程宏斌,樂(lè)德廣,王海軍,王曉喃,孫 霞
(1. 常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 常熟 215500;2. 湖北第二師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖北 武漢 430205)
基于隱藏終端的802.15.4網(wǎng)絡(luò)丟包率研究
程宏斌1,樂(lè)德廣1,王海軍2,王曉喃1,孫 霞1
(1. 常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 常熟 215500;2. 湖北第二師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖北 武漢 430205)
針對(duì)基于隱藏終端的802.15.4網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題,提出了一種時(shí)隙CSMA/CA算法的數(shù)學(xué)模型. 基于模型推導(dǎo)建立數(shù)據(jù)丟包概率的數(shù)學(xué)模型,并研究隱藏終端對(duì)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象的影響.然后研究不同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如隱藏終端數(shù)、λ、N、minBE和NB對(duì)數(shù)據(jù)丟包的影響. 實(shí)驗(yàn)表明:通過(guò)合理的參數(shù)配置能夠改善網(wǎng)絡(luò)丟包問(wèn)題,且相對(duì)于不考慮隱藏終端的情形,隱藏終端導(dǎo)致的丟包問(wèn)題更加嚴(yán)重(高出25.2%). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明提出的算法模型較好的描述了802.15.4網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行特征.
802.15.4;隱藏終端;丟包率;建模;性能分析
目前,IEEE 802.15.4作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛的協(xié)議,被公認(rèn)為是最適用于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn). 因此協(xié)議的性能分析與研究就成為一個(gè)研究熱點(diǎn),很多學(xué)者對(duì)802.15.4的MAC協(xié)議進(jìn)行了深入的研究. 由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)普通采集節(jié)點(diǎn)能量受限,網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)性能優(yōu)化問(wèn)題成為一個(gè)重要的研究方面.而隱藏終端問(wèn)題將引起數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象,極大的降低網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的主要性能,無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中的隱藏終端問(wèn)題已成為網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用的挑戰(zhàn)[1].
文獻(xiàn)[2]增加了節(jié)點(diǎn)工作的空閑態(tài),但是沒(méi)有分析超幀休眠. 只是基于設(shè)計(jì)的802.15.4MAC協(xié)議的信道競(jìng)爭(zhēng)模型進(jìn)行性能分析,但是研究的性能指標(biāo)不夠全面. 文獻(xiàn)[3]建立的802.15.4MAC模型沒(méi)有分析節(jié)點(diǎn)休眠狀態(tài),另外對(duì)吞吐量性能的建模較復(fù)雜. 文獻(xiàn)[4]研究基于瑞利衰落信道的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)MAC層的丟包率問(wèn)題,并分析了包長(zhǎng)等因素對(duì)丟包率的影響. 文獻(xiàn)[5]研究了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中丟包率和發(fā)送數(shù)據(jù)速率具有均衡關(guān)系,但該方法無(wú)法對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)分析. 文獻(xiàn)[6]建模分析了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)MAC層的碰撞和丟包問(wèn)題,但其對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送概率的建模較簡(jiǎn)單,無(wú)法精確分析節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特征,也沒(méi)有深入研究協(xié)議參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)碰撞的影響. 文獻(xiàn)[7]對(duì)基于多跳的802.15.4MAC協(xié)議建模,并研究了流量和隱藏終端問(wèn)題對(duì)網(wǎng)絡(luò)丟包等性能的影響. 文獻(xiàn)[8]對(duì)基于簇狀網(wǎng)絡(luò)的可靠性和性能指標(biāo)建模.模型沒(méi)有分析吞吐量和丟包率性能,也沒(méi)有研究協(xié)議參數(shù)優(yōu)化對(duì)改善網(wǎng)絡(luò)性能的作用. 文獻(xiàn)[9]研究自適應(yīng)802.15.4網(wǎng)絡(luò)性能,也沒(méi)有分析協(xié)議參數(shù)的影響. 文獻(xiàn)[10]對(duì)基于占空比的802.15.4網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究,分析了主要網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo).
所以對(duì)基于隱藏終端問(wèn)題的深入分析就顯得尤為重要,但已有研究在研究協(xié)議時(shí),一般都忽略了隱藏終端的影響;即使一些研究考慮了隱藏終端問(wèn)題,也沒(méi)有對(duì)其影響做深入研究. 本文利用基于馬爾科夫鏈模型對(duì)802.15.4協(xié)議MAC層關(guān)鍵機(jī)制進(jìn)行數(shù)學(xué)分析研究,并對(duì)基于802.15.4MAC層的隱藏終端問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的研究,分析其對(duì)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象的影響. 對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)和丟包性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,為改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)性能提供理論支撐.
