基于預(yù)警優(yōu)先級(jí)的ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)MAC層退避算法

梁利生,周國(guó)華,武蘭民,呂玉祥*

(1.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,太原 030024;2.山西省電力公司大同供電分公司,山西 大同 037008;3.國(guó)家電網(wǎng)公司,北京 100031)

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基于預(yù)警優(yōu)先級(jí)的ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)MAC層退避算法

梁利生1,周國(guó)華2,武蘭民3,呂玉祥1*

(1.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,太原 030024;2.山西省電力公司大同供電分公司,山西 大同 037008;3.國(guó)家電網(wǎng)公司,北京 100031)

摘要:針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有預(yù)警信息的高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包需要盡快傳輸,且IEEE 802.15.4協(xié)議本身不支持任何優(yōu)先級(jí)傳輸機(jī)制的情況,提出了一種基于預(yù)警優(yōu)先級(jí)的非時(shí)隙CSMA/CA自適應(yīng)調(diào)整階梯退避算法,并建立了離散時(shí)間馬爾可夫分析模型,比較分析了網(wǎng)絡(luò)中不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的信道接入概率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和傳輸延時(shí),仿真結(jié)果表明,改進(jìn)的自適應(yīng)調(diào)整階梯退避機(jī)制對(duì)提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)傳輸性能具有積極的作用。

關(guān)鍵詞:IEEE 802.15.4;非時(shí)隙CSMA/CA;馬爾可夫鏈;退避算法;ZigBee

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種綜合信息采集、信息處理和信息傳輸功能于一體的智能網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)[1]。2002年,IEEE開(kāi)始研究制定低速個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.15.4。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。MAC層使用沖突避免的載波多路偵聽(tīng)技術(shù)CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)機(jī)制解決多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)信道時(shí)的沖突。利用ZigBee技術(shù)組建的LR-WPAN應(yīng)用在很多場(chǎng)合,如大型電力設(shè)備運(yùn)輸使用ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),使駕駛?cè)藛T正確判斷設(shè)備的狀態(tài),可以避免發(fā)生嚴(yán)重事故。

在2000年,文獻(xiàn)[2]提出了到目前為止對(duì)IEEE 802.11分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)研究相對(duì)深入的Bianchi模型,假定數(shù)據(jù)包傳輸?shù)呐鲎哺怕什蛔?但不考慮節(jié)點(diǎn)已經(jīng)碰撞的次數(shù),使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)形成離散時(shí)間的馬爾可夫鏈。文獻(xiàn)[3]建立了單個(gè)節(jié)點(diǎn)在信道中的傳輸狀態(tài)模型,假設(shè)IEEE 802.15.4協(xié)議中時(shí)隙CSMA/CA在退避階段的等待時(shí)間服從均值相同的幾何分布,并用相關(guān)離散時(shí)間的馬爾可夫鏈分析了該節(jié)點(diǎn)的傳輸性能。文獻(xiàn)[4]中節(jié)點(diǎn)通過(guò)退避計(jì)數(shù)器遞減檢測(cè)信道來(lái)確定信道的狀態(tài),使用IEEE 802.15.4信道接入機(jī)制和IEEE 802.11中的二進(jìn)制指數(shù)退避(BEB)機(jī)制相結(jié)合的混合信道接入機(jī)制,該機(jī)制訪問(wèn)信道的概率較高,但所消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于只采用IEEE 802.15.4信道接入機(jī)制。文獻(xiàn)[5]中對(duì)執(zhí)行一次和兩次CCA(Clear Channel Assessment)的情況建立不同的數(shù)學(xué)分析模型,分析了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的丟包率和吞吐量。文獻(xiàn)[6]將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分為不同的優(yōu)先級(jí),按優(yōu)先級(jí)設(shè)置退避指數(shù)和CCA次數(shù),提高了數(shù)據(jù)包的延時(shí)性能。文獻(xiàn)[7]中雖然為IEEE 802.15.4協(xié)議建立了精確的數(shù)學(xué)分析模型,但無(wú)法分析優(yōu)先級(jí)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)[8]中采用OPNET仿真軟件分析了用優(yōu)先級(jí)處理數(shù)據(jù)的性能,對(duì)有優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù),設(shè)置較小的EB值,而對(duì)沒(méi)有優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù),設(shè)置較大的EB和LCW,該機(jī)制能較好地提高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。雖然調(diào)整EB和LCW的值可以使高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的及時(shí)發(fā)送,但不同的優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)退避時(shí)間會(huì)有交叉,低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)有可能優(yōu)先發(fā)送,本文提出的階梯退避算法可以避免這種情況。文獻(xiàn)[9]使高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)只執(zhí)行一次CCA,以避免數(shù)據(jù)幀和ACK幀之間的沖突。文獻(xiàn)[10]研究了網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

