IEEE 802.15.4協(xié)議的性能研究

摘要：本文重點(diǎn)研究了802．15．4 MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能，并仿真分析802．11和802．15．4在不同流量負(fù)載下數(shù)據(jù)吞吐量和時(shí)延的變化情況。結(jié)果表明在傳輸數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度較小的應(yīng)用環(huán)境下，802．15．4的帶寬效率比802．11高，說(shuō)明802．11并不適合數(shù)據(jù)傳輸率低、傳輸包長(zhǎng)度較短的應(yīng)用環(huán)境，而802．15．4適合低速率的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
關(guān)鍵詞：IEEE802．15．4；無(wú)線傳感網(wǎng)；IEEE802．11；MAC

0 引言
隨著無(wú)線通信、微電子及嵌入式等技術(shù)的快速發(fā)展，具有計(jì)算、感知和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信能力的傳感器以及由其構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WS N)引起了人們的極大關(guān)注。WSN是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。由于WSN的潛在應(yīng)用價(jià)值非?？捎^，己經(jīng)引起了許多國(guó)家的工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和軍事部門(mén)的高度重視。
目前，國(guó)內(nèi)外WSN研究主要集中于能量、定位、可靠性、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題。WSN介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議，負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)分配無(wú)線通信資源，直接影響網(wǎng)絡(luò)整體性能，成為WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的重中之重。802．15．4協(xié)議是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)制定的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)把低能耗、低速率傳輸和低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，充分考慮了WSN應(yīng)用的需求，是目前被業(yè)界普遍看好的一種WSNMAC協(xié)議。

1 802．15．4協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
802．15．4協(xié)議只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。
1．1 物理層
物理層提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無(wú)線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。物理層的主要功能是信道選擇、信道能量檢測(cè)、打開(kāi)和關(guān)閉收發(fā)器、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包、鏈路質(zhì)量指示和信道估計(jì)。
物理幀第一個(gè)字段是4個(gè)字節(jié)的前導(dǎo)碼，收發(fā)器在接收前導(dǎo)碼期間，根據(jù)前導(dǎo)碼序列特征完成片同步和符號(hào)同步。幀起始分隔符(start-of-frame delimiter,SFD)字段長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)，其值固定為OxA7，標(biāo)識(shí)一個(gè)物理幀的開(kāi)始。幀長(zhǎng)度由一個(gè)字節(jié)的低7位表示，其值就是物理幀負(fù)載的長(zhǎng)度，因此物理幀負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)127個(gè)字節(jié)。
1．2 MAC子層
MAC子層通過(guò)MAC通用部分子層SAP訪問(wèn)MAC數(shù)據(jù)服務(wù)，通過(guò)MAC層管理實(shí)體SAP訪問(wèn)MAC管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)，后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)在MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。
MAC層幀格式如圖1所示，每個(gè)MAC幀都由幀頭(MAC Header，MHR)、負(fù)載和幀尾(MAC footer,MFR)三部分組成。幀頭由幀控制信息、幀序列號(hào)和地址信息組成；負(fù)載具有可變長(zhǎng)度，具體內(nèi)容由幀類(lèi)型決定；幀尾是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的16位CRC校驗(yàn)序列。在幀結(jié)構(gòu)中沒(méi)有表示幀長(zhǎng)度的字段，但在物理層的幀里面有表示MAC幀長(zhǎng)度的字段，MAC負(fù)載長(zhǎng)度可以通過(guò)物理層幀長(zhǎng)和MAC幀頭部的長(zhǎng)度計(jì)算出來(lái)。
1．3 超幀結(jié)構(gòu)
802．1 5．4協(xié)議工作模式有信標(biāo)使能模式和信標(biāo)非使能模式。在信標(biāo)使能模式中使用超幀結(jié)構(gòu)，圖2說(shuō)明了這個(gè)結(jié)構(gòu)。在信標(biāo)使能的網(wǎng)絡(luò)中，PAN周期性地廣播信標(biāo)幀。
信標(biāo)幀表示超幀的開(kāi)始。設(shè)備之間通信使用基于時(shí)隙的CSMA／CA信道訪問(wèn)機(jī)制，PAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)幀進(jìn)行同步。超幀中分為活躍部分和不活躍部分。超幀中競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段的功能包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以自由收發(fā)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備PAN可以申請(qǐng)GTS時(shí)段，新設(shè)備加入當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中。非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段由PAN指定的設(shè)備可以發(fā)送或接收分組。如果某個(gè)設(shè)備在非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段一直處在接收狀態(tài)，那么擁有GTS使用權(quán)的設(shè)備就可以在GTS時(shí)段直接向該設(shè)備發(fā)送分組。超幀的活躍部分由三個(gè)部分組成：一個(gè)信標(biāo)幀、競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段(CAP)和非競(jìng)爭(zhēng)訪部時(shí)段(CFP)。每個(gè)超幀分成aNumSuperframeSlot個(gè)時(shí)隙(缺省值為16)，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為aBaseSlotDuration*2SO。信標(biāo)幀在第0個(gè)時(shí)隙傳輸，不使用CSMA機(jī)制。CAP緊跟信標(biāo)幀之后。如果存在CFP，則CFP緊跟隨CAP并持續(xù)到超幀結(jié)束。

