三種工業(yè)用WSN的MAC層分析與對(duì)比

王 駿

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，上海 200233)

0 引言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)是針對(duì)低功耗、低速率以及短程的無線通信應(yīng)用，適合于家庭自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)和健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域也得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1］。

早期出現(xiàn)的WSN大多遵循ZigBee協(xié)議［2］，具有資源豐富、協(xié)議公開等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用，目前的工業(yè)應(yīng)用大多也是采用ZigBee協(xié)議。但考慮到工業(yè)應(yīng)用的特殊性(如電磁干擾、應(yīng)用行規(guī)、互操作等)，國(guó)內(nèi)外企業(yè)和組織于近幾年開始工業(yè)用WSN的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作。先后由HCF組織和中國(guó)WIA組織起草并由IEC 發(fā)布的 Wireless HART［3］和 WIA-PA［4］標(biāo)準(zhǔn)，成為目前工業(yè)WSN研究與應(yīng)用的新熱點(diǎn)。本文通過對(duì)這三種協(xié)議的MAC層進(jìn)行分析和對(duì)比，以幫助用戶選擇合適的協(xié)議、產(chǎn)品及應(yīng)用。

1 MAC層協(xié)議簡(jiǎn)介

本文涉及的三種無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)協(xié)議均采用了IEEE 802.15.4［5］標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的物理層(PHY)，但在媒介訪問控制(MAC)層及以上各層是不同的。由于MAC層特性直接決定了網(wǎng)絡(luò)性能(如吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸率、時(shí)間特性等)，因此這三種協(xié)議具有不同的性能和表現(xiàn)。

1.1 ZigBee

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議于2003年由IEEE 802.15.4和 ZigBee聯(lián)盟共同制定，目前為2007 PRO版本。ZigBee協(xié)議主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)/安全層、應(yīng)用框架及高層應(yīng)用規(guī)范構(gòu)成。其中PHY層與MAC層由IEEE定義，網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟定義。

由于ZigBee本身并沒有規(guī)定PHY和MAC，而是完全采用 IEEE 802.15.4，因此，其 MAC 層性能與IEEE 802.15.4 一致。IEEE 802.15.4 的 MAC 主要分為信標(biāo)(Beacon)和非信標(biāo)(Non-Beacon)兩種工作模式［5］，而 ZigBee 主要采用的是非信標(biāo)模式［2］，即基于CSMA-CA的搶占式通信模式，以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度。鑒于IEEE 802.15.4的 MAC不支持跳頻操作，因此，某個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)僅能在同一信道上保持通信(關(guān)于跳頻不在本文研究范圍內(nèi))。如果該信道存在干擾，則該WSN中節(jié)點(diǎn)的通信將不可靠。這是目前ZigBee在工業(yè)應(yīng)用中面臨的一個(gè)主要問題。

基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠酁榇貭罹W(wǎng)，包括3類設(shè)備:網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(中心協(xié)調(diào)器)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。其中，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理，并將路由表分配到路由節(jié)點(diǎn);路由及安全等內(nèi)容由ZigBee規(guī)定;各節(jié)點(diǎn)間的MAC層按照IEEE 802.15.4的非信標(biāo)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)為802.15.4中規(guī)定的全功能節(jié)點(diǎn)(FFD)。因?yàn)樾枰獔?zhí)行路由操作，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)必須一直處于喚醒偵聽狀態(tài)，無法進(jìn)入休眠，因此，兩者本身并非低功耗。網(wǎng)絡(luò)中僅有終端節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠，因?yàn)槠錈o需進(jìn)行路由操作，僅與父節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)關(guān)或路由節(jié)點(diǎn))建立單跳連接，因此僅在需要發(fā)送或接收的時(shí)候喚醒操作，其余時(shí)間進(jìn)入休眠。但由于CSMA-CA機(jī)制的存在，節(jié)點(diǎn)喚醒后需要進(jìn)行退避(Backoff)操作并偵聽信道，以判斷是否可以發(fā)送，因此，如果網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重或存在較大的干擾時(shí)，節(jié)點(diǎn)將長(zhǎng)期處于碰撞偵聽過程，導(dǎo)致無法有效進(jìn)入低功耗休眠模式。

