IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗研究

吳璇（廈門大學自動化系,福建廈門3610050）

IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗研究

吳璇
（廈門大學自動化系,福建廈門3610050）

摘要:低速率、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)展，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并不適用。IEEE802.15.4通信協(xié)議是短距離無線通信的IEEE標準，包含了MAC層和物理層的規(guī)范，規(guī)定了在個域網(wǎng)（PAN）中設(shè)備之間的無線通信協(xié)議和接口。該標準也可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，尤其是活動時段（CAP）中采用的CSMA/CA算法對節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中的能耗有很大作用，本文分析了其中BO、SO以及數(shù)據(jù)傳輸間隔對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備及協(xié)調(diào)器功耗的影響。

關(guān)鍵詞:IEEE802.15.4;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);CSMA/CA算法;網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗

1引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于傳感器節(jié)點能源能量的限制，其計算、存儲和通信能力都十分有限，每個節(jié)點只能獲取到局部網(wǎng)絡(luò)的信息，因而節(jié)點上所運行的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議不能太復雜，但同時還要能應對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境的不斷變化[1]。

IEEE802.15.4標準采用超幀結(jié)構(gòu)和載波監(jiān)聽多點接入/沖突避免（CSMA/CA）算法，在盡量避免沖突的前提下，提供低功耗、低數(shù)據(jù)速率的可靠傳輸，努力在沖突避免的同時控制網(wǎng)絡(luò)時延和數(shù)據(jù)傳輸效率，在執(zhí)行空閑信道評估和限制收發(fā)器使用時間中尋找平衡。

IEEE802.15.4標準規(guī)定了用于低速無線個域網(wǎng)的物理層及MAC層的兩個規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議其實并不在其范圍內(nèi)。但它能支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，即單跳星型網(wǎng)絡(luò)和通信線路超過10m的多跳對等拓撲，支持消耗功率較少，在個人活動空間工作的簡單器件[2]。

本文將從具體實驗入手，研究IEEE802.15.4標準在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗狀況。

2超幀結(jié)構(gòu)和CSMA/CA

IEEE802.15.4標準中使用的超幀是指一種用來組織網(wǎng)絡(luò)通信時間分配的邏輯結(jié)構(gòu)，如圖1所示[3],主要包括活動時期和非活動時期，超幀的活動時期又分為競爭訪問階段（Contention-AccessPeriod，CAP） 和 非 競 爭 訪 問 階 段（Contention-FreePeriod，CFP）。網(wǎng)絡(luò)中所有的通信都必須在活動時期進行，設(shè)備在非活動時期計入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。根據(jù)IEEE802.15.4標 準 的MACPIB[3]， 屬 性 值 macBeaconOrder用 來 描述協(xié)調(diào)器傳輸它們的信標的時間間隔等級，記為BO，信標幀間隔的至記為BI；屬性值macSuperframeOrder用來描述超幀活動部分的長度，記為SO，超幀活動時期長度記為SD。?當0=＜SO=＜BO=＜14，BI=aBaseSuperframeDuration*2BO，SD=aBaseSuperframeDuration*2SO，如果SO=15，超幀只包含非活動階段；如果BO=15，SO的值可忽略，網(wǎng)絡(luò)設(shè)定為無信標網(wǎng)絡(luò)。

IEEE802.15.4的MAC層的超幀的競爭訪問時段（CAP），使用帶有沖突避免的載波監(jiān)聽多點接入（CSMA/CA）算法[3]。各個設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)之前應用CSMA/CA算法競爭訪問信道，除非這個幀是跟隨在一個數(shù)據(jù)請求命令的確認幀之后（此時這個數(shù)據(jù)幀可以在發(fā)送完確認幀后立即發(fā)送）。在信標使能網(wǎng)絡(luò)中MAC子層需要使用帶時隙的CSMA/CA算法在超幀的CAP發(fā)送數(shù)據(jù)。

