IEEE802.15.4協議GTS算法性能研究

姜智文,周 熙,李廣位,黃 磊

(重慶通信學院,重慶400035)

IEEE802.15.4協議GTS算法性能研究

姜智文,周 熙,李廣位,黃 磊

(重慶通信學院,重慶400035)

簡單介紹了IEEE802.15.4標準中特有的GTS算法。基于OPNET仿真平臺,設計了不同網絡環境下的仿真實驗。研究了超幀參數SO、數據到達率和IFS參數對GTS吞吐量、耗費帶寬以及分組介質接入時延的影響。結果表明,對于高數據到達率時,低SO值和SIFS時,實現了GTS分配的最大化利用以及最小介質接入時延;高SO值和LIFS時,既沒有保障GTS分配的最大化利用,反而還加大了分組介質接入時延,不適合時間敏感性強的無線傳感器網絡。

吞吐量 帶寬利用率 介質接入時延 GTS算法 IEEE802.15.4

0 引 言

IEEE802.15.4標準[1-2]是一種針對低速率、低能耗和低成本的無線個域網(WPAN,Wireless Personal Area Network)而設計的無線通信協議。IEEE802.15.4標準能夠靈活地、廣泛地應用于眾多環境,這都是得益于對其參數的合理調整。由于IEEE802.15.4標準采用保障時隙(GTS,Guaranteed Time Slot)媒體接入控制機制來提供實時保障傳輸,這就使得IEEE802.15.4標準能夠支持實時性很強的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)[3]。在許多高危險性的環境里,保障信息的傳輸甚至比節約能耗更加重要。

1 相關研究工作

從分配的角度來看,GTS分配的概念類似于時分多址接入(TDMA,Time Division Multiplex Access)時隙分配。預留的帶寬被周期性地分給指定的數據流。然而,IEEE802.15.4GTS機制相比于TDMA來說更加靈活,因為它可以動態地調整超幀的參數來滿足不同的應用環境需求。目前,研究人員已針對其靈活的參數設置做了大量的研究工作。在文獻[4]中,提出了采用自適應GTS分配分配方案(AGA,Adaptive GTS Allocation scheme)算法,在AGA算法中,針對節點近期的GTS使用情況,PAN主控節點為節點分配不同的優先級來進行資源調度。在文獻[5-7]中,采用數學方法評估了GTS算法的時延性能,并證明了調度算法的可預測性。在文獻[7]中,提出了能量高效的超幀參數選擇方法來滿足實時業務的時延要求。在文獻[8]中,提出了一個簡單和高效的16-mTS算法,在該算法中, CFP期間被劃分為16個微時隙,該算法優先為時間敏感的應用提供GTS分配。在文獻[9]中,作者提出了準確的OPNET仿真模型,主要關注了GTS分配的最大吞吐量以及最小幀時延等性能,文中的研究主要是基于此而展開的。

2 GTS算法概述

IEEE802.15.4標準定義了物理層和媒體接入控制(MAC,Medium Access Control)層。文中采用理想的物理層環境,頻段范圍為2400～2483.5 MHz,傳輸速率為250 kb/s,調試方式為O-QPSK。

MAC層是主要是用來規范信道訪問的方式,支持信標使能和非信標使能兩種運行模式,運行模式的選取是由網絡中的中心控制節點所控制的,叫做主控(PAN協調器,PAN Coordinator)。在信標使能模式中,保障時隙僅由PAN主控節點分配給想要傳輸實時數據或者數據請求帶寬預留的設備。

在信標使能模式中,引入了超幀結構(如圖1所示)。超幀以PAN協調器發出的信標(以圖1中第一個時隙)為開始,由活躍期和非活躍期兩個部分組成。在活躍期,PAN中的設備進行通信,完成數據傳輸;在非活躍期,PAN中的設備停止通信,進入休眠狀態以達到節省能量的目的。

圖1 超幀結構Fig.1 Structure of superframe

超幀的結構由兩個參數確定,信標參數BO (Beacon Order)和超幀參數SO(Superframe Order), BO決定超幀的長度,SO決定一幀中活躍期的長度, BO和SO滿足0≤SO≤BO≤14。超幀長度BI和超幀活躍期長度SD由式(1)、式(2)確定:

BI=aBaseSuperframeDuration×2BO(1)

SD=aBaseSuperframeDuration×2SO(2)

當BO=0時,定義了一個超幀的最短長度。該標準定義最短長度為960symbols(假設在2.4 GHz附近頻段和250 kb/s傳輸數率下,1個Symbol相當于4 bits)。超幀的工作周期(也稱為占空比)定義為: DC=SD/BI。顯然,由式(1)、式(2)可知,占空比與SO和BO的取值相關。