基于以上分析,本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信的類型和屬性,將ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)分為正常、預(yù)警和報(bào)警3種級(jí)別。IEEE 802.15.4協(xié)議本身不支持任何優(yōu)先級(jí)傳輸機(jī)制,為保證ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中有預(yù)警信息的高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包盡快傳輸,本文提出了一種基于預(yù)警優(yōu)先級(jí)的非時(shí)隙CSMA/CA信道接入機(jī)制和自適應(yīng)階梯退避算法,并對(duì)具有預(yù)警優(yōu)先級(jí)的非時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制建立馬爾可夫分析模型。通過(guò)比較分析信道接入概率、網(wǎng)絡(luò)流量和接入延時(shí),本文改進(jìn)的機(jī)制對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)中高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)傳輸性能具有積極作用。

1　IEEE 802.15.4非時(shí)隙CSMA/CA算法

1.1非時(shí)隙CAMA/CA機(jī)制簡(jiǎn)介

IEEE 802.15.4規(guī)定的MAC層協(xié)議中,無(wú)線信道同一時(shí)刻只能容納一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)中若有多節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),為避免發(fā)生碰撞丟失數(shù)據(jù)[11],則各節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)接入信道。在非時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),先執(zhí)行信道掃描(CCA)確定網(wǎng)絡(luò)中是否有其他節(jié)點(diǎn)占用該信道,如果有節(jié)點(diǎn)占用信道,則隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)一定范圍內(nèi)的退避周期,防止多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)造成碰撞,節(jié)點(diǎn)到達(dá)退避周期后再執(zhí)行一次CCA監(jiān)測(cè)無(wú)線信道的使用情況,從而決定是否需要發(fā)送數(shù)據(jù)。

在CSMA/CA算法中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要有3個(gè)變量去維護(hù):NB、LCW和EB。NB(the Number of Back-offs)是在執(zhí)行當(dāng)前發(fā)送任務(wù)時(shí),實(shí)現(xiàn)CSMA/CA算法需要進(jìn)行退避的次數(shù),在開(kāi)始一次新的算法過(guò)程時(shí)被置為0。當(dāng)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避完成后,檢測(cè)到信道為忙時(shí)NB的值加1;若NB超過(guò)最大值,則發(fā)送失敗。LCWL(Content Window Length)是競(jìng)爭(zhēng)窗口長(zhǎng)度,以backs off為單位,是開(kāi)始傳送信息之前連續(xù)檢測(cè)到信道空閑的次數(shù),每次CSMA/CA算法開(kāi)始時(shí)被初始化為2。EB(the Back-off Exponent)是退避指數(shù),與節(jié)點(diǎn)在使用信道進(jìn)行發(fā)送信息之前需要等待的退避周期有關(guān)。

通過(guò)研究IEEE 802.15.4的非時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制[12],發(fā)現(xiàn)EB的初始設(shè)置將影響平均延時(shí)時(shí)間。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí),退避時(shí)間Time of Back-off為[0,2EB-1]范圍內(nèi)的隨機(jī)值。在對(duì)于碰撞頻繁的網(wǎng)絡(luò)增加BE的值可以減少碰撞,但各節(jié)點(diǎn)會(huì)增加相應(yīng)的傳輸延時(shí),尤其在考慮用優(yōu)先級(jí)處理的應(yīng)用系統(tǒng)中,高優(yōu)先級(jí)的重要數(shù)據(jù)因長(zhǎng)時(shí)間延遲不能及時(shí)發(fā)送。

1.2預(yù)警優(yōu)先級(jí)非時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制退避算法

在ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,有些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如預(yù)警數(shù)據(jù))比較重要,預(yù)警信號(hào)可以預(yù)告危險(xiǎn)信息,避免危險(xiǎn)在不知情的情況下發(fā)生。為了滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用需求,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)分類,預(yù)警數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高,所以預(yù)警數(shù)據(jù)用較高的優(yōu)先級(jí),設(shè)置較短的退避時(shí)間。而對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求相對(duì)較低的正常數(shù)據(jù),將用低優(yōu)先級(jí)處理,設(shè)置較長(zhǎng)的退避時(shí)間。