圖1 時(shí)隙CSMA/CA算法模型
本文研究基于非飽和負(fù)載的802.15.4網(wǎng)絡(luò)MAC層上行鏈路的特點(diǎn)并為其建立馬爾可夫鏈模型,網(wǎng)絡(luò)部署為規(guī)模為N的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并只考慮只有活躍期的超幀結(jié)構(gòu),到達(dá)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包符合速率λ的泊松分布過(guò)程,節(jié)點(diǎn)按照時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道并將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器. 本文的模型如圖1所示,特點(diǎn)如下:
為了降低能耗,使得設(shè)計(jì)的信道競(jìng)爭(zhēng)算法能夠更加符合實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的要求. 設(shè)定節(jié)點(diǎn)從傳輸態(tài)、休眠態(tài)和當(dāng)前退避結(jié)束三種狀態(tài)適時(shí)轉(zhuǎn)移到休眠態(tài)[11].
1)超幀活躍期內(nèi),若節(jié)點(diǎn)已退避的輪數(shù)達(dá)到最大值,則進(jìn)入休眠.
2)超幀活躍期內(nèi),若無(wú)數(shù)據(jù)包到達(dá)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠.
3)超幀活躍期內(nèi),若剩余的時(shí)間無(wú)法完成信道檢測(cè)和數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠.
圖2中,節(jié)點(diǎn)按照時(shí)隙CSMA/CA算法在信道競(jìng)爭(zhēng)各個(gè)階段的狀態(tài)為:{i,0)}表示節(jié)點(diǎn)的第一次信道檢測(cè)狀態(tài). {i,-1}表示節(jié)點(diǎn)的第二次信道檢測(cè)狀態(tài). {-2,j}表示節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài). 狀態(tài){-1,0}表示節(jié)點(diǎn)的休眠狀態(tài). 狀態(tài) {i,k},k∈(1,Wi,-1)表示節(jié)點(diǎn)退避狀態(tài).
變量Z1是節(jié)點(diǎn)休眠一輪時(shí)間后還是沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送任務(wù)的概率. Z2為節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送態(tài)之后進(jìn)入休眠狀態(tài)的概率,Z3為節(jié)點(diǎn)進(jìn)入信道評(píng)估后檢測(cè)到信道競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)間中剩余的時(shí)間不能夠完成信道評(píng)估和傳輸數(shù)據(jù)的概率,Z3可表示為:Z3=Lslot/SD=L/(960*0.016*2^SO ms). x是退避的輪數(shù) ,即NB的最大值. g,e為兩次信道監(jiān)測(cè)失敗的概率.
假設(shè)=limt->∞{c(t)=i、d(t)=k}(i∈(0,c),k∈(0,Wi,-1)為信道競(jìng)爭(zhēng)算法模型中的節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)穩(wěn)態(tài)概率. 如:=limx->∞{c(x)=c、d(x)=0}. 按照模型,推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)的主要狀態(tài)之間的一步轉(zhuǎn)移概率如公式(1)所示[12]:
節(jié)點(diǎn)主要狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率推導(dǎo)如下:
由于節(jié)點(diǎn)使用基于時(shí)隙CSMA/CA算法競(jìng)爭(zhēng)接入共享的MAC層信道,并且節(jié)點(diǎn)的通信范圍局限于10~20 m左右,因此隱藏終端是802.15.4WSNs不可避免的問(wèn)題. 圖2對(duì)隱藏終端的成因進(jìn)行描述:
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)a、b和c中,a和b、c和b都處于有效通信距離內(nèi),但是a與c距離較遠(yuǎn),不能夠直接通信,這樣c和a可能相互構(gòu)成隱藏終端. 當(dāng)c有數(shù)據(jù)發(fā)送至b,c按照信道競(jìng)爭(zhēng)算法試圖接入信道,當(dāng)評(píng)估信道為空閑狀態(tài)后開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù). 同理,在同一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)a向b發(fā)送數(shù)據(jù),由于a、c不在有效通信距離內(nèi),二者無(wú)法檢測(cè)對(duì)方的數(shù)據(jù)發(fā)送,此時(shí)共享信道發(fā)生沖突,a、c的數(shù)據(jù)都丟棄. 丟包現(xiàn)象嚴(yán)重影響到網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的其它性能指標(biāo),降低網(wǎng)絡(luò)生存周期.
