傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)通信的研究

近年來(lái)，由于能夠適應(yīng)多種現(xiàn)實(shí)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(jià)低和適用于惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)和交通等領(lǐng)域。在一些具體應(yīng)用中，有時(shí)需要對(duì)傳感器測(cè)量信息做出實(shí)時(shí)反映。比如在醫(yī)療中，對(duì)于病人血壓值的突然升高必須在很短時(shí)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(dòng)制造中也有實(shí)時(shí)性的要求。根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)理論，實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為 3 個(gè)等級(jí)：低約束級(jí)，允許響應(yīng)時(shí)間超過 100 ms；一般約束級(jí)，響應(yīng)時(shí)間在 5～10 ms 之間；高約束級(jí)，響應(yīng)時(shí)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(shí)時(shí)性能。

2 協(xié)議分析

IEEE 802．15．4 定義了 2 個(gè)工作頻段，即 2．4 GHz 頻段和 868／915 MHz 頻段（適合不同國(guó)家地區(qū)），共分配 27 個(gè)具有 3 種速率的信道：在 2．4 GHz 頻段有 16 個(gè)速率為 250 kb／s 的信道，在 915 MHz 頻段有 10 個(gè) 40 kb／s 的信道，在 868 MHz 頻段有 1 個(gè) 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(gè)大小相等的時(shí)隙，每個(gè)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(gè)時(shí)隙被傳輸。超幀分為競(jìng)爭(zhēng)訪問周期（ContenTIon Access Period，CAP）和無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪問周期（ContenTIon Free Period，CFP）。在 CAP 階段，設(shè)備采用 CSMA－CA 機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道，設(shè)備對(duì)信道的訪問延遲無(wú)法控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)要求，在 CFP 階段，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為有實(shí)時(shí)性要求的設(shè)備分配 GTS 時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(dòng)和非活動(dòng) 2 種狀態(tài)。在非活動(dòng)狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式。這時(shí)使用 2 個(gè)參數(shù)信標(biāo)幀間隔：一個(gè)是信標(biāo)序號(hào) BO，即信標(biāo)間隔，要求 0≤BO≤14；另一個(gè)參數(shù)是超幀序號(hào) SO，并且 0≤SO≤BO≤14。當(dāng) BO＝15 時(shí)，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(dòng)狀態(tài)為設(shè)備分配 GTS，如圖 2 所示。

2．2 GTS 的分配過程

當(dāng)設(shè)備發(fā)送 MLME－GTS．request 原語(yǔ)時(shí)請(qǐng)求 GTS，設(shè)備將要發(fā)送的信息的長(zhǎng)度和目的地址都包含在原語(yǔ)中。協(xié)調(diào)器一旦接收到請(qǐng)求，為提出請(qǐng)求的設(shè)備分配 GTS 并發(fā)送應(yīng)答信息，然后協(xié)調(diào)器檢查當(dāng)前超幀是否有足夠空問分配請(qǐng)求，并且重新計(jì)算 CAP 和 CFP 參數(shù)的長(zhǎng)度。如果協(xié)調(diào)器同時(shí)收到多個(gè) GTS 請(qǐng)求，將按照 FIFO（First in First out）機(jī)制排隊(duì)，協(xié)調(diào)器將在 aGTSD－escPersistenceTIme 時(shí)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(biāo)中加入 GTS 指示幀，GTS 指示幀中包含申請(qǐng)?jiān)O(shè)備的短地址、GTS 的開始時(shí)隙和 GTS 的長(zhǎng)度等信息。如果沒有足夠的空間可以分配申請(qǐng)的 GTS，GTS 指示幀中的開始傳送時(shí)隙就被設(shè)置為 0。當(dāng)設(shè)備收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的確認(rèn)應(yīng)答后，將監(jiān)聽信道，并等待最長(zhǎng) aGTSDescPersistenceTIme 時(shí)間（aGTSDescPersistenceTime＝4 surperframe）。若在此期間收到的信標(biāo)幀中包含該設(shè)備的 GTS 指示時(shí)，設(shè)備處理 GTS 指示；如果信標(biāo)幀中不含有該設(shè)備的 GTS 指示，宣布申請(qǐng)失敗。在 GTS 發(fā)送之前，發(fā)送者發(fā)送 MCPS—DATA．request 原語(yǔ)以監(jiān)測(cè)接收者是否做好接收準(zhǔn)備。當(dāng)協(xié)調(diào)器接到 MCPS－ DATA．request 時(shí)，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(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。GTS 傳送不必使用 CSMA－CA 機(jī)制，沒有競(jìng)爭(zhēng)和退避時(shí)間，這種方法能夠適合實(shí)時(shí)請(qǐng)求。