本文中,用EB[q]來(lái)表示EB的值,q表示優(yōu)先級(jí)級(jí)別。用q=0,1和2,分別表示優(yōu)先級(jí)由高到低的報(bào)警數(shù)據(jù),預(yù)警數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù),即正常數(shù)據(jù)的EB值為,EB=EB[2]。為了保證高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸,應(yīng)該使EB[0]

c(q)～(2EB[q]-1,2EB[q]-1),q∈N

(1)

式中各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的退避周期c(q)服從均勻分布,q表示優(yōu)先級(jí)級(jí)別。令EB=EB[0]=1,則c(q)～(20,21-1);令EB=EB[1]=2,則c(q)～(21,22-1-1);由式(1)可知,不同優(yōu)先級(jí)EB值不同時(shí),退避周期不會(huì)交叉,可降低不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)之間的碰撞。

1.3具有優(yōu)先級(jí)的非時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制算法流程

具有優(yōu)先級(jí)的CSMA/CA機(jī)制如圖1分為5步:

(1)首先網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)判斷是否有高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包存在,根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)來(lái)初始化節(jié)點(diǎn)MAC層的NB和EB參數(shù)。

(2)節(jié)點(diǎn)根據(jù)優(yōu)先級(jí)的不同根據(jù)EB參數(shù)在MAC層產(chǎn)生[2EB[q]-1,2EB[q]-1]范圍內(nèi)一個(gè)隨機(jī)的退避周期,完成退避后轉(zhuǎn)入第3步。

(3)執(zhí)行CCA檢測(cè)信道狀態(tài),CCA偵聽(tīng)信道為忙,轉(zhuǎn)入第4步;CCA偵聽(tīng)信道為空閑,轉(zhuǎn)入第5步。

(4)若信道不為空,則NB和EB的值各加1,如果NBmacMaxCSMABackoffs,則節(jié)點(diǎn)停止執(zhí)行CSMA/CA機(jī)制并將發(fā)送數(shù)據(jù)的失敗信息返回給上層,由上層指示是否重新傳輸該數(shù)據(jù)。若信道為空,則轉(zhuǎn)入第5步。

(5)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)信道為空后,將在執(zhí)行完c(q)的下一個(gè)退避周期的邊界上開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。

圖1　CSMA/CA階梯退避算法流程

2　階梯退避算法馬爾可夫鏈分析模型

假設(shè)有n臺(tái)設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)信道,具有優(yōu)先級(jí)l的設(shè)備數(shù)為nl,每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)非時(shí)隙CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)信道,假設(shè)節(jié)點(diǎn)一次只有一個(gè)數(shù)據(jù)包要發(fā)送,且在這個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后短時(shí)間不再產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)包。在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)包到達(dá)的服務(wù)時(shí)間是非常短的,所以這樣的假設(shè)的正確的。

圖2　CSMA/CA階梯退避算法節(jié)點(diǎn)馬爾可夫模型

為了有效分析本文提出的預(yù)警模型,引進(jìn)基于優(yōu)先級(jí)的3個(gè)隨機(jī)變量,即n(q,t),s(q,t)和b(q,t)分別表示t時(shí)刻設(shè)備的NB,設(shè)備掃描信道的次數(shù)和設(shè)備后退計(jì)數(shù)器數(shù)值。其中0≤n(q,t)≤m,m=macMaxCSMABackoffs-1。具有優(yōu)先級(jí)設(shè)備的數(shù)量為Q+1,每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包在退避階段的狀態(tài){n(q,t),s(q,t),b(q,t)}組成一個(gè)如圖2的馬爾可夫過(guò)程,假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中具有優(yōu)先級(jí)的設(shè)備數(shù)不變,則n(q,t),s(q,t)和b(q,t)可以簡(jiǎn)化為n(t),s(t)和b(t)。對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間可表示為:

Ω={n(t),s(t),b(t)|0≤n(t)≤m+1,0≤s(t)≤q,

0≤b(t)≤Wi-1,i=0,…,m}

(2)

其中W0=2BE[q],Wi=2iW0。

為了簡(jiǎn)化運(yùn)算符號(hào),將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸概率P(i,j,k-1|i,j,k)表示為:

(3)

由馬爾可夫過(guò)程可知,每個(gè)節(jié)點(diǎn)單步傳輸概率可用式(4)～式(8)表示:

(4)

(5)

P(i,q,k-1|i,q,k)=1,i∈[0,m],k∈[0,Wi-1]

(6)

P(i,j-1,0|i,j,0)=p,i∈[0,m],j∈[0,q]

(7)

(8)

定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)在狀態(tài){n(t),s(t),b(t)}下的馬爾可夫穩(wěn)態(tài)概率為bi,j,k,則:

