摘 要： 簡述了IEEE 802.15.4 MAC協議中超幀結構和保護時隙(GTS)分配機制，分析了星狀網絡中信標使能模式下設備節點利用GTS方式通信時超幀結構中各參數對能耗與時延性能的影響。在此基礎上設計了一種GTS調度新算法，該調度算法對時延期限小的節點優先進行GTS分配并在滿足其時延要求情況下，根據業務量調節超幀結構中的超幀序號SO與信標序號BO，使設備節點能耗降到最低，從而實現星狀網絡中各節點的能耗與時延均衡，并用NS2仿真評估了調度新算法性能，其研究可為無線傳感網絡的實時應用系統提供參考價值。
關鍵詞： IEEE 802.15.4；GTS；能耗；時延
隨著通信技術的飛速發展，人們對無線移動通信尤其是短距離無線移動通信的需求日益增多。為滿足用戶對低速率、低成本、低能耗的短距離無線通信需求，2003年5月，IEEE 802.15.4工作組正式發布了針對低速率無線個人區域網LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Network)的物理層(PHY)和媒體接入控制(MAC)的IEEE 802.15.4規范[1]。2004年，ZigBee聯盟組織采納了IEEE 802.15.4標準，為無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)等LR-WPAN奠定了良好的應用基礎，從而為相關高新技術產業的發展提供了新契機。
WSN起源于20世紀90年代末，并在21世紀得到迅速發展，在國防軍事、環境監測、醫療衛生、智能家居、抗災救險和交通領域等人類生活的各方面發揮著重要作用。例如，美國加州大學伯克利分校Intel實驗室和大西洋學院聯合在大鴨島(Great Duck Island)上部署了1個多層次的傳感器網絡系統，用來監測島上海燕的生活習性；在家電和家具中嵌入傳感器節點，通過無線網絡與Internet連接在一起，利用遠程控制系統，可完成對家電的遙控，在人們回家之前打開電腦、電視和空調等。WSN將是人類與物理世界實現良好“溝通”的橋梁，它可以讓人們更好地了解這個物理世界，生活得更加方便舒服。
WSN傳感器節點的能量供應問題是WSN的關鍵技術之一。由于大部分WSN傳感器節點利用干電池供電，其本身不能自動補充能量或者得不到充分補充，從而影響WSN運行效率。為了減少設備的功耗，必須盡量減少設備的工作時間，增加設備的休眠時間，但是這樣會增加設備處理數據信息時產生時延。同時，為了保證設備之間能夠正常工作，每個設備周期性監聽其無線信道，判斷是否有需要自己處理的數據信息。所有這些使得在實際應用中必須對能耗和時延進行綜合考慮，以獲得它們之間的相對平衡。因此，為了延長網絡中設備節點的生命周期，節約能量就成為WSN中MAC協議設計首要考慮的因素，通過設計IEEE 802.15.4 MAC協議中的超幀結構可為降低能耗提供方案。隨著應用WSN環境對實時性和可靠性要求越來越高，時延性也成為WSN中MAC協議設計考慮的重要因素，IEEE 802.15.4 MAC協議中保護時隙(GTS)機制為此提供解決方案。
本文的主要工作是在分析IEEE 802.15.4 MAC 協議基礎上，設計一種GTS分配機制調度新算法，通過IEEE 802.15.4 MAC協議的超幀結構和保護時隙(GTS)分配機制的設計來平衡WSN中傳感器節點能耗與時延問題。
1 IEEE 802.15.4 MAC協議分析
IEEE 802.15.4協議支持信標使能和非信標使能2種通信模式。信標模式實現網絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度的節省功耗，而非信標模式則只允許終端設備進行周期性休眠，協調器和所有路由設備必須長期處于工作狀態。信標模式下提供了超幀結構和GTS分配機制[2]。
1.1 超幀結構
超幀結構由網絡中的主協調來定義，由網絡信標來限定。超幀結構一般由激活區間和非激活區間兩部分組成。圖1給出了1個超幀結構實例。
