傳感器網(wǎng)絡(luò)中實時通信的研究

　　近年來，由于能夠適應(yīng)多種現(xiàn)實智能環(huán)境，傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)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(yīng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(yīng)時間超過 100 ms；一般約束級，響應(yīng)時間在 5～10 ms 之間；高約束級，響應(yīng)時間低于 1 ms。本文以星型為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以 IEEE802．15．4 標(biāo)準(zhǔn)和 ZigBee 為基礎(chǔ)協(xié)議，研究傳感器網(wǎng)絡(luò)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(dá)到網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)信標(biāo)幀（beacon）分隔，信標(biāo)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(luò)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。

　　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(jìn)入休眠模式。這時使用 2 個參數(shù)信標(biāo)幀間隔：一個是信標(biāo)序號 BO，即信標(biāo)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(dāng) BO＝15 時，協(xié)調(diào)器將不再發(fā)送信標(biāo)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。