超幀的活躍期劃分為三個時段:信標發送時段、競爭訪問時段(CAP,Contention Access Period)和非競爭訪問時段(CFP,Contention Free Period)。活躍期被劃分為16個等長的時隙,在超幀的CAP時段,節點采用時隙CSMA/CA機制接入信道。在CFP時段,PAN主控節點以先來先服務(FCFS)的方式分配各節點預約的保障時隙GTS。保障時隙用于保障業務數據的實時傳輸,每個超幀最多支持7個保障時隙。

PAN主控節點負責GTS的分配工作,要么作為其初始的結果,要么取決于來自終端設備的請求。根據接收一個GTS分配的請求,PAN主控節點檢查是否有足夠的資源如果有,分配請求GTS。一個超幀最多支持7個GTS,每個GTS可以包括一個或更多的時隙。一個GTS只用于從設備到PAN主控節點(傳輸方向)或者從PAN主控節點向設備(接收方向)傳輸消息。在傳輸方向或者接收方向,每個設備可以請求一個GTS。GTS的分配不能低于最小CAP的長度,即aMinCAPLength(440symbols)。另外,一個已經分配了GTS的設備也可以在CAP期間進行傳輸。在非活躍期的時段里,各個設備可以進入低能耗模式來節省能量。

3 仿真方案設計

3.1 仿真模型

OPNET Modeler是當前業界領先的網絡技術開發環境,以其高度的靈活性應用于設計和研究通信網絡、設備和協議。文中的仿真模型是基于Petr Jurcik等人提出的針對IEEE802.15.4協議GTS機制的OPNET仿真模型[10](如圖2所示),該仿真模型是目前能夠最準確地反映IEEE802.15.4協議相關性能的仿真模型。但是,該仿真模型當前僅支持星形拓撲結構,因此,在終端設備和PAN主控節點之間只能滿足單跳的通信方式。

圖2 IEEE802.15.4的OPNET仿真模型Fig.2 OPNET simulation model of IEEE802.15.4

仿真模型主要由應用層、MAC層、物理層以及電源模塊四部分組成。應用層由Traffic Source和GTS Traffic Source和Sink進程模塊構成,在CAP期間Traffic Source生成非確認和確認的數據幀并且采用時隙CSMA/CA,而GTS Traffic Source使用GTS原理產生非確認和確認的實時數據幀,Traffic Sink接受來自低層的幀并且完成網絡數據的統計。

該仿真模型中還定義了GTS中一些重要的用戶自定義屬性。用戶自定義的屬性值GTS Permit, PAN主控節點可以接收或拒絕來自終端設備GTS分配請求。當GTS分配和釋放請求發送給PAN協調點時,設備可以指定時間(Start Time和Stop Time屬性)。分配請求也包括請求時隙的數量GTS Length屬性和方向(傳輸或接收)GTS Direction。

當請求GTS分配給指定設備時,其應用層開始形成數據塊(以下稱為幀負載)與MAC幀負載一致(也就是MAC業務數據單元(MSDU))。這種幀負載的大小由MSDU Size屬性的概率分配函數所規定。概率分配函數在MSDU Interarrival Time屬性里規定,在兩個連續的幀負載之間定義inter-arrival時間。幀負載覆蓋在MAC報頭里以幀形式存儲在規定容量的緩存內(Buffer Capacity屬性)。

MAC報頭的默認值是104 bits,因此僅有16 bits的短地址用于通信[1]。全部幀的最大允許分配值(也就是幀負載加上MAC報頭)等于aMaxPHYP-acketSize(1016)bits。形成的幀超過了緩沖分配的范圍時將予以拋棄。當請求的GTS被激活時,幀將被從緩存內刪除,覆蓋在物理層報頭處并且以一個an outgoing data rate等于物理數據率WPAN_DATA_ RATE(250 kb/s)的輸出數據率分配給網絡。

3.2 仿真設置

為了更準確的地反映GTS機制的性能,文中設置了2個節點,一個PAN主控節點和一個設備節點,這樣就避免了媒體接入競爭對GTS的影響,確保了仿真結果的準確性。這里假設在每個超幀內僅有一個GTS的時隙分配,并且滿足100%的占空比(SO=BO)。確認幀和非確認幀均可以在GTS期間傳輸,但在文中,由于采用廣播方式傳播,所以只有非確認幀的傳輸,而沒有確認幀的傳輸。緩存容量為2 kbits,仿真場景范圍為100 m×100 m。

