傳感器網(wǎng)絡中實時通信的研究

近年來，由于能夠適應多種現(xiàn)實智能環(huán)境，傳感器網(wǎng)絡得到了快速發(fā)展，并以其自組織、自管理、自節(jié)能、可靠性高、造價低和適用于惡劣環(huán)境等特點，被廣泛應用于軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護和交通等領(lǐng)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(yī)療中，對于病人血壓值的突然升高必須在很短時間內(nèi)了解并采取措施。在軍事打擊中，一些重要傳感器的數(shù)據(jù)必須盡快得到處理并能得到快速反應。傳感器網(wǎng)絡應用于工業(yè)自動制造中也有實時性的要求。根據(jù)工業(yè)自動化系統(tǒng)理論，實時系統(tǒng)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5～10 ms之間；高約束級，響應時間低于1 ms。本文以星型為網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，以IEEE802.15.4標準和ZigBee為基礎(chǔ)協(xié)議，研究傳感器網(wǎng)絡中MAC協(xié)議的實時性能。

　　2協(xié)議分析

　　IEEE 802.15.4定義了2個工作頻段，即2.4 GHz頻段和868／915 MHz頻段(適合不同國家地區(qū))，共分配27個具有3種速率的信道：在2.4 GHz頻段有16個速率為250 kb／s的信道，在915 MHz頻段有10個40 kb／s的信道，在868 MHz頻段有1個20 kb／s的信道。

　　為了達到網(wǎng)絡同步，IEEE 802.15.4在MAC層定義了超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器定義，有16個大小相等的時隙，每個超幀之間由網(wǎng)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(shè)備采用CSMA-CA機制競爭信道，設(shè)備對信道的訪問延遲無法控制，無法實現(xiàn)實時要求，在CFP階段，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器為有實時性要求的設(shè)備分配GTS時隙，實現(xiàn)實時通信，如圖1所示。

　　2.1超幀的參數(shù)

　　由于IEEE 802.15.4允許設(shè)備采用節(jié)能模式，因而超幀有活動和非活動2種狀態(tài)。在非活動狀態(tài)下，節(jié)點進入休眠模式。這時使用2個參數(shù)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(shù)是超幀序號SO，并且0≤SO≤BO≤14。當BO=15時，協(xié)調(diào)器將不再發(fā)送信標幀，并且忽略 SupeRFrameOrder參數(shù)值。協(xié)調(diào)器只在超幀的活動狀態(tài)為設(shè)備分配GTS，如圖2所示。

　　2.2 GTS的分配過程

　　當設(shè)備發(fā)送MLME-GTS．request原語時請求GTS，設(shè)備將要發(fā)送的信息的長度和目的地址都包含在原語中。協(xié)調(diào)器一旦接收到請求，為提出請求的設(shè)備分配GTS并發(fā)送應答信息，然后協(xié)調(diào)器檢查當前超幀是否有足夠空問分配請求，并且重新計算CAP和CFP參數(shù)的長度。如果協(xié)調(diào)器同時收到多個GTS請求，將按照FIFO(First in First out)機制排隊，協(xié)調(diào)器將在aGTSD-escPersistenceTime時間內(nèi)完成決策，如圖3所示。

　　如果分配成功，協(xié)調(diào)器就在信標中加入GTS指示幀，GTS指示幀中包含申請設(shè)備的短地址、GTS的開始時隙和GTS的長度等信息。如果沒有足夠的空間可以分配申請的GTS，GTS指示幀中的開始傳送時隙就被設(shè)置為0。當設(shè)備收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的確認應答后，將監(jiān)聽信道，并等待最長 aGTSDescPersistenceTime時間(aGTSDescPersistenceTime=4 surperframe)。若在此期間收到的信標幀中包含該設(shè)備的GTS指示時，設(shè)備處理GTS指示；如果信標幀中不含有該設(shè)備的GTS指示，宣布申請失敗。在GTS發(fā)送之前，發(fā)送者發(fā)送MCPS—DATA．request原語以監(jiān)測接收者是否做好接收準備。當協(xié)調(diào)器接到MCPS- DATA．request時，協(xié)調(diào)器的MAC層將檢查是否有效，即是否為該設(shè)備分配過GTS。如果有效，在分配的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。GTS傳送不必使用 CSMA-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(wǎng)模型

　　Petri網(wǎng)的概念是由德國人Carl Adam Petri于1960首先提出的，具有嚴密數(shù)學基礎(chǔ)，能深刻、簡潔地描述控制系統(tǒng)并能對系統(tǒng)的動態(tài)性質(zhì)進行分析。該方法以圖形的表達方式描述系統(tǒng)，可直觀地顯示系統(tǒng)的動態(tài)過程，具有可讀性和易于理解的特點。經(jīng)典的Petri網(wǎng)是簡單的過程模型，由2種設(shè)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(shè)備表示；變遷(Transition)用方形設(shè)備或者線表示，代表事件、轉(zhuǎn)化或傳輸；有向弧用來實現(xiàn)庫所和變遷之間的連接；令牌(Token)是庫所中的動態(tài)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?qū)ο蟮臓顟B(tài)。