隱藏終端問(wèn)題是導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)丟包重要因素,隱藏終端問(wèn)題產(chǎn)生的信道沖突和丟包可能發(fā)生在節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)一直到數(shù)據(jù)傳輸至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間段內(nèi).
文獻(xiàn)[13]中的IEEE802.11協(xié)議隱藏終端的分析方法,假設(shè)隱藏終端引起數(shù)據(jù)丟包的時(shí)間范圍為Dhide,可表示為(-L,L+SIFS+B),即Dhide=2*L+SIFS+B. 其中,B占是傳播延時(shí). SIFS是最小的幀間間隔. L是一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間,Dslot表示一個(gè)時(shí)隙.
因此,隱藏終端問(wèn)題造成的數(shù)據(jù)包沖突概率定義為:
圖2 隱藏終端問(wèn)題
其中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送概率為ps,隱藏終端個(gè)數(shù)是Nh.
另外,無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)使用時(shí)隙CSMA/CA算法共享信道,數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象也可能是由競(jìng)爭(zhēng)接入信道產(chǎn)生的. 信道接入沖突造成的數(shù)據(jù)沖突概率為:px=1-(1-r)n-1,其中r為節(jié)點(diǎn)處于數(shù)據(jù)幀發(fā)送的概率.
因此,在不考慮信道誤碼率,即理想信道的情形下,MAC層數(shù)據(jù)丟包率可以表示為:pdrop=1-(1-px)(1-py).
下面在802.15.4網(wǎng)絡(luò)MAC層時(shí)隙CSMA/CA算法模型研究的基礎(chǔ)上,分析主要的協(xié)議參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)對(duì)MAC層數(shù)據(jù)丟包率的影響. 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星型拓?fù)洌鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)都處于有效的通信距離內(nèi). 上層數(shù)據(jù)包到達(dá)節(jié)點(diǎn)MAC層的速率為λ包/秒. 實(shí)驗(yàn)中關(guān)注的主要的參數(shù)分為兩種:與802.15.4MAC協(xié)議密切相關(guān)的性能參數(shù)、與協(xié)議無(wú)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),如表1所示.
表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表
下面根據(jù)模型的推導(dǎo)對(duì)考慮隱藏終端的MAC層數(shù)據(jù)發(fā)送丟包率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.
圖3是隱藏終端數(shù)量與數(shù)據(jù)丟包率的關(guān)系圖. 實(shí)驗(yàn)部署網(wǎng)絡(luò)共30個(gè)節(jié)點(diǎn). 隨著隱藏終端個(gè)數(shù)增加,MAC層丟包率急劇增大. 這說(shuō)明隱藏終端對(duì)丟包現(xiàn)象影響很大,較多的隱藏節(jié)點(diǎn)使得節(jié)點(diǎn)之間相互偵聽(tīng)不到隱藏終端的現(xiàn)象更加嚴(yán)重,從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)與隱藏終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包不成功,數(shù)據(jù)包被丟棄.
從實(shí)驗(yàn)看出,隱藏終端個(gè)數(shù)小于2時(shí),丟包率變化很快. 之后,丟包率趨于1,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸趨于崩潰.這說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),所有的采集節(jié)點(diǎn)向同一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),較少的隱藏終端同樣導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互成為隱藏終端,傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中發(fā)生沖突后被丟棄. 而且隱藏終端越多丟包越嚴(yán)重.
另外,隱藏終端數(shù)量一樣時(shí),退避指數(shù)初值minBE越小,數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象有所改善. 這是因?yàn)橥吮苤笖?shù)初值決定節(jié)點(diǎn)的等待退避時(shí)長(zhǎng),較小的minBE會(huì)延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的接入信道之前的等待時(shí)間,從而一定程度延緩節(jié)點(diǎn)爭(zhēng)用MAC信道的取發(fā)送數(shù)據(jù)的概率,相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收沖突問(wèn)題得到緩解,丟包率也相應(yīng)降低.
退避次數(shù)NB對(duì)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象影響較小. 這是因?yàn)殡[藏終端數(shù)一定時(shí),NB的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)等待退避的時(shí)間影響較小,其對(duì)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程影響較小.
圖4描述了隱藏終端個(gè)數(shù)一定的情況下,MAC層數(shù)據(jù)傳輸丟包率隨著數(shù)據(jù)包到達(dá)速率λ的變化趨勢(shì).由于隱藏終端的影響趨于穩(wěn)定,改變協(xié)議參數(shù),丟包率的變化主要由信道接入沖突引起. 隨著λ的逐漸增大,丟包概率快速增加. 這是因?yàn)榈竭_(dá)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)負(fù)荷越多,競(jìng)爭(zhēng)接入信道的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)越多,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的沖突更加嚴(yán)重,數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象也更加頻繁.