連續的幀被幀間間隔(IFS,Inter Frame Spacing)時段所分隔。對于幀長度小于aMAXSIFSFrameSize(144 bits)[1],IFS等于一個48 bits的較短幀幀間隔(SIFS,Short Inter-Frame Spacing)。對于幀長度大于aMAXSIFSFrameSize并且小于aMax-PHYPacketSize(1 016 bits),IFS等于160 bits的較長幀幀間隔(LIFS,Long Inter-Frame Spacing)。如果在GTS結束之前整個傳輸(包括幀,IFS,確認和請求)能夠完成,那么對于一個分配了GTS的設備只能傳輸一個幀,否則其必須等待下一個GTS。

為了探究IFS對于GTS吞吐量、耗費帶寬以及分組介質接入時延的影響,幀負載大小設置為40 bits或41 bits。這是因為在幀負載小于或等于40 bits時(幀大小=144 bits),使用SIFS(48 bits);在幀負載大小大于或等于41 bits時,使用LIFS (160 bits)。在幀負載中的一個bit的變化將會在IFS中引起112個額外的bits。還設置了不同的數據到達率,定義為式(3)。

4 仿真結果及分析

通過改變網絡中的參數值,設置了不同的網絡場景。對于不同的SO(這里僅考慮0～7)、IFS和不同的數據到達率,這里仿真和比較了在一個時隙的GTS里的吞吐量、耗費帶寬以及分組介質接入時延等性能。圖3為在不同的SO值(占空比均為1),兩種幀負載(40 bits和41 bits)的條件下,節點的GTS吞吐量的仿真結果。

圖3 不同SO值下的GTS吞吐量的變化曲線Fig.3 Throughput curves of GTS with different SO values

由圖3可知,數據到達率為5 kb/s時的GTS吞吐量僅為其他情況下的一半左右,這主要是因為,數據到達率為5 kb/s的時候,每28.8 ms就會形成一個幀負載,當SO=0時,一個超幀的時間是15.36 ms,也就是說,每兩個超幀中就會有一個可用幀存在緩存中,因此其GTS吞吐量就為其他情況下的一半左右;而對于幀負載等于41 bits的情況下,SO=0時,其GTS吞吐量也為0,這是由于在GTS結束之前,幀的傳輸并沒有完成所導致。對于數據到達率較大的情況下,GTS吞吐量基本保持相同的狀態,峰值也基本相同;而在SO=7時,整個網絡超出了緩存能力,網絡拋棄了所有幀,GTS吞吐量為0。比較具有相同數據到達率和不同幀負載的條件下的GTS吞吐量可知,使用SIFS的情況下的GTS吞吐量要比使用LIFS時表現得更優越。GTS吞吐量的峰值是出現在SO取值為2～4的條件下,可見在較低的SO取值情況下,GTS吞吐量達到了最大值。

圖4為在不同的SO值(占空比為1),兩種幀負載(40 bits和41 bits)的條件下,節點因IFS所導致的耗費帶寬的仿真結果。由圖可知,數據到達率為5 kb/s的耗費帶寬為其他情況下近一倍左右,而對于幀負載等于41 bits的情況下,SO=0時,其耗費帶寬也為0,這個原因與造成吞吐量的減半是相同的,這里不再贅述。對于數據到達率較大的情況下,耗費帶寬基本保持相同的狀態,最小值也基本相同;而在SO=7時,整個網絡超出了緩存能力,網絡拋棄了所有幀,耗費帶寬為0。比較具有相同數據到達率和不同幀負載的條件下的耗費帶寬可知,使用SIFS的情況下的GTS吞吐量要比使用LIFS優越很多,因為其具有更高的帶寬利用率。耗費帶寬的最小值是出現在SO取值為2～4的條件下,可見在較低的SO取值情況下,對網絡帶寬的利用率是最優的。

圖4 不同SO值下的耗費帶寬的變化曲線Fig.4 Curves of bandwidth utilization with different SO values

圖5為在不同的SO值(占空比為1),兩種幀負載(40 bits和41 bits)的條件下,節點分組介質接入時延的仿真結果。觀察可知,對于數據到達率比較高的條件下(40～120 kb/s),分組介質接入時延并不受數據到達率的影響,介質接入時延最低是在低SO值時實現的。在SO值等于6的時候,介質接入時延會有一個明顯的增加,這是應為所有存儲在緩存里的幀都在一個GTS時段內傳輸,介質接入時延也就會隨之增加,而在SO=7時,整個網絡超出了緩存能力,網絡拋棄了所有幀,故而介質接入時延為0。比較具有相同數據到達率和不同幀負載的條件下的介質接入時延可知,在使用SIFS的情況下的該機制的接入時延性能要比使用LIFS時好很多,因為其具有更低的分組介質接入時延。