(9)

其中i∈[0,m+1],j∈[0,q],k∈[0,2BE-1]

則節(jié)點(diǎn)在各個(gè)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率可表示為:

(10)

由節(jié)點(diǎn)的所有狀態(tài)和為1,可得公式:

(11)

由式(11)可推出節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)概率b0,0,0

b0,0,0=2pq/{3-2(1-pq)m+1+3W0(1-pq)2(1-2m(1-

pq)m)/(2pq-1)+2(1-pq)m+2+

2pq(1-pq-1)/(1-p)}

(12)

將式(12)代入式(10)各個(gè)等式可求出{bi,j,k}。

若節(jié)點(diǎn)完成退避周期后檢測(cè)到信道為空,則表示該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài),節(jié)點(diǎn)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)的概率為:

(13)

(14)

3　性能指標(biāo)分析

在非時(shí)隙CSMA/CA算法中主要的性能指標(biāo)有信道接入概率、信號(hào)的吞吐量、接入時(shí)延、退避次數(shù)、功耗、丟包率和網(wǎng)絡(luò)流量等。在這里只討論丟包率、平均接入時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。分析了發(fā)送不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)的性能。

3.1網(wǎng)絡(luò)吞吐量

用ps表示任意一個(gè)設(shè)備成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率,用ps,q表示具有q優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率,則:

(15)

q∈[0,Q]

(16)

用pb表示設(shè)備掃描信道忙的概率:

(17)

用pc,q表示網(wǎng)絡(luò)中q優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞的概率:

(18)

網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量S定義為節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間與消耗的總時(shí)間之比,可以得到不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)流量公式:

(19)

其中δ,L,TS,TC分別表示數(shù)據(jù)幀間隔,數(shù)據(jù)載荷長(zhǎng)度,數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間和數(shù)據(jù)沖突占用的時(shí)間。其中,

式中TH,TE(L),SIFS,γ,tACK分別表示傳輸幀頭時(shí)間,傳輸幀載荷時(shí)間,SIFS時(shí)間,傳輸延時(shí)和傳輸ACK時(shí)間。

3.2平均延時(shí)

在本文中平均延時(shí)為節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)被接收或丟棄的時(shí)間。為了分析CSMA/CA機(jī)制中平均延時(shí)性能,用Di,j,k來(lái)表示數(shù)據(jù)包從狀態(tài)(i,j,k)開(kāi)始成功傳輸或丟棄所需要的時(shí)間,Di,j,k是一個(gè)與優(yōu)先級(jí)q有關(guān)的隨機(jī)變量。可得到成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的延時(shí)的公式如下:

E(Di,0,0)=ps,qTs+pc,qTc=d0,i∈[0,m]

(20)

E(Di,q,k)=kδ+E(Di,q,k),i∈[0,m]

k∈[1,Wm-1]

(21)

(22)

則可以得出設(shè)備的平均延時(shí):

(23)

3.3數(shù)據(jù)丟包率

在本文中假設(shè),如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞時(shí),就將數(shù)據(jù)包丟棄,因此,節(jié)點(diǎn)的丟包率等于該節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞的概率。節(jié)點(diǎn)的丟包率pd,q表示為:

(24)

4　仿真的結(jié)果與分析

本文使用NS2仿真工具作為網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)[15],根據(jù)以上建立的馬爾可夫鏈模型,仿真并分析階梯退避算法的性能,一個(gè)由n個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),有3種優(yōu)先級(jí)設(shè)備,采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)范圍為50m×50m,節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間為10min,為了分析階梯退避算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響,設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大退避次數(shù)為2,仿真參數(shù)如表1,為了簡(jiǎn)化仿真并方便分析數(shù)據(jù),假設(shè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度固定,傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間為傳輸數(shù)據(jù)幀、2SIFS和ACK幀時(shí)間總和。

表1　NS2仿真參數(shù)

結(jié)合仿真參數(shù)在MATLAB中使用迭代法可以解得網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等參數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表2和表3,仿真結(jié)果驗(yàn)證了階梯退避算法模型的準(zhǔn)確性。

表2　不同節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

表3　不同節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

如圖3是不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的EB[q]值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,橫坐標(biāo)代表每種優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)數(shù),縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)其網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,由圖可知,不同的優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的吞吐量隨著設(shè)備數(shù)的增多而減少,這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)越多碰撞越頻繁,從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)去執(zhí)行退避算法進(jìn)行退避。報(bào)警數(shù)據(jù)有最高的優(yōu)先級(jí)和最小的EB值,EB的值越小,節(jié)點(diǎn)的退避周期就越短,占用信道的機(jī)率就越大,所以高優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量是低優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的兩倍多。

