IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析

AbdulaZiz

摘要：近年来，传感器技术和无线通信技术的进步促进了无线传感器网络的出现和发展，无线传感器网络广泛应用于军事、环境监测、农业、工业控制等领域。IEEE 802.15.4标准由于其低速、低功耗、短传输距离和简单架构的特点，已成为无线传感器网络的流行媒体访问控制层和物理层标准。该文对使用IEEE 802.15.4协议的大规模无线传感器网络的性能进行分析。

关键词：无线传感器网络;lEEE 802.15.4;网络性能

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）34-0020-03

随着通信技术，嵌入式计算技术和微传感器加工技术的快速发展，许多具有计算和通信能力的传感器可以通过无线模式相互连接，以完成特定的应用任务。由这些传感器形成的无线传感器网络（WSN）引起了极大的关注。IEEE 802.15.4是这种网络的主要协议，通过将两者相结合来执行数据收集，处理和分析任务可以确定是否或何时需要用户操作。

1 无线传感器网络

1.1 无线传感器网络的结构

在WSN中，监控环境中的传感器节点通过多跳中继将数据传输到汇聚节点。其规模相对较大，由几个集群组成。在群集中选择节点，所有节点构成汇聚节点的骨干网络。集群中的节点将收集的数据发送到集群节点。节点通过骨干网络将数据发送到汇聚节点。最后，整个区域的数据通过互联网或卫星传输到远程监控中心进行集中处理。典型的传感器网络架构包括分布式传感器节点，聚合节点，互联网和用户界面。无线传感器网络中的大多数节点传输范围小，汇聚节点传输能力强，功率大，处理能力强。

1.2 无线传感器网络的特性和应用

无线传感器网络很大，是自组织的，动态的和可靠的，它们被部署在人力资源不易访问的地方。无线传感器网络在军事，农业，环境检测，智能家居，医疗等领域具有广阔的应用前景。

1.3 IEEE 802.15.4标准

长期以来，对无线网络技术的研究主要集中在高速和长距离，缺乏对低速无线网络中的研究和应用。为满足低成本设备（固定，便携或移动设备）之间的低速传输，IEEE标准委员会于2000年12月正式批准并建立了IEEE 802.15.4工作组，其使命是开发低速无线通信标准，其具有以下特征：

（1）功耗低，实现简单。这是该标准最重要的特性。该标准引入多种节能机制，最重要的是“超帧模式”，允许设备在没有数据传输的情况下进入休眠状态。

（2）成本低。该标准的设备成本，安装成本和维护成本较低。器件可在标准电池供电条件下工作，无须充电。该标准内部可配置，降低维护费用。

（3）单个网络能容纳节点密度更高。ZigBee通过使用该标准的物理层和媒体访问控制层支持几乎任意数量的设备，这对于大规模传感器阵列和控制尤其重要。

（4）协议简单而国际化。ZigBee协议栈平均只有蓝牙或其他标准的1/4，这种简化对于低成本，互操作性和可维护性非常重要。

2 lEEE 802.15.4标准的基本问题

2.1 网络组成及其拓扑结构

使用IEEE 802.15.4标准的无线个人网络（AN）可分为两种类型。一是简化的功能设备（RFD）。其功能相对简单，只能与相关的Ff进行通信。另一种是具有数据传输，接收，数据采集和外部通信的全功能设备（FFD）。其至少有一个FFD作为PAN协调器。每个PAN都有一个唯一的PAN标识符。

LR.WPAN可以工作在两种拓扑中：星型或点对点网络拓扑，如图1所示。在星型网络中，有一个FFD作为PAN协调器。点对点网络还具有网络协调器。该网络中的所有设备都可以与信号辐射范围内的设备通信.这使得点对点网络拓扑更加复杂。

2.2 堆栈的结构

IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC子层，它符合开放系统互连模型（OSI）。物理层包括射频收发器和底层控制模块。MAC子层提供了一个高级访问物理信道的接口。协议结构如图3所示。

