簇樹網(wǎng)絡(luò)單信標(biāo)周期調(diào)度機(jī)制研究

陳建明， 王亭嶺

（華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011）

0 引言

IEEE 802.15.4工作組和ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)完成了低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)（LR-WPANs ）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧的規(guī)范制定[1]。它被認(rèn)為是一項(xiàng)普遍的解決方案，是低成本、低功耗無線連接的監(jiān)測和控制設(shè)備[2-3]。ZigBee最重要的技術(shù)特點(diǎn)是提供低功耗和實(shí)時(shí)的保障。無論是在信標(biāo)使能（同步）模式或在非信標(biāo)使能（非同步）模式，這些功能的實(shí)現(xiàn)通常依賴于配置的介質(zhì)訪問控制（MAC）子層。信標(biāo)使能模式依靠保證時(shí)隙（GTS）機(jī)制提供了實(shí)時(shí)保障的手段，這對(duì)于時(shí)間敏感的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，是一個(gè)非常重要的功能。值得注意，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在能源和/或有延遲要求領(lǐng)域的應(yīng)用，必須設(shè)定為信標(biāo)使能模式運(yùn)行[4]。

1 IEEE 802.15.4/Zigbee協(xié)議概述

IEEE802.15.4MAC協(xié)議可以通過個(gè)人局域網(wǎng)PAN協(xié)調(diào)器來支持兩種運(yùn)行模式。在信標(biāo)使能模式中，PAN協(xié)調(diào)器周期性地發(fā)送信標(biāo)幀，以識(shí)別其無線個(gè)域網(wǎng)和同步與它連接的節(jié)點(diǎn)。這樣做的時(shí)候，超幀結(jié)構(gòu)（見圖 1）的定義是：①信標(biāo)間隔（BI）定義為兩相鄰信標(biāo)間的時(shí)間；②超幀時(shí)間（SD），它定義了BI的活動(dòng)的部分，分為16個(gè)同樣大小的時(shí)隙，在這期間內(nèi)允許幀的傳輸。同時(shí)，如果BISD＞，將定義一個(gè)非活動(dòng)時(shí)間。在非活動(dòng)時(shí)間（如果存在），所有節(jié)點(diǎn)可進(jìn)入休眠模式以節(jié)約能源。

BI和SD由兩個(gè)參數(shù)決定，信標(biāo)階數(shù)(BO)和超幀階數(shù)(SO)，分別表示如下：

aBaseSuperframeDuration = 1 5.36 m s （設(shè)在2.4 GHz頻段中為250 kb/s）指最小超幀時(shí)間，對(duì)應(yīng) S O= 0 。

在超幀SD中，節(jié)點(diǎn)在競爭期（CAP）采用時(shí)隙CSMA/CA競爭介質(zhì)訪問權(quán)。對(duì)于時(shí)間敏感的應(yīng)用，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在SD內(nèi)，通過分配保證時(shí)隙（GTS）定義了一個(gè)免競爭期（CFP）。

從圖1可以很容易地看到，對(duì)應(yīng)于信標(biāo)階數(shù)，設(shè)定較小的超幀階數(shù)可以獲得低占空比配置，帶來較長的休眠（非激活期）期。

圖1 超幀結(jié)構(gòu)

靠 PAN協(xié)調(diào)器發(fā)送周期信標(biāo)幀來獲得同步的好處是，所有節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間喚醒和進(jìn)入睡眠模式。然而，在多協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)幀的簇樹網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)協(xié)調(diào)器都有自己的信標(biāo)間隔，使用這種同步方案依然存在信標(biāo)碰撞的棘手問題。

2 簇樹結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

參考圖2所示的簇樹網(wǎng)絡(luò)模型。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由唯一的PAN協(xié)調(diào)器（或ZigBee協(xié)調(diào)器-ZC）來確定。PAN協(xié)調(diào)器允許其他特殊節(jié)點(diǎn)，如ZigBee路由器（ZR）或協(xié)調(diào)器，發(fā)送周期信標(biāo)幀以同步他們周圍的節(jié)點(diǎn)。

