傳感器網絡中實時通信的研究

摘 要：研究基于IEEE 80214標準的G的請求和確定，建立單設備和多設備請求G的Petri網響應模型，并對實時通信的延遲進行估計和仿真。根據仿真結果，確定當滿足一般實時性要求時，傳感器網絡規模應該滿足的條件。其研究成果對于傳感器網絡在實時環境下的應用研究具有重要的參考價值。

關鍵詞：傳感器網絡；G；Petri網模型；接入延遲

Research on Real-ime Communication in ensor Network

YI Gaizhen1，YAN airong2

(1Xianyang Normal University，Xianyang，712000，China;2chool of Computer Engineering，Xi′an echnological University，Xi′an，710032，China)[J12]

Abstract：his paper researches the request and locating Guaranteed ime lot(G) of IEEE80214，puts forward the Petri net model about the request and locating of G for a single device and multi-devices，estimats and simulats the delay of real-time communicationAccording to the simulation result，the condition of the sensor network meeting when the general real-time should be satisfiedhe results of the paper have important reference values for research on application of sensor network under the real-time circumstance

Keywords：sensor network;G;Petri net model;accessing delay[J12/3]

1 引 言

近年來，由于能夠適應多種現實智能環境，傳感器網絡得到了快速發展，并以其自組織、自管理、自節能、可靠性高、造價低和適用于惡劣環境等特點，被廣泛應用于軍事、醫療衛生、環境保護和交通等領域。

在一些具體應用中，有時需要對傳感器測量信息做出實時反映。比如在醫療中，對于病人血壓值的突然升高必須在很短時間內了解并采取措施。在軍事打擊中，一些重要傳感器的數據必須盡快得到處理并能得到快速反應。傳感器網絡應用于工業自動制造中也有實時性的要求。根據工業自動化系統理論，實時系統分為3個等級：低約束級，允許響應時間超過100 ms；一般約束級，響應時間在～10 ms之間；高約束級，響應時間低于1 ms［1，2］。本文以星型為網絡拓撲結構，以IEEE80214標準和Zigbee［3，4］為基礎協議，研究傳感器網絡中MAC協議的實時性能。

2 協議分析

IEEE 80214 定義了2個工作頻段，即24 Gz頻段和868/91 Mz頻段（適合不同國家地區），共分配27 個具有3 種速率的信道：在24 Gz頻段有16個速率為20 kb/s的信道， 在91 Mz頻段有10個40 kb/s的信道，在868 Mz頻段有1個20 kb/s的信道。

為了達到網絡同步，IEEE 80214在MAC層定義了超幀結構。超幀的格式由傳感器網絡的協調器定義，有16個大小相等的時隙，每個超幀之間由網絡信標幀（beacon）分隔，信標幀在超幀的第一個時隙被傳輸。超幀分為競爭訪問周期（Contention Access Period，CAP）和無競爭訪問周期(Contention Free Period，CFP)。在CAP階段，設備采用CMA-CA機制競爭信道，設備對信道的訪問延遲無法控制，無法實現實時要求，在CFP階段，網絡協調器為有實時性要求的設備分配G時隙，實現實時通信，如圖1所示。

21 超幀的參數

由于IEEE 80214允許設備采用節能模式，因而超幀有活動和非活動2種狀態。在非活動狀態下，節點進入休眠模式。這時使用2個參數信標幀間隔：一個是信標序號BO，即信標間隔，要求0≤BO≤14；另一個參數是超幀序號O，并且0≤O≤BO≤14。當BO=1時，協調器將不再發送信標幀，并且忽略uperframeOrder參數值。協調器只在超幀的活動狀態為設備分配G，如圖2所示。

22 G的分配過程

當設備發送MLME-Grequest原語時請求G，設備將要發送的信息的長度和目的地址都包含在原語中。協調器一旦接收到請求，為提出請求的設備分配G并發送應答信息，然后協調器檢查當前超幀是否有足夠空間分配請求，并且重新計算CAP和CFP參數的長度。如果協調器同時收到多個G請求，將按照FIFO（First in First out）機制排隊，協調器將在aGDescPersistenceime時間內完成決策，如圖3所示。

如果分配成功，協調器就在信標中加入G指示幀，G指示幀中包含申請設備的短地址、G的開始時隙和G的長度等信息。如果沒有足夠的空間可以分配申請的G，G指示幀中的開始傳送時隙就被設置為0。

當設備收到協調器發送的確認應答后，將監聽信道，并等待最長aGDescPersistenceime 時間（ aGDescPersistenceime= 4 surperframe）。若在此期間收到的信標幀中包含該設備的G指示時，設備處理G指示；如果信標幀中不含有該設備的G指示，宣布申請失敗。

在G發送之前，發送者發送MCP-DAArequest原語以監測接收者是否做好接收準備。當協調器接到MCP-DAArequest時，協調器的MAC層將檢查是否有效，即是否為該設備分配過G。如果有效，在分配的時隙發送數據。

G傳送不必使用CMA-CA機制，沒有競爭和退避時間，這種方法能夠適合實時請求。

3 Petri網模型

Petri 網的概念是由德國人Carl Adam Petri 于1960 首先提出的，具有嚴密數學基礎，能深刻、簡潔地描述控制系統并能對系統的動態性質進行分析。該方法以圖形的表達方式描述系統，可直觀地顯示系統的動態過程，具有可讀性和易于理解的特點。經典的Petri 網是簡單的過程模型，由2種設備（庫所和變遷）、有向弧、以及令牌等元素組成的。庫所（Place）一般用圓形設備表示；變遷（ransition）用方形設備或者線表示，代表事件、轉化或傳輸；有向弧用來實現庫所和變遷之間的連接；令牌（oken）是庫所中的動態對象，可以從一個庫所移動到另一個庫所，令牌表示事物、信息、條件或對象的狀態。