1.2 WIA-PA

WIA-PA具有與ZigBee類似的特點(diǎn)，包括采用IEEE 802.15.4的PHY和MAC以及采用類似的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備分類(網(wǎng)關(guān)、路由及終端);且網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)和路由節(jié)點(diǎn)需要全時(shí)工作，僅終端節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)。

相對(duì)于ZigBee協(xié)議，WIA-PA更適合工業(yè)應(yīng)用。這不僅是因?yàn)閃IA-PA的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議規(guī)定了安全及應(yīng)用行規(guī)等內(nèi)容，更主要的是其MAC層采用了信標(biāo)(Beacon)傳輸模式，并擴(kuò)展了數(shù)據(jù)鏈路(DLSL)子層，實(shí)現(xiàn)了跳頻、重傳等功能，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性?；谛艠?biāo)的網(wǎng)絡(luò)超幀格式如圖1所示［4］。

圖1 WIA-PA的超幀格式Fig.1 Super-frame format of WIA-PA

從圖1可以看出，WIA-PA的超幀格式是一種對(duì)IEEE 802.15.4超幀格式的擴(kuò)展，在超幀的非活動(dòng)期采用類似TDMA的技術(shù)進(jìn)行slot劃分。同時(shí)，考慮到網(wǎng)絡(luò)分為簇內(nèi)和簇間兩層，為避免相互間沖突，在時(shí)間上作了分割，即一部分時(shí)間段用于簇內(nèi)(星型結(jié)構(gòu))節(jié)點(diǎn)的slot通信，另一部分時(shí)間段用于簇間(網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))節(jié)點(diǎn)的slot通信。

由于WIA-PA是對(duì) IEEE 802.15.4 MAC的改進(jìn)，因此，其兼容其他符合IEEE 802.15.4信標(biāo)模式節(jié)點(diǎn)的接入，可在超幀中的CAP和CFP階段對(duì)這些兼容節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信處理。

與ZigBee相比而言，采用信標(biāo)模式的優(yōu)點(diǎn)是避免了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)碰撞發(fā)生的機(jī)率，有利于功耗的降低以及其他網(wǎng)絡(luò)性能的提高。

三種工業(yè)用WSN的協(xié)議架構(gòu)對(duì)比圖如圖2所示。

圖2 三種工業(yè)用WSN的協(xié)議架構(gòu)對(duì)比圖Fig.2 The comparison of protocol architectures for three industrial WSNs

1.3 Wireless HART

與ZigBee和WIA-PA協(xié)議不同，Wireless HART協(xié)議僅與 IEEE 802.15.4的2.4 GHz PHY層相兼容。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，Wireless HART采用全網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備簡(jiǎn)化為網(wǎng)關(guān)和終端(現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)兩類，其中終端具有路由功能。

Wireless HART與ZigBee和WIA-PA除在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上不同外，其MAC層的主要特征在于采用TDMA技術(shù)替代CSMA-CA，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?。Wireless HART 的超幀格式如圖 3 所示［3］，與 IEEE 802.15.4 的信標(biāo)模式類似，超幀由若干slot構(gòu)成。Wireless HART規(guī)定每個(gè)slot的時(shí)長(zhǎng)固定為10 ms，并且在一個(gè)slot內(nèi)完成STX(發(fā)送)和ACK(應(yīng)答)操作。

圖3 Wireless HART的超幀格式Fig.3 Super-frame format of Wireless HART

Wireless HART的TDMA技術(shù)與WIA-PA的slot技術(shù)類似，均通過時(shí)隙的分配避免沖突碰撞。但在具體的報(bào)文格式和收發(fā)時(shí)序上存在差異，且由于Wireless HART的超幀內(nèi)不額外劃分CAP、CFP和簇內(nèi)/簇間通信，因此使用率更高。基于超幀的Wireless HART和WIA-PA由于涉及時(shí)間同步和自適應(yīng)跳頻等問題，在MAC層操作上較非信標(biāo)模式的ZigBee復(fù)雜;此外，在網(wǎng)絡(luò)層還需要考慮安全加密、網(wǎng)絡(luò)加入等問題，往往需要使用額外的組態(tài)工具，才能使網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)正常工作。