節(jié)點(diǎn)在相同的λ的情況下,取較大的minBE值時(shí),數(shù)據(jù)丟包率越高. 這是因?yàn)檩^大的minBE取值導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的退避階段最小值越大,相反節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)信道中總的退避時(shí)間越短,其競(jìng)爭(zhēng)接入信道更加頻繁,信道沖突自然加重,相應(yīng)的數(shù)據(jù)丟包率也加大.
圖3 隱藏終端對(duì)丟包的影響
圖4 不同λ時(shí)性能參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)碰撞的影響
協(xié)議參數(shù)NB對(duì)數(shù)據(jù)丟包率影響不大. 因?yàn)楣?jié)點(diǎn)退避次數(shù)的增加沒(méi)有較大延長(zhǎng)退避時(shí)間,信道競(jìng)爭(zhēng)沖突變化不明顯,隱藏終端導(dǎo)致的丟包也不明顯.
圖5描述了隨著λ的遞增,隱藏終端數(shù)目對(duì)數(shù)據(jù)丟包率的影響. 如圖所示,λ小于30包/秒時(shí),丟包率隨著λ快速增加,數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題加劇. 當(dāng)λ>30后,數(shù)據(jù)丟包非常嚴(yán)重. 這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)負(fù)載加大后,節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道的概率加大. 且在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中,隱藏終端越多越加劇信道沖突,數(shù)據(jù)丟包更加嚴(yán)重.
圖6是在相同隱藏終端數(shù)目情形下,MAC層數(shù)據(jù)丟包率與節(jié)點(diǎn)數(shù)、主要協(xié)議參數(shù)的關(guān)系. 隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)增多,數(shù)據(jù)丟包率變化不很明顯.
退避指數(shù)minBE越小時(shí),數(shù)據(jù)丟包率越小. 這是因?yàn)殡[藏終端數(shù)一定時(shí),較小的minBE增加了節(jié)點(diǎn)退避等待的時(shí)長(zhǎng),信道沖突降低,丟包現(xiàn)象得到改善.
節(jié)點(diǎn)數(shù)量N很小時(shí)退避輪數(shù)NB變化對(duì)數(shù)據(jù)丟包率影響很小.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)增多后,協(xié)議參數(shù)NB越大,數(shù)據(jù)丟包越嚴(yán)重. 這是因?yàn)檩^大的退避輪數(shù)NB雖然稍微增加了節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)間,但是大量的節(jié)點(diǎn)處于超幀活躍期去競(jìng)爭(zhēng)信道,而不是像NB較小時(shí)節(jié)點(diǎn)在較短時(shí)間退避等待后失敗進(jìn)入休眠,較大NB反而加劇數(shù)據(jù)丟包.
另外,數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度L時(shí)隙數(shù)越小,數(shù)據(jù)丟包率越低. 這是因?yàn)長(zhǎng)越短,根據(jù)隱藏終端可能引起數(shù)據(jù)丟包的時(shí)間范圍為Dhide越短,MAC層的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)沖突概率越小,丟包現(xiàn)象得到改善.
實(shí)驗(yàn)研究表明,通過(guò)對(duì)802.15.4MAC協(xié)議的性能參數(shù)、802.15.4網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化配置,數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象能夠得到一定程度的改善.
圖7是本模型與不考慮隱藏終端的網(wǎng)絡(luò)丟包率的對(duì)比. 很明顯,考慮隱藏終端對(duì)數(shù)據(jù)沖突的影響之后,MAC層數(shù)據(jù)傳送丟包現(xiàn)象明顯嚴(yán)重得多,平均高出25.2%. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本模型的有效性和合理性.
圖5 不同λ時(shí)隱藏終端對(duì)丟包的影響
圖6 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)丟包的影響
圖7 丟包率對(duì)比
本文以802.15.4網(wǎng)絡(luò)MAC層時(shí)隙CSMA/CA算法的數(shù)學(xué)建模為研究基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)模型的分析計(jì)算,研究隱藏終端與網(wǎng)絡(luò)丟包率的關(guān)系. 基于實(shí)驗(yàn)分析各個(gè)主要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如λ、N、minBE、NB和隱藏終端對(duì)數(shù)據(jù)丟包率的影響. 分析結(jié)果說(shuō)明,合理的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置能夠降低網(wǎng)絡(luò)丟包率. 另外,與忽略隱藏終端現(xiàn)象的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相比,隱藏終端導(dǎo)致的丟包問(wèn)題比較嚴(yán)重,丟包率平均高出25.2%. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究為降低隱藏終端對(duì)802.15.4網(wǎng)絡(luò)MAC的數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象提供了優(yōu)化方法,也為802.15.4 MAC協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用提供了理論支撐.