圖3　不同節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

如圖4是不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)接入概率,由圖可知節(jié)點(diǎn)的接入概率隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而逐漸減少,在節(jié)點(diǎn)數(shù)較少的情況下,高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)接入概率明顯高于低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)接入概率。節(jié)點(diǎn)接入概率變化趨勢(shì)與吞吐量的變化趨勢(shì)相同,是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的概率決定了網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的吞吐量。

圖4　不同節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接入概率

當(dāng)節(jié)點(diǎn)接入信道成功時(shí),只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在占用信道,如果有2個(gè)設(shè)備同時(shí)傳輸數(shù)據(jù),則其中一個(gè)設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)丟包。如圖5是不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的丟包率曲線,顯然節(jié)點(diǎn)的丟包率隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而變大。因?yàn)楦邇?yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的EB值較小,所以在節(jié)點(diǎn)數(shù)一定的情況下,高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)生的碰撞概率較大,丟包率隨之增大。而低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)間的退避周期中發(fā)送碰撞的機(jī)率較小,所以丟包率降低。

圖5　不同節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)丟包率

如圖6是網(wǎng)絡(luò)中不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的平均延時(shí),由圖可知,節(jié)點(diǎn)的平均延時(shí)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加幾乎在線性增大。低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的平均延時(shí)明顯大于高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的平均延時(shí)。不同優(yōu)先級(jí)的EB是連續(xù)變化的,階梯退避算法保證了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,所以正常數(shù)據(jù)的平均延時(shí)是預(yù)警數(shù)據(jù)的2倍,是報(bào)警數(shù)據(jù)平均延時(shí)的4倍。

圖6　不同節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

5　總結(jié)

ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的預(yù)警和報(bào)警數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高,本文提出了基于IEEE 802.15.4無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)非時(shí)隙CAMA/CA的階梯退避算法,針對(duì)不同數(shù)據(jù)設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí),選擇不同的退避周期,使高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可以及時(shí)傳輸,并用離散時(shí)間馬爾可夫鏈數(shù)學(xué)模型分析了階梯退避算法的性能。運(yùn)用NS2仿真軟件對(duì)階梯退避算法進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表面具有高優(yōu)先級(jí)的報(bào)警數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)接入率和吞吐量要比低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)要高,但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多,差異逐漸減小。階梯算法對(duì)不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的平均延時(shí)影響非常顯著,報(bào)警數(shù)據(jù)的延時(shí)遠(yuǎn)小于正常數(shù)據(jù)的延時(shí)。雖然高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的丟包率略高,但在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中報(bào)警數(shù)據(jù)通常少,所以丟包率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能沒(méi)有顯著影響?？傮w而言,階梯退避算法對(duì)提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是非常有效的,可以應(yīng)用于對(duì)有預(yù)警數(shù)據(jù)分析判斷的ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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梁利生(1988-),男,漢族,山西省呂梁市人。太原理工大學(xué)碩士研究生,主要研究方向無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),lianglisheng@foxmail.com;

呂玉祥(1964-),男,漢族,山西省呂梁市人。太原理工大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事電力電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)與研究,lyx823@126.com。

TheEarly-WarningPriority-BasedZigBeeSensorNetworkMACLayerBackoffAlgorithm

LIANGLisheng1,ZHOUGuohua2,WULanming3,LüYuxiang1*

(1.College of Physics and Optoelectronics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Shanxi Datong Electric Power Supply Company,Datong Shanxi 037008,China;3.State Grid Corporation of China,Beijing 100031,China)

Abstract:The early warning information of high priority packets in wireless sensor network needs to be transmitted quickly.And IEEE 802.15.4 protocol doesn’t sustain any priority transmission mechanism.Based on this situation,an unslotted CSMA/CA adaptive adjustment of step backoff algorithm is proposed on early warning priority,and model Discrete time Markov analysis.Meanwhile,the channel access probability,network throughput and transmission delay are compared and analysed for the different priority nodes in network.Adaptive adjustment of the improved step backoff probability mechanism has positive effects on improving real time transmission performance of high priority packets in wireless network.

Key words:IEEE 802.15.4;unslotted CSMA/CA;Markov chain;backoff algorithm;ZigBee

doi:EEACC:6150P;723010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.030

中圖分類號(hào):TN915.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)05-0937-07

收稿日期:2013-09-26修改日期:2013-10-20