3實驗結(jié)果與分析

將IEEE802.15.4應用于一個大規(guī)模的樹型分簇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因為CSMA/CA算法主要應用于競爭訪問時段（CAP），這里不考慮非競爭訪問時段（CFP）。本次實驗中，BO范圍在6-10之間，SO范圍在0-2之間，從而使節(jié)點大部分時間處在睡眠狀態(tài)，節(jié)省了能量。

圖1超幀結(jié)構(gòu)

圖2設(shè)備的平均功耗

在該網(wǎng)絡(luò)中，每個協(xié)調(diào)器有3個子協(xié)調(diào)器和12個普通節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)深度為4，共包含1560個節(jié)點[4]。所有節(jié)點都要發(fā)送數(shù)據(jù)，且能通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給PAN協(xié)調(diào)器，稱為數(shù)據(jù)上行。數(shù)據(jù)傳輸間隔以信標幀間隔為單位，大小為1-100。PAN協(xié)調(diào)器每隔100個信標幀間隔廣播一次下行信標幀，提醒設(shè)備可以發(fā)送更新的數(shù)據(jù)。在信標使能網(wǎng)絡(luò)中，廣播采用父子節(jié)點間的單播間接地實現(xiàn)。

應用交錯的超幀使相鄰簇間的干擾最小化，將連續(xù)時間離散化，使單位時間為超幀的長度。在開始時，每個協(xié)調(diào)器都會執(zhí)行一次被動掃描來搜索鄰居設(shè)備和空閑的時隙，并隨機選擇一個空閑時隙開始，以減少和周圍設(shè)備的沖突碰撞。

采用三個模型分析網(wǎng)絡(luò)性能：競爭模型、MAC層模型和節(jié)點模型。分析CSMA/CA算法中的回退時間、碰撞和重傳[5]。為簡化問題，不考慮非競爭訪問時段，在星型網(wǎng)絡(luò)拓撲基礎(chǔ)上分析IEEE802.15.4標準[6]。分析發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀、確認幀、信標幀以及網(wǎng)絡(luò)掃描所需的能量和時間[7]。

3.1設(shè)備的功耗

設(shè)備的平均功耗與上行數(shù)據(jù)傳輸間隔IU的關(guān)系如圖2所示。

其中SO=1，BO取6、8、10。由圖可見，由于接受信標幀和發(fā)送信標幀的能量隨著信標幀和數(shù)據(jù)發(fā)送的間隔增大而減小，設(shè)備的功耗也隨之減小。而隨著信標幀發(fā)送間隔的增大，網(wǎng)絡(luò)掃描的能耗隨之顯著增加，這是由于網(wǎng)絡(luò)掃描的能耗與信標周期成比例增長。因此，BO=10時，設(shè)備的功耗可以比BO=8時還大。

3.2協(xié)調(diào)器的功耗

在不同的BO和SO下，協(xié)調(diào)器的平均功耗與上行數(shù)據(jù)傳輸間隔的關(guān)系如圖3所示。隨著信標和數(shù)據(jù)發(fā)送的時間間隔的增大，所需能量減少，協(xié)調(diào)器發(fā)送和接收信標的能耗相應減少。而隨著SO的增大，相對的CAP時段增長，則協(xié)調(diào)器在CAP的能耗增大。

4結(jié)論

圖3協(xié)調(diào)器的功耗

實驗結(jié)果顯示，IEEE802.15.4標準也同樣可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，且并不局限于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。其中采用的超幀結(jié)構(gòu)和載波監(jiān)聽多路接入/沖突避免（CSMA/CA）的媒體介入方式，對網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備和協(xié)調(diào)器的節(jié)能有很大作用，研究中需要考慮網(wǎng)絡(luò)中不同部分和不同行為的耗能情況，選擇合適的SO和BO對控制設(shè)備能耗很重要。總體上可知當數(shù)據(jù)傳輸間隔和BO增大，或SO減小時，設(shè)備和協(xié)調(diào)器的功耗隨之減小。

參考文獻：

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作者簡介：吳璇（1990-），女，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向：模式識別與智能系統(tǒng)。