根據上面的分析，協調器對于G的請求采取先來先服務的規則，設備1請求G得到協調器的安排可能性如圖4所示。這里假設設備1是一周期采樣的傳感器結點，而且采樣周期小于等于幀長，在同一超幀中不會連續申請多個G。

一旦產生數據包，在隊列中等待發送。當數據包移動到隊首時，發送G請求，直到分配到G時隙時才發送數據包。這樣，響應時間由3部分組成：入隊時間、分配G時間和等待發送時間片的時間。

31 設備請求G的響應時間模型

分析中，假設每個設備申請G只占一個時隙（IEEE 80214中允許一個G占用連續多個時隙）。假設網絡中只有一個設備需要G傳輸，采用PERI網為傳感器網絡建立關于延遲模型如圖所示。

圖中，t1處加入時間控制，用來仿真數據包到達，由傳感器周期性采樣的性質，選擇間隔為常數的分布，參數為λ，表示每秒到達信息包個數。根據采樣時間，將傳感器分為2種：一種是周期傳感器；另一種是事件驅動傳感器。采用周期采樣，一般探測周期為300 ms，于是，λ=300 ms。

在t4時間加入常數分布的時間控制， 均值為μ，根據文獻［3］計算，aBaselotDuration=60 symbols，data rate=62 ksymbols/s(2 40 Mz)，則計算得到a slot time= 096 ms，μ=096×16=136 ms；變化范圍為正負6×096=76 ms，符合（96，2112）的均勻分布。

由于處理速度大于包的生成速度，設備的G請求被立即分配，立即發送所有包。此過程滿足高約束實時環境。

32 多個設備請求G的響應時間的模型

如果有多于7個設備同時請求G，它的完整模型如圖6所示。

圖6中左邊每一行表示1個設備要求申請G傳送，8行表示8個設備要求G傳送；右邊的2行，下面一行用來控制整幀的時間推進，上面的用來控制幀中時隙的推進。P6和P22的7個令牌，表示幀中最多可以分配7個時隙的G（這里表示最多可分配7個設備的申請）。P1，P6等4個令牌表示每個設備有4個數據包產生，并需要發送。在t1，t，t7，t11，t17，t20，t23，t26處設置時間控制函數，表示數據包產生的時間間隔。仿真中假設傳感器周期探測，設常數分布300 ms（大部分溫度濕度傳感器的探測周期）。在t4處設置時間控制函數，常數分布，表示時隙之間間隔，即時隙寬度，096 ms。在t13處設置時間控制函數，表示整個幀的長度，常數分布136 ms。

仿真表明，響應時間不是很長，最大等待時間為1個超幀的長度136 ms，即它能滿足實時的低約束環境。如果設備請求G的個數增加30倍，需要分配個超幀時間的長度，而設備最多等待4個超幀時間。因此，一些設備失去了分配G的機會。實際上，1個設備可以請求多個G，隨著G請求丟失的越多，響應時間也隨著增加，仿真結果如圖7所示。

33 多設備隨機請求G

圖6中的模型也適合于事件驅動傳感器，G請求隨機到達。假設包到達服從泊松分布，改變t1，t，t7，t11，t17，t20，t23，t26處設置時間控制函數，設服從期望值為136 ms（1幀的長度）的負指數分布，產生G請求的結點從3~7進行仿真。仿真結果如圖8所示。由于隨機產生的G請求，G的響應時間比上面定時同時產生請求要短。但也可以看到隨著產生站點G請求的站點增多，最大響應時間和平均響應時間都在逐步增大。這樣隨著產生G的數量增多，丟失G的情況一定還會發生。

由于隨機產生的G請求，G的響應時間比上面定時同時產生請求要短。但也可以看到隨著產生站點G請求的站點增多，最大響應時間和平均相應時間都在逐步增大。這樣隨著產生G的數量增多，丟失G的情況一定還會發生。

4 結 語

根據對星型傳感器網絡的分析和仿真，如果每個設備只請求1個G時隙，最多允許7個設備同時請求G；否則，不滿足高約束實時環境。如果請求G的設備大于28，G將會丟失。如果1個設備請求多個G時隙，G丟失率會成倍增加。因而，現有的傳感器網絡協議不足以滿足實時系統，協議的改進有待進一步研究。本文的研究成果對于傳感器網絡應用于實時控制系統具有重要的參考價值。

參 考 文 獻

［1］Albert Krohn，Michael Beigl，Christian Decker，et alomac-real-time Message Ordering in Wireless ensor Networks Using the MAC Layer［J］In Proceedings of the 2nd International Workshop on Networked ensing ystems (IN)，200:27-28

［2］Miu xueqingExposition of ix ype of Communication Protocol of Real - ime Ethernet[J]Process Automation Instrumentation，200，26(4):1-4

［3］Zigbee Alliance［EB/OL］In http://wwwzigbeeorg

［4］un liminWireless ensor Networks［M］Beijing:singhua University Press，200

80214-2003 IEEE tandard for Information echnology-Part 14:Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PY) pecifications for Low-rate Wireless Personal Area Networks (LRWPANs)UA:IEEE Press，2003

作者簡介 弋改珍 女，1969年出生，講師。研究方向為無線網絡、網絡仿真、網絡安全。

傳 感 器 技 術施澤全:基于AVR單片機的煤礦傳感器設計