2 網(wǎng)絡(luò)性能分析

本文主要對(duì)MAC層的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)(transmission delay)、包交付率(packet delivery rate)和單節(jié)點(diǎn)的帶寬效率(bandwidth efficiency)三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行模擬分析。采用文獻(xiàn)［6］和［7］中提及的相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算分析。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算及分析，并保證三種WSN的工作條件一致，作以下規(guī)定。

①僅考慮星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)僅與中心協(xié)調(diào)器建立單跳連接，且不支持多信道及跳頻。

② 節(jié)點(diǎn)采樣及輸出的周期頻率fs為2 Hz(500 ms)，也就是超幀周期時(shí)間，則WIA-PA協(xié)議中MAC的BO參數(shù)設(shè)為5(BI=491.52 ms)。

③設(shè)置WIA-PA中的SO參數(shù)為2(SD=61.44 ms)，即超幀的活動(dòng)期(CAP+CFP)每個(gè) slot時(shí)隙時(shí)間為3.84 ms，其后非活動(dòng)期等分為43個(gè)slot，每個(gè)slot時(shí)長(zhǎng)約為10 ms，與Wireless HART一致。

④ ZigBee和WIA-PA支持IEEE 802.15.4的應(yīng)答機(jī)制。

2.1 傳輸延時(shí)

根據(jù)文獻(xiàn)［6］和［7］中的定義，IEEE 802.15.4 的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)Tl由平均退避時(shí)間Tbo、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間Tpacket、收發(fā)切換時(shí)間 TTA、應(yīng)答時(shí)間 TACK和幀間間隔(interframe space，IFS)時(shí)間 TIFS等構(gòu)成，如式(1)所示。

對(duì)于WIA-PA而言，由于采用類似TDMA的沖突避免技術(shù)，因此數(shù)據(jù)傳輸時(shí)無需進(jìn)行退避操作，即不包含式(1)中的Tbo。對(duì)于Wireless HART，相關(guān)時(shí)間常數(shù)與IEEE 802.15.4的定義略有不同，詳見文獻(xiàn)［3］。由于平均退避時(shí)間Tbo和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間Tpacket與節(jié)點(diǎn)數(shù)量n和MAC層包負(fù)載(payload)有關(guān)，因此計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量n和包負(fù)載情況下的傳輸延時(shí)Tl。傳輸延時(shí)與包負(fù)載關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 傳輸延時(shí)與包負(fù)載關(guān)系圖Fig.4 Relationship between transmission delay and payload

從圖4可以看出，基于非信標(biāo)模式的ZigBee協(xié)議，其數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)Tl不僅與包負(fù)載有關(guān)，還與節(jié)點(diǎn)數(shù)量n有關(guān)，原因是ZigBee需要進(jìn)行CSMA-CA的退避計(jì)算以避免沖突(這里的退避時(shí)間Tbo是平均值)。

基于TDMA技術(shù)的WIA-PA和Wireless HART，由于無需進(jìn)行退避計(jì)算而使傳輸延時(shí)減小，它們的差異僅在于ACK應(yīng)答報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同。二者有較小的延時(shí)時(shí)間，有利于降低節(jié)點(diǎn)功耗，提高信道的利用率。

2.2 包交付率

包交付率(PDR)表示了數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)母怕省Ｓ绊懓_傳輸?shù)囊蛩匕≒HY物理層干擾、退避失效以及碰撞。文獻(xiàn)［6］中給出了非信標(biāo)模式下IEEE 802.15.4的包交付率計(jì)算公式，其同樣與節(jié)點(diǎn)數(shù)量n和MAC層包負(fù)載有關(guān)。對(duì)于WIA-PA和Wireless HART而言，由于TDMA機(jī)制避免了退避失效和碰撞，因此，包傳輸失效僅與PHY誤碼率有關(guān)。參考IEEE 802.15.4的PHY規(guī)范，該誤碼率為1%。三種協(xié)議的PDR曲線如圖5所示。

圖5 包交付率與包負(fù)載關(guān)系圖Fig.5 Relationship between packet delivery rate and payload