根據(jù)上面的分析，協(xié)調(diào)器對于GTS的請求采取先來先服務的規(guī)則，設(shè)備1請求GTS得到協(xié)調(diào)器的安排可能性如圖4所示。這里假設(shè)設(shè)備1是一周期采樣的傳感器結(jié)點，而且采樣周期小于等于幀長，在同一超幀中不會連續(xù)申請多個GTS。

　　一旦產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，在隊列中等待發(fā)送。當數(shù)據(jù)包移動到隊首時，發(fā)送GTS請求，直到分配到GTS時隙時才發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣，響應時間由3部分組成：人隊時間、分配GTS時間和等待發(fā)送時間片的時間。

　　3.1設(shè)備請求GTS的響應時間模型

　　分析中，假設(shè)每個設(shè)備申請GTS只占一個時隙(IEEE 802.15.4中允許一個GTS占用連續(xù)多個時隙)。假設(shè)網(wǎng)絡中只有一個設(shè)備需要GTS傳輸，采用PETRI網(wǎng)為傳感器網(wǎng)絡建立關(guān)于延遲模型如圖5所示。

　　圖 5中，t1處加入時間控制，用來仿真數(shù)據(jù)包到達，由傳感器周期性采樣的性質(zhì)，選擇間隔為常數(shù)的分布，參數(shù)為λ，表示每秒到達信息包個數(shù)。根據(jù)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(qū)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(shù)分布的時間控制，均值為μ，根據(jù)文獻[3]計算，aBaseSlotDuration=60 symbols，datarate=62.5 ksymbols／s(2 450 MHz)，則計算得到a slot time="0".96 ms，μ=0.96×16=15.36 ms；變化范圍為正負6×0.96=5.76 ms，符合(9.6，21.12)的均勻分布。由于處理速度大于包的生成速度，設(shè)備的GTS請求被立即分配，立即發(fā)送所有包。此過程滿足高約束實時環(huán)境。

　　3.2? 多個設(shè)備請求GTS的響應時間的模型

　　如果有多于7個設(shè)備同時請求GTS，它的完整模型如圖6所示。

　　圖 6中左邊每一行表示1個設(shè)備要求申請GTS傳送，8行表示8個設(shè)備要求GTS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GTS(這里表示最多可分配7個設(shè)備的申請)。P1，P6等4個令牌表示每個設(shè)備有4個數(shù)據(jù)包產(chǎn)生，并需要發(fā)送。在t1，t5，t7，t11，t17，t20，t23，t26處設(shè)置時間控制函數(shù)，表示數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時間間隔。仿真中假設(shè)傳感器周期探測，設(shè)常數(shù)分布300 ms(大部分溫度濕度傳感器的探測周期)。在t4處設(shè)置時間控制函數(shù)，常數(shù)分布，表示時隙之間間隔，即時隙寬度，0.96 ms。在t13處設(shè)置時間控制函數(shù)，表示整個幀的長度，常數(shù)分布15.36 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15.36 ms，即它能滿足實時的低約束環(huán)境。如果設(shè)備請求GTS的個數(shù)增加30倍，需要分配5個超幀時間的長度，而設(shè)備最多等待4個超幀時間。因此，一些設(shè)備失去了分配GTS的機會。實際上，1個設(shè)備可以請求多個GTS，隨著GTS請求丟失的越多，響應時間也隨著增加，仿真結(jié)果如圖7所示。

　　3.3多設(shè)備隨機請求GTS

　　圖 6中的模型也適合于事件驅(qū)動傳感器，GTS請求隨機到達。假設(shè)包到達服從泊松分布，改變t1，t5，t7，t11，t17，t20，t23，t26處設(shè)置時間控制函數(shù)，設(shè)服從期望值為15.36 ms(1幀的長度)的負指數(shù)分布，產(chǎn)生GTS請求的結(jié)點從3～7進行仿真。仿真結(jié)果如圖8所示。由于隨機產(chǎn)生的GTS請求，GTS的響應時間比上面定時同時產(chǎn)生請求要短。但也可以看到隨著產(chǎn)生站點GTS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(chǎn)生GTS的數(shù)量增多，丟失GTS的情況一定還會發(fā)生。由于隨機產(chǎn)生的GTS請求，GTS的響應時間比上面定時同時產(chǎn)生請求要短。但也可以看到隨著產(chǎn)生站點GTS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(chǎn)生GTS的數(shù)量增多，丟失GTS的情況一定還會發(fā)生。

　　4結(jié)語

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