2 仿真方案設(shè)計(jì)
本次實(shí)驗(yàn)采用的如圖3所示仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，它包含了3個(gè)有線節(jié)點(diǎn)、4個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以及1個(gè)基站，仿真器中所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)使用相同的全雙工無(wú)線鏈路通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的帶寬都是10Mbps，延遲的時(shí)間為2ms。此仿真過(guò)程中用到的路由層為AODV協(xié)議，MAC層分別為802．11和80 2．15．4協(xié)議，節(jié)點(diǎn)的傳輸距離是5m，仿真時(shí)間是100s。有4個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生FTP流，同時(shí)也有4個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。

3 仿真配置
(1)定義節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
設(shè)定有線節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)：set num_wired_nodes 3
設(shè)定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)：set num_mobile_node 4
設(shè)定基站個(gè)數(shù)：set num_bs_nodes 1
(2)設(shè)定無(wú)線節(jié)點(diǎn)參數(shù)。
MAC類(lèi)型：set opt(mac)mac／802．11
接口序列類(lèi)型：set opt(ifq)queue／dtail／priq
鏈路層類(lèi)型：set opt(ll) LL
設(shè)置路由協(xié)議：set opt(adhocRouting) AODV
(3)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和流量源
set W($i)[$ns node 0．0．$i]
set BS(0)[$ns node 1．0．0]
set wl_node_($i)[$ns node 1．0．[expr$i+1]]
$ns duplex-link $W(0)$BS(0) 10Mb 2ms DropTail
$ns duplex-link $W($i) $W(0) 10Mb 2ms DropTail
(4)在向節(jié)點(diǎn)添加流量源之前，首先編寫(xiě)一個(gè)添加源和發(fā)生器的代碼
set src_udp0[new Agent／UDP]
$src_udp0 set class_0
$src_udp0 set prio_0
set dst_udp0 [new Agent／Null]
Sns attach-．a(chǎn)gent$wl node(1)Ssrc udp0
$ns attach-agent $W(1) $dst_udp0
set app[new Application／Traffic／FTP]
$app attach-agent $src_udp0
$ns connect $src_udp0 $dst_udp0
$ns at 0．0“Saop start”
其他節(jié)點(diǎn)之間的流量源類(lèi)似建立。

4 性能分析
圖43出了802．11和802．15．4在不同流量負(fù)載下數(shù)據(jù)吞吐量的變化情況。在傳輸數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度較小的應(yīng)用環(huán)境下，802．15．4的帶寬效率比802．11高，特別當(dāng)包長(zhǎng)度小于60bytes的時(shí)候，802．15．4的優(yōu)勢(shì)尤其突出，但隨著包長(zhǎng)和數(shù)據(jù)率的增加，高負(fù)載下802．15．4網(wǎng)絡(luò)承受著大量的發(fā)送沖突與重傳，帶寬利用率開(kāi)始明顯下降；由于802．11有高達(dá)2M的帶寬，因此產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)與沖突的概率較低，在傳輸數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度較小時(shí)因開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)較大，帶寬利用率較低，隨著包長(zhǎng)和數(shù)據(jù)率的增加，數(shù)據(jù)的傳輸率趨漸增大。
圖5表明801．11和802．15．4端到端時(shí)延與數(shù)據(jù)傳輸率相似的變化趨勢(shì)，802．15．4對(duì)應(yīng)的時(shí)延變化比較平緩，尤其在低速率時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于802．11產(chǎn)生的時(shí)延。

5 結(jié)束語(yǔ)
802．15．4協(xié)議是針對(duì)無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)提出的協(xié)議，非常適用于低能耗、低速率的WSN，使得WSN的應(yīng)用范圍得到充分?jǐn)U展。下一步我們將對(duì)WSN的能量有效MAC協(xié)議和路由協(xié)議進(jìn)行研究和改進(jìn)。