圖5 不同SO值下的介質接入時延的變化曲線Fig.5 Curves of packet medium access delay with different SO values

5 結 語

簡單介紹了IEEE802.15.4標準特有的GTS算法。基于OPNET仿真平臺,設計了不同網絡環境下的仿真實驗。研究了SO值、數據到達率和IFS參數對GTS吞吐量、耗費帶寬以及分組介質接入時延的影響。結果表明,在SO值為2～4時,實現了GTS分配的最大化利用;在SO=2的時候是最適合提供實時保障業務的,因為其實現了GTS幀的最小介質接入時延;相反,高SO值既沒有保障GTS分配的最大化利用,也沒有降低介質接入時延,并不適合時間敏感性強的無線傳感器網絡。

[1]IEEE 802.15.4.Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(LRWPANs)[S].Revision of IEEE Std 802.15.4-2006, New York:IEEE,2006:1-25.

[2]KOUB?A A,ALVES M,TOVAR E.IEEE 802.15.4 for Wireless Sensor Networks:a Technical Overview[J].IPP -HURRAY Technical Report(TR-050702),2005:1-18.

[3]鄭丹玲,董宏成.無線傳感器網絡與其關鍵技術[J].通信技術,2008,41(08):179-180.

ZHENG Dan-ling,DONG Hong-cheng.Wireless Sensor Network and Its Key Technology[J].Communications Technology,2008,41(08):179-180.

[4]HUANG Y K,PANG A C,KUO T W.AGA:Adaptive GTS allocation with Low Latency and Fairness Considerations for IEEE 802.15.4[C]//Communications,2006. ICC'06.IEEE International Conference on.Istanbul: IEEE,2006:3929-3934.

[5]KOUB?A A,ALVES M,TOVAR E.GTS Allocation A-nalysis in IEEE 802.15.4 for Real-time Wireless Sensor Networks[C]//Parallel and Distributed Processing Symposium,2006.IPDPS 2006.20th International.Rhodes Island:IEEE,2006:158.

[6]KOUB?A A,ALVES M,TOVAR E.i-GAME:an Implicit GTS Allocation Mechanism in IEEE 802.15.4 for Time-sensitive Wireless Sensor Networks[C]//Real-Time Systems,2006.18th Euromicro Conference on. Dresden:IEEE,2006:192.

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[8]CHENG L,BOURGEOIS A G,ZHANG X.A New GTS Allocation Scheme for IEEE 802.15.4 Networks with Improved Bandwidth Utilization[C]//Communications and Information Technologies 2007.ISCIT'07.International Symposium on Sydney.NSW:IEEE,2007:1143-1148.

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[10]JUR?íK P,KOUB?A A.The IEEE 802.15.4 OPNET Simulation Model:Reference Guide v2.0[J].IPPHURRAY Technical Report,HURRAY-TR-070509, 2007(05):1-13.

姜智文(1988—),男,碩士研究生,主要研究方向為無線傳感器網絡;

JIANG Zhi-wen(1988-),male,graduate student in Chongqing Institute of Communication,mainly engaged in wireless sensor networks.

周 熙(1972—),男,博士,碩士生導師,教授,主要研究方向為無線網絡;

ZHOU Xi(1972-),male,Ph.D.,master tutor,professor,mainly working at wireless network.

李廣位(1963—),男,碩士,教授,主要研究方向為衛星通信和無線網絡;

LI Guang-wei(1963-),male,M.Sci.,professor,mainly working at satellite communications and wireless network.

黃 磊(1973—),男,碩士,講師,主要研究方向為衛星通信。

HUANG Lei(1973-),male,M.Sci.,lecturer,mainly working at satellite communications.

Performance of GTS Mechanism in IEEE802.15.4 Protocol

JIANG Zhi-wen,ZHOU Xi,LI Guang-wei,HUANG Lei
(Chongqing Institute of Communications,Chongqing 400035,China)

The unique GTS mechanism in IEEE802.15.4 standard is simply described,the impacts of SO (Superframe Order),data arrival rate and IFS on GTS mechanism performance are discussed,through various simulation experiments based on OPNET software under different network conditions.Simulation results show that the maximum utilization of allocated GTS and minimal packet medium access delay are achieved in low SO value and SIFS for applications with high data arrival rate.However,it is not suitable for time-sensitive wireless sensor networks,for this mechanism could neither achieve the maximum utilization of allocated GTS,nor decrease the packet medium access delay for high SO value and LIFS.

throughput;bandwidth utilization;medium access delay;GTS mechanism;IEEE802.15.4

TP391.4

A

1002-0802(2014)01-0055-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.011