從圖5可以看出，基于非信標(biāo)模式的ZigBee協(xié)議，其PDR隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量n和包負(fù)載的增加而迅速下降，同時(shí)還與節(jié)點(diǎn)的采樣及輸出速率fs有關(guān)。研究表明，當(dāng)延時(shí)不滿足Tl＜1/(60fs)的條件時(shí)，PDR將下降到90%以下。而基于TDMA技術(shù)的WIA-PA和Wireless HART，其包交付率與n和包負(fù)載無關(guān)，僅與誤碼率有關(guān)。文獻(xiàn)［8］通過樣本試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行過研究。

2.3 帶寬效率

文獻(xiàn)［7］中給出的單節(jié)點(diǎn)帶寬效率η，可理解為包負(fù)載傳輸所用時(shí)間Tpayload與整個(gè)傳輸延時(shí)Tl的比例，用于衡量負(fù)載傳輸?shù)男?。使用TDMA時(shí)，由于包傳輸被分配在固定的slot時(shí)隙時(shí)間內(nèi)，時(shí)間片長(zhǎng)度是固定的(10 ms)，因此，其帶寬效率計(jì)算公式如式(2)所示。

三種協(xié)議的單節(jié)點(diǎn)帶寬效率曲線如圖6所示。

圖6 帶寬效率與包負(fù)載關(guān)系圖Fig.6 Relationship between bandwidth efficiency and payload

從圖6可以看出，在slot時(shí)長(zhǎng)大于傳輸延時(shí)Tl的情況下，WIA-PA或Wireless HART的單節(jié)點(diǎn)傳輸效率不及ZigBee。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)三種目前主流的工業(yè)用WSN，對(duì)其MAC層進(jìn)行了探討，并結(jié)合特殊應(yīng)用條件分析了傳輸延時(shí)、包交付率PDR以及單節(jié)點(diǎn)的帶寬效率η三項(xiàng)性能指標(biāo)。

研究表明，ZigBee和另兩種協(xié)議在MAC上的主要區(qū)別在于CSMA-CA和TDMA技術(shù)。基于CSMA-CA的非信標(biāo)模式具有較高的帶寬效率，但在傳輸延時(shí)和包交付率方面與TDMA有明顯差距，特別是隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)、包負(fù)載以及采樣/傳輸速率的增加，ZigBee可能無法滿足應(yīng)用需求［8］。此外，WIA-PA和 Wireless HART具有的跳頻、重傳、安全加密等技術(shù)，使其具有更高的通信可靠性和安全性(這些內(nèi)容不在本文研究范圍內(nèi))。

相對(duì)而言，WIA-PA和Wireless HART操作復(fù)雜，在MAC及以上各層需要進(jìn)行額外的配置，給產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用帶來了不便。因此，在節(jié)點(diǎn)數(shù)、包負(fù)載以及采樣速率、傳輸速率要求不高的情況下，即滿足 Tl＜1/(60fs)，ZigBee也能夠達(dá)到較好的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)和功耗水平。

［1］曾鵬.工業(yè)無線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與應(yīng)用［J］.中國(guó)儀器儀表，2008(3):40－44.

［2］ZigBee Alliance Document 053474.ZigBee specification［M］.ZigBee Alliance，2007.

［3］IEC.IEC Standard 62591 Industrial communication networks-Wirelesscommunication network and communication profile-Wireless HARTTM［S］.IEC，2010.

［4］IEC.IEC Standard 62601 Industrial communication networks-Fieldbus specifications-WIA-PA communication network and communication profile［S］.IEC，2010.

［5］IEEE.IEEE Standard 802.15.4 Wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks(WPANs)［S］.IEEE，2006.

［6］Liang Xuedong，Balasingham I.Performance analysis of the IEEE 802.15.4 based ECG monitoring network［C］//Seventh IASTED International Conferences－ Wireless and Optical communications，Canada，2007:99 －104.

［7］Latre B，Mil P D，Moerman I，et al.Throughput and delay analysis of unslotted IEEE 802.15.4［J］.Journal of Networks，2006(1):20 －28.

［8］Du W，Navarro D，Mieyeville F.A simulation study of IEEE 802.15.4 sensor networks in industrial applications by system-level modeling［C］//Fourth International Conference on Sensor Technologies and Applications，Italy，2010:311－316.