有登记；② 在信标帧定义的活跃期已经过去。

条件①表示，消息队列中已经没有很紧要的信息需要开关活跃到非活跃模式。条件②表示，调整活跃周期的时间应该长于信标帧中预先定义的。因为消息队列的条件不同，节点的调整活跃期可以不同。但是，从睡眠模式到活跃模式对所有节点都是相同的。

导致活跃周期改变的实时数据的条件是延迟边界应该早于下一信标发送的时间，用函数表示为Ddeadline≤Tbeacon+aBaseSuperframeDuration×2BO，满足等式的实时数据如果在下一信标帧到来前还没发送出去，那么数据将被丢弃[8]。

4 仿真结果分析

为了验证算法，进行仿真实验。在仿真时，首先预设置参数值，数据帧载荷=100 Byte，比特率=250 KB/s，MAC头部=13 Byte，PHY头部=6 Byte，睡眠功率=144 nW，休闲功率=712 μW，发送功率=32.32 mW。设置好这些参数值后，针对功率消耗和吞吐率2个方面，分别进行仿真实验。

4.1 功率消耗分析

本文的占空比DC由BO和SO共同决定，利用NS2仿真时取BO=6，SO=4，如图3所示。从图3中可以看出，单位节点平均消耗随着节点数目增加而减小，那是因为节点数目增加，竞争接入的成功率下降了，多余的节点进入睡眠状态。

图3 节点数目与节点平均消耗关系对比

4.2 吞吐率分析

不同负载下的不同吞吐量如图4所示。从图4中可以看出，在6 ～7 kbps，网络的吞吐量没有增加，这是因为应用层的负载与MAC层的不一样，应用层实际的负载增加，但MAC层的实际负载却不会增加。

通过功率消耗和吞吐率仿真结果，可以明显得出，本文所提出的算法使网络性能获得提升，节点能耗下降，且跟理论分析结果较吻合。

图4 负载与吞吐量关系对比

5 结束语

在传统算法802.15.4中所有节点的占空比都是一样的，如果某些节点不需要调整占空比而被迫调整占空比，会增加额外的能耗，使节点能耗上升，不利于网络性能的稳定。本文结合Markov模型提出的实时数据占空比自适应算法可以很好地解决这个问题，能够灵活地调整需要调整节点的占空比，并且增强网络吞吐量，降低丢包率和能耗，在很大程度上改善了无线水信息监控系统的性能，具有很好的应用价值，后续将对硬件实现进行研究。

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梁东坡 男，(1986—)，硕士，助理讲师。主要研究方向：卫星通信。

王 慧 女，(1987—)，硕士，讲师。主要研究方向：卫星通信。

The Study of the MAC Based on ZigBee Wireless Hydro-information Monitor System

LIANG Dong-po,WANG Hui

(BengbuNavalSchoolforNon-commissionedOfficers,BengbuAnhui233012,China)

To improve the energy-efficiency of IEEE802.15.4 MAC,a Markov-based analytical model is set for IEEE802.15.4 slotted CSMA/CA.And a duty cycle adaptation to real-time data algorithm is proposed.The impact of protocol parameters is analyzed by NS2.Moreover,the need to change the Duty Cycle is discussed by determining the state of node based on the proposed algorithm.It is showed that the network performance could be improved.And the decrease of the energy consumption also matches with the simulations.

IEEE802.15.4;duty cycle adaptation to real-time data algorithm;Markov-based analytical model

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.02

梁东坡,王 慧.基于ZigBee的无线水信息监测系统中MAC协议研究[J].无线电工程,2017,47(5):6-9,36.[LIANG Dongpo,WANG Hui.The Study of the MAC Based on ZigBee Wireless Hydro-information Monitor System[J].Radio Engineering,2017,47(5):6-9,36.]

2017-02-07

TP30

A

1003-3106(2017)05-0006-04