圖2 簇樹拓?fù)淠Ｐ?/p>

很明顯，在發(fā)送周期信標(biāo)幀時(shí)，若時(shí)間上未經(jīng)過特殊安排處理，當(dāng)節(jié)點(diǎn)處在多個(gè)協(xié)調(diào)器重疊的傳輸范圍時(shí)，在這些節(jié)點(diǎn)上將發(fā)生信標(biāo)幀碰撞。15.4b工作組[5]定義了兩種類型的碰撞：①直接信標(biāo)幀碰撞；②間接信標(biāo)幀碰撞。

3 單信標(biāo)周期法信標(biāo)調(diào)度機(jī)制

在此方法中，時(shí)間窗口，作為單一信標(biāo)周期，以自由競爭方式，在超幀起始時(shí)刻發(fā)送信標(biāo)[6]，如圖3所示。各協(xié)調(diào)器通過選擇自由競爭時(shí)隙(CFTS)來確定發(fā)送時(shí)間偏移量，以避免與鄰居信標(biāo)幀碰撞。這種方法較前一種的優(yōu)點(diǎn)是，不同簇在同一時(shí)刻進(jìn)入激活期，因此臨近節(jié)點(diǎn)間可直接通信，且無占空比要求。

圖3 單信標(biāo)周期法

圖 2所示，N個(gè)協(xié)調(diào)器 { ZRi=（SDi, BIi） }1≤i≤N組成的IEEE 802.15.4/Zigbee無限個(gè)人居于網(wǎng)（WPANs），按照一定的超幀階數(shù) S Oi和信標(biāo)階數(shù) B Oi產(chǎn)生周期信標(biāo)幀。 S Di和BIi分別表示第i個(gè)協(xié)調(diào)器 Z Ri的超幀持續(xù)時(shí)間和信標(biāo)間隔，設(shè)超幀結(jié)構(gòu)以信標(biāo)單周期開始。

這種方法的復(fù)雜性在于，針對(duì)特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信標(biāo)單周期時(shí)間的計(jì)算。該時(shí)間取決于網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)、父子關(guān)系以及各協(xié)調(diào)器對(duì)CFTS的分配機(jī)制。

3.1 問題描述

問題是如何計(jì)算信標(biāo)單周期和在信標(biāo)單周期中如何調(diào)度信標(biāo)幀的傳輸。

3.2 分配一個(gè)自由競爭時(shí)隙

參見文獻(xiàn)[5]，15.4b工作組已提出協(xié)調(diào)器選擇自由競爭時(shí)隙（CFTS）應(yīng)滿足以下規(guī)則：

規(guī)則1 Ci協(xié)調(diào)器CFTS必須不同于其父協(xié)調(diào)器CFTS。

規(guī)則 2 Ci協(xié)調(diào)器 CFTS必須不同于鄰居的父協(xié)調(diào)器CFTS。

很明顯，規(guī)則1～2協(xié)調(diào)所使用的CFTS不可再用于其子協(xié)調(diào)器和鄰居協(xié)調(diào)器。因此，其沒有完全消除信號(hào)幀碰撞的問題，因?yàn)楹唵喂?jié)點(diǎn)在其父協(xié)調(diào)器的CFTS內(nèi)沒有任何手段來通知其他協(xié)調(diào)器。所以，當(dāng)其父與另一個(gè)協(xié)調(diào)器使用同一個(gè)CFTS時(shí)，在簡單節(jié)點(diǎn)處有可能發(fā)生信標(biāo)幀碰撞。