[1] RAMACHANDRAN I, DAS A K, ROY S. Analysis of the Contention Access Period of IEEE 802.15.4 MAC[J]. ACM Transactions on Sensor Networks, 2007, 3(1): 4: 1-4: 22.
[2] WEN H, LIN C, CHEN Z J, et al. An Improved Markov Model for IEEE 802.15.4 Slotted CSMA/CA Mech-anism[J]. Journal of Computer Science and Technology, 2009, 24(3): 495-504.
[3]方梅,陸陽(yáng),官駿鳴.非飽和態(tài)802.15.4網(wǎng)絡(luò)吞吐量建模分析[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2010,22(4):1037-1041.
[4]程遠(yuǎn),張?jiān)矗呶髌?差錯(cuò)信道下無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)丟包率性能分析[J]. 通信學(xué)報(bào), 2007,28(5):126-131.
[5]周祥云,錢(qián)慧,余輪.低丟包率無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)S-MAC協(xié)議的研究[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué),2011,38(10A):367-369.
[6]李志華,連彬,魏忠誠(chéng),等.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能效和延時(shí)性能分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2014,31(8):2473-2476.
[7] Di MARCO P, PARK P, FISCHIONE C, et al. Analytical modelling of IEEE 802.15. 4 for multi-hop networks with heterogeneous traffic and hidden terminals[C]//Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2010), 2010 IEEE. IEEE, 2010: 1-6.
[8] PARK P, Di MARCO P, FISCHIONE C, et al. Modeling and optimization of the IEEE 802.15. 4 protocol for reliable and timely communications [J]. Parallel and Distributed Systems, IEEE Transactions on, 2013, 24(3): 550-564.
[9] PRASAD Y, PACHAMUTHU R. Analytical model of adaptive CSMA-CA MAC for reliable and timely clustered wireless multi-hop communication [C]// 2014 IEEE World Forum on Internet of Things (WF-IoT), IEEE, 2014: 212-217.
[10] PARK P, ERGEN S C, FISCHIONE C, et al. Duty-cycle optimization for IEEE 802.15. 4 wireless sensor networks[J]. ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN), 2013, 10(1): 12: 1-12: 32.
[11]帥小應(yīng),錢(qián)煥延. β-堅(jiān)持二進(jìn)制指數(shù)兩段退避算法[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014,38(4):506-511.
[12] JANG B, SICHITIU M L. IEEE 802.11 saturation throughput analysis in the presence of hidden terminals[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking(TON), 2012, 20(2): 557-570.
Abstract:This paper raised a mathematical model of slotted CSMA/CA algorithm, for the sake of the problem of the packet lost in 802.15.4 network based on the hidden terminal. Then the paper established the mathematical model of the packet loss probability based on the mathematical derivation of model, and researched the influence of the hidden terminal to the packet loss. Moreover, the paper researched the influence of the network parameters such as the number of hidden terminal、λ、N、minBE and NB to the data packet loss. It is showed by the experimental results that properly settings for parameters could solve the problem of packet loss,and data packet loss caused by the hidden terminal is more serious without regarding the hidden terminal,which is increased by 25.2%. The experimental results show that the proposed algorithm model can better describe the network operation characteristics of 802.15.4.
Key words:802.15.4; hidden terminal; packet loss rate; modeling; performance analysis
A Study on the Packet Loss Rate in 802.15.4 Network Based on the Hidden Terminal
CHENG Hongbin1, LE Deguang1, WANG Xiaonan1, WANG Haijun2, SUN Xia1
(1. School of Computer Science and Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500; 2. School of Computer Science,Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)
TP393.03
A
1008-2794(2017)04-0056-06
2017-05-21
江蘇省自然科學(xué)基金“面向APP應(yīng)用的安全漏洞分析”(BK20141230);湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目“基于IPV6的車(chē)載自組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究”(B2014011)
程宏斌,副教授,工學(xué)碩士,研究方向:嵌入式系統(tǒng),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,E-mail:chb361@cslg.edu.cn.