激活區間稱為超幀，它由16個長度相等的時隙組成，每個時隙的長度與超幀序號相關，信標間隙的長度與信標序號相關。超幀長度用SD表示，信標間隙用BI表示，超幀序號與信標序號分別用SO和BO表示。則SD和BI分別與SO和BO之間的關系可以用公式(1)表示。
在競爭接入期(CAP)，各網絡設備節點采用時隙的CSMA-CA機制訪問信道，只有在當前時隙獲得信道訪問權限的節點才能在該時隙內進行發送或接收幀。在免競爭期(CFP)，數據的傳輸不使用CSMA-CA機制。只要節點分配了GTS，則節點就可以在該GTS包含時隙內直接進行數據的傳輸。在非激活期內，節點進入休眠狀態，以節省能耗。
1.2 GTS分配機制
設備節點要使用GTＳ進行數據傳輸，必須向網絡中的PAN協調器進行申請，發送GTS分配請求命令，GTS請求命令幀的GTS特性域的特性類型子域設置為１(表示GTS分配)，根據所需的GTS特性設置GTS時隙長度和方向。
PAN協調器接收到GTS請求命令幀，將發送確認幀，對接收進行確認。然后，PAN協調器根據CAP中所剩余的長度和請求GTS長度，檢查在當前超幀中是否有足夠的容量。如果沒有達到保護時隙的最大數目(在1超幀中最多分配7個GTS)，并且所需分配長度的GTS不會將CAP的長度減少到小于aMinCAPLength(IEEE 802.15.4規定的CAP最小長度)。只要PAN協調器能有效地提供足夠的帶寬，就會根據先來先服務(FCFＳ)的原則分配保護時隙。PAN協調器在信標幀中的GTS域說明GTS分配情況。設備節點在4個信標周期內，對接收到的信標幀的GTS域進行分析，判斷是否被分配了GTS時隙。
1.3 GTS數據傳輸方式
數據以GTS方式進行傳輸，MAC層將判斷是否存在1個有效的保護時隙。如果設備是1個PＡＮ協調器，那么MAC層將判斷協調器是否存在數據目的設備的接收保護時隙；如果不是PAN協調器，那么該設備MAC層將判斷是否被分配了發送保護時隙。如果存在有效的保護時隙，MAC層將根據實際情況，產生一個延遲，直到該設備的有效接收保護到來，在保護時隙內，將數據發送到所指定的目標設備。這時，MAC層將以非CSMA-CA方式傳輸數據，整個傳輸和應答過程(如需要確認幀)應在該保護時隙內完成。
假設GTS時隙長度為TS，數據幀的傳輸時間為Tdate，幀間隙為IFS(與數據幀的大小相關)，確認幀的傳輸時間為TACK，則它們之間的關系滿足如下關系式：
1.4 性能分析
參考文獻[3]運用網絡微積分理論(假設設備節點業務量及傳輸曲線如圖2所示)分析了星狀網絡中，節點以GTS方式進行數據傳輸時時延、能耗與SD之間的關系，其表達式為：
式中，DC=SO/BO表示占空比，n表示節點分配的GTS包含的時隙數，D表示數據傳輸最大時延，Tdate表示節點在GTS時隙內的數據傳輸時間，b表示進行數據傳輸前的業務量，C表示數據傳輸速率。
由式(3)可知，占空比越小，BO越大，信標間隙越大，非激活區間越長，節點消耗能量越低。在其他參數一定的情況下，DC與D成比，即能耗與時延成反比。由(1)式可知，SD與SO相關，所以能耗與時延受業務量和SO影響(Tdate也受SO影響)。當業務量小時，在滿足時延要求的情況下，能耗主要受SD影響，SO較小，則能耗較低。當業務量較大時，則能耗受業務量影響較大。當占空比一定的情況下，時延受業務量和SO的影響，若SO和業務量較大，則時延也較大。SO和業務量較小時，則時延也較小。
在實時傳輸網絡中，為了實現能耗與時延的均衡，在滿足時延的情況下，為使設備能耗最小，必須根據設備業務量情況，調節SO，使DC最低。
2 GTS分配機制調度算法設計