2.3 协议功能概述

LR-WPAN的功能，主要包括超帧结构，数据传输模型，数据帧结构，可靠的数据传输机制，低功耗和安全问题。

超帧结构是核心部分，实现IEEE 802.15.4标准的基础。在该结构中传输MAC层的所有帧。当执行信道竞争访问时，网络中的节点还在该帧中执行竞争访问时段（CAP）。当节点以非竞争方式进入信息传输时，它可以在非竞争访问时段（CFP）中完成它。在這种情况下，需要提前分配和保留GTS。当节点争用该信道时，应用CSMA/CA算法。根据网络是否使用信标，该算法被划分为具有时隙的算法和无时隙算法。

3 基于集群的lEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析

在分析网络性能时，建立了三种模型：竞争模型（CSMA算法的模拟），MAC层模型和节点模型。这三个模型可以组合在一起形成一致的参数。

3.1 竞争模型

竞争模型用于分析CSMA/CA机制，包括退避时间，冲突和重传。为了简化计算，在超帧结构中，不考虑非竞争时期的影响。因此，竞争访问期（CAP）将在分析中发挥重要作用。

3.2 MAC层模型

MAC层模型用于分析发送和接收数据帧，确认帧，信标帧和网络扫描所需的能量和时间。在IEEE 802.15.4标准中，一帧传输包括退避时间和实际用于传输数据的时间。我们将短帧和长帧分开来分析它们的时间和能量。首先，短帧传输包括退避时间是睡眠到空转换时间、每次传送所需的总退避时间、空转发送转换时间、短帧长度与数据传输速率的比率四个部分的总和。然后，获得确认帧的传输能量，接收和发送的转换能量、确认过程的能量、等待确认过程的能量三个部分的总和。

3.3 分析结果

我们对网络中设备和协调器实现的功耗，吞吐量和有效吞吐量进行分析。

3.3.1 设备功耗

通常，由于接收的信标帧和发送的数据帧的能量随着信标之间的间隔而减小;信标帧发送间隔的增加，网络扫描能量消耗显著增加。网络扫描的能量消耗与信标周期成比例。BO=10与B0=8相较，设备的功耗更大。S0值较小也会导致设备功耗增大，因为这增加了冲突和重传的可能性。

3.3.2 协调器功耗

在设备的功耗分析中，我们获得了3小时的网络扫描间隔。在低数据速率下，协调器的功耗可降至200μW。在典型应用中，协调器的功耗在1到10 mW之间。

3.3.3 有效吞吐量

网络所需的吞吐量数据是传输的间隔，信标帧的间隔，以及通过协调器传输数据节点数量的总和。吞吐量是上行链路数据传输间隔和网络深度的函数。

有效吞吐量等于吞吐量和成功传输的概率的乘积。对于不同长度（S0）的CAP，有效吞吐量占吞吐量的百分比如图7所示。

结果显示，当有效吞吐量小于每超帧200比特时，可以实现大约90%的传输成功率。当S0从0变为2时，每个信标周期的最大有效吞吐量为302，545和897比特。此时达到的有效吞吐量百分比在33%至55%之间。随着吞吐量不断增加，网络中的冲突急剧增加，大大降低了有效吞吐量。增加S0将减少冲突并提高有效吞吐量。

网络的能量效率是有效吞吐量除以协调器的功耗，协调器表示在一跳内成功发送一位数据所消耗的能量。网络能效如图8所示。

4 结论

本文首先阐述无线传感器网络的基本情况，其次研究具有大规模节点网络结构，最后分析用于大规模集群树网络的IEEE 802.15.4标准的性能，建立了OPNET仿真场景，模拟了IEEE 802.15.4标准的有效吞吐量和功耗。将模拟结果与分析结果进行比较，以验证分析结果的正确性。

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【通联编辑：代影】

收稿日期：2019-08-16

作者簡介：Abdulaziz（1987-），硕士研究生，主要研究方向为通信与信息系统。