為了避免這個(gè)問題，修改規(guī)則2為：

規(guī)則2'Ci協(xié)調(diào)器CFTS必須不同于所有鄰居（包含協(xié)調(diào)器和簡單節(jié)點(diǎn)）的父CFTS。

對(duì)于沒有父子關(guān)系的情況下完全避免直接信標(biāo)碰撞，提出以下新的規(guī)則：

規(guī)則 3 Ci協(xié)調(diào)器 CFTS必須不同于其鄰居協(xié)調(diào)器CFTSs。

顯然，規(guī)則3涵蓋了某些規(guī)則2′所未涉及的情況，例如圖4 中設(shè)想的例子。事實(shí)上，圖4中想象的節(jié)點(diǎn)N31并不存在；根據(jù)規(guī)則2'，C3和C4協(xié)調(diào)器可以使用相同的CFTS。現(xiàn)在，如果節(jié)點(diǎn)N31加入網(wǎng)絡(luò)而C3和C4已經(jīng)使用了同樣的 CFTS，由于直接信標(biāo)碰撞，它將既無法聯(lián)系協(xié)調(diào)器 C3也無法聯(lián)系協(xié)調(diào)器 C4。因此，規(guī)則 3規(guī)定，直接鄰居協(xié)調(diào)器不能使用相同的CFTS，為了避免這種情況。

圖4 避免直接信標(biāo)碰撞的規(guī)則3說明

[5]中沒有涉及的另一個(gè)重要的問題是，分級(jí)同步。實(shí)際上，請(qǐng)注意，規(guī)則1和規(guī)則2允許兩個(gè)位于不同深度的協(xié)調(diào)器都具有相同的CFTS。為了說明問題，對(duì)應(yīng)圖4的網(wǎng)絡(luò)，考察圖5中CFTS分配的例子。

可以看到協(xié)調(diào)器 C0和 C7分配相同CFTS（CFTS0），C7的父協(xié)調(diào)器C3分配CFTS3 。在這種情況下，可以想象，C3協(xié)調(diào)器無條件的停止發(fā)送信標(biāo)幀，對(duì)應(yīng)該CFTS的安排協(xié)調(diào)器C7先于C3發(fā)送信標(biāo)，因此，C7的子協(xié)調(diào)器將被同步（此時(shí)C7未被同步）。由于C3本次發(fā)送信標(biāo)失敗，則C7將不會(huì)同步而成為孤兒，但此時(shí)它的子節(jié)點(diǎn)已獲同步。

這種情況下，重要的是要限制不同深度的協(xié)調(diào)器共享相同的CFTS。換言之，在信標(biāo)單周期法中，父協(xié)調(diào)器CFTS必須先于其后的所有子協(xié)調(diào)器CFTS。在接收到父協(xié)調(diào)器信標(biāo)幀確認(rèn)是同一個(gè)同步WPAN之前，協(xié)調(diào)器不能發(fā)送信標(biāo)幀。

4 結(jié)語

針對(duì)IEEE 802.15.4/Zigbee簇樹網(wǎng)絡(luò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)做了改進(jìn)，提出了信標(biāo)碰撞避免調(diào)度機(jī)制。提出了超幀時(shí)序調(diào)度算法，它依據(jù)超幀階數(shù)和信標(biāo)階數(shù)，以非重疊的方式有效的組織不同協(xié)調(diào)器的超幀時(shí)序。同時(shí)指出，這種方法可以通過組群加以改進(jìn)，但會(huì)帶來實(shí)施復(fù)雜性的增加。接下來討論了關(guān)于信標(biāo)單周期CFTS安排機(jī)制的規(guī)范和尺度計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

[1] ZHENG J, MYUNG J L. Will IEEE 802.15.4 Make Ubiquitous Networking a Reality?-- A Discussion on a Potential Low Power,Low Bit Rate Standard[J]. IEEE Communications Magazine,2004,42(06)：140-146.

[2] ADAMS J. Building Low Power into Wireless Sensor Networks Using ZigBee Technology[C]. USA：Sensors Expo Chicago, 2005：26-30.

[3] 劉希若，袁康敏，李院民. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新型MAC協(xié)議研究[J].通信技術(shù),2008，41(08)：160-165.

[4] KOUBAA A, ALVES M, TOVAR E. GTS Allocation Analysis in IEEE 802.15.4 for Real-Time Wireless Sensor Networks[C]. USA：IEEE,2006：25-29.

[5] The Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE 802.15 WPAN? Task Group 4b (TG4b) [DB/OL]. (2008-02-19).[2009-04-22]http：//grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/TG4b.html.

[6] JOEN H I, KIM Y. BOP (beacon-only period) and Beacon Scheduling for MEU (mesh-enabled USN) Devices[J].9th International Conference on Advanced Communication Technology, 2007(02)：1139-1142.