為了實現GTS分配機制在實時網絡應用時能耗與時延的相對均衡，由(3)式可知，必須根據設備節點的業務量和時延要求調節SO使占空比最小，從而使網絡中設備節點的能耗最低。但IEEE 802.15.4提供的先來先服務(FCFS)GTS分配機制不能滿足這個要求。且由(2)式可知，設備進行數據傳輸實際需要的時隙可能比所分配的時隙要小，這就造成時隙的浪費，造成網絡帶寬的下降和影響其他設備對GTS的使用。參考文獻[4]分析了設備以GTS方式進行數據傳輸時實際所需時隙及CFP中最多時隙與SO的關系，但當SO≥2時，無論傳輸的數據幀有多大(IEEE 802.15.4中最大數據幀為133字節)，只需要1個時隙。所以本文設計了一種新的GTS分配機制調度算法，稱為時延優先TDP(Time Delay Priority)調度算法。該調度算法的基本思想是：在星狀網絡中，需要申請使用GTS的設備將自己的初始業務量b和時延期限D附在GTS請求命令幀中，發送給PAN協調器。PAN協調器最多給網絡中設備分配1個時隙，同時被分配保護時隙的設備最大值與SO相關，且根據接收到的網絡中設備的業務量和時延期限值，按照(3)式調節SO的值使占空比最低，其中n=1，Tdate=SD/16。當有新設備節點加入星狀網絡或由設備已完成傳輸時，該調度算法由PAN協調器在發送下1個信標幀前調用。GTS分配機制TDP調度算法流程圖如圖3所示。
3 仿真分析與小結
本文運用NS2[5]仿真軟件對TDP、GTS分配機制調度算法進行了仿真，仿真場景和仿真參數分別如圖4和表1所示，各個節點的業務量和時延期限如表2所示。每次仿真，各節點分別以GTS方式向PAN協調器發送數據，重復傳輸2次，仿真運行20次。
本文采用3個參數對該GTS調度算法的性能進行評價：
由圖5可知，TDP調度算法的TDR為100%，而FCFS的TDR比較低，TDP、GTS分配機制調度算法的TDR比FCFS分配機制調度算法的TDR要高。這是因為TDP調度算法優先考慮了時延要求，在滿足時延要求的情況下再進行GTS分配，而FCFS沒有考慮這一點。由圖6可知，采用TDP調度算法，節點能在規定時延范圍內完成傳輸，而在FCFS則不能。這是因為TDP優先為時延期限小的節點分配GTS，且以節點最小時延期限為系統最大延遲，且每到1個節點傳輸完成時，重新進行調度，而FCFS沒有進行調度。由圖7可知，在TDP下，節點的剩余能量比FCFS偏多一些，是因為TDP調度算法在滿足時隙要求情況下，調節占空比，使占空比最低，適當增加了節點的休眠時間，而FCFS調度沒有考慮能耗問題。
本文在分析IEEE 802.15.4協議GTS分配機制基礎上，提出了一種新的TDP調度算法。該調度算法對時延期限小的節點優先進行GTS分配且在滿足其時延要求的情況下，根據業務量調節超幀結構中的SO和BO，使設備節點能耗降到最低，實現設備能耗與時延的相對均衡，為促進無線傳感網絡在實時系統的應用具有參考意義。但目前該調度算法只適合于星狀網絡結構，使其適合其他網絡拓撲結構仍需要進一步研究。
參考文獻
[1] IEEE 802.15.4 Standard-2003. Part 15.4： wireless medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks(LR-WPANs). IEEE-SA Standards Board， 2003.
[2] 蔣挺，成林.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.
[3] KOUBAA A， ALVES M. Energy and delay trade-off of the GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4 for wireless sensor networks[J].International Journal of Communication Systems，2007(20)：791-808.
[4] PARDEEP K， MESUT G. Enhancing IEEE 802.15.4 for low-latency， bandwidth， and energy critical WSN applications[C]. ICET 2008. 4th International Conference on Emerging Technologies， 2008：146-151.
[5] 徐雷鳴，龐博.NS與網絡模擬[M].北京：人民郵電出版社，2003.