3 Petri 網(wǎng)模型

Petri 網(wǎng)的概念是由德國(guó)人 Carl Adam Petri 于 1960 首先提出的，具有嚴(yán)密數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，能深刻、簡(jiǎn)潔地描述控制系統(tǒng)并能對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)進(jìn)行分析。該方法以圖形的表達(dá)方式描述系統(tǒng)，可直觀地顯示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，具有可讀性和易于理解的特點(diǎn)。經(jīng)典的 Petri 網(wǎng)是簡(jiǎn)單的過程模型，由 2 種設(shè)備（庫(kù)所和變遷）、有向弧、以及令牌等元素組成的。庫(kù)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(lái)實(shí)現(xiàn)庫(kù)所和變遷之間的連接；令牌（Token）是庫(kù)所中的動(dòng)態(tài)對(duì)象，可以從一個(gè)庫(kù)所移動(dòng)到另一個(gè)庫(kù)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(duì)于 GTS 的請(qǐng)求采取先來(lái)先服務(wù)的規(guī)則，設(shè)備 1 請(qǐng)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(diǎn)，而且采樣周期小于等于幀長(zhǎng)，在同一超幀中不會(huì)連續(xù)申請(qǐng)多個(gè) GTS。

一旦產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，在隊(duì)列中等待發(fā)送。當(dāng)數(shù)據(jù)包移動(dòng)到隊(duì)首時(shí)，發(fā)送 GTS 請(qǐng)求，直到分配到 GTS 時(shí)隙時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣，響應(yīng)時(shí)間由 3 部分組成：人隊(duì)時(shí)間、分配 GTS 時(shí)間和等待發(fā)送時(shí)間片的時(shí)間。

3．1 設(shè)備請(qǐng)求 GTS 的響應(yīng)時(shí)間模型

分析中，假設(shè)每個(gè)設(shè)備申請(qǐng) GTS 只占一個(gè)時(shí)隙（IEEE 802．15．4 中允許一個(gè) GTS 占用連續(xù)多個(gè)時(shí)隙）。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)設(shè)備需要 GTS 傳輸，采用 PETRI 網(wǎng)為傳感器網(wǎng)絡(luò)建立關(guān)于延遲模型如圖 5 所示。

圖 5 中，t1 處加入時(shí)間控制，用來(lái)仿真數(shù)據(jù)包到達(dá)，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(dá)信息包個(gè)數(shù)。根據(jù)采樣時(shí)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(dòng)傳感器。采用周期采樣，一般探測(cè)周期為 300 ms，于是，λ＝300 ms。

在 t4 時(shí)間加入常數(shù)分布的時(shí)間控制，均值為μ，根據(jù)文獻(xiàn)［3］計(jì)算，aBaseSlotDuration＝60 symbols，datarate＝62．5 ksymbols／s（2 450 MHz），則計(jì)算得到 a slot time＝＂0＂．96 ms，μ＝0．96×16＝15．36 ms；變化范圍為正負(fù) 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(qǐng)求被立即分配，立即發(fā)送所有包。此過程滿足高約束實(shí)時(shí)環(huán)境。

3．2 多個(gè)設(shè)備請(qǐng)求 GTS 的響應(yīng)時(shí)間的模型

如果有多于 7 個(gè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)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(gè)設(shè)備要求申請(qǐng) GTS 傳送，8 行表示 8 個(gè)設(shè)備要求 GTS 傳送；右邊的 2 行，下面一行用來(lái)控制整幀的時(shí)間推進(jìn)，上面的用來(lái)控制幀中時(shí)隙的推進(jìn)。P6 和 P22 的 7 個(gè)令牌，表示幀中最多可以分配 7 個(gè)時(shí)隙的 GTS（這里表示最多可分配 7 個(gè)設(shè)備的申請(qǐng)）。P1，P6 等 4 個(gè)令牌表示每個(gè)設(shè)備有 4 個(gè)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(shí)間控制函數(shù)，表示數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時(shí)間間隔。仿真中假設(shè)傳感器周期探測(cè)，設(shè)常數(shù)分布 300 ms（大部分溫度濕度傳感器的探測(cè)周期）。在 t4 處設(shè)置時(shí)間控制函數(shù)，常數(shù)分布，表示時(shí)隙之間間隔，即時(shí)隙寬度，0．96 ms。在 t13 處設(shè)置時(shí)間控制函數(shù)，表示整個(gè)幀的長(zhǎng)度，常數(shù)分布 15．36 ms。仿真表明，響應(yīng)時(shí)間不是很長(zhǎng)，最大等待時(shí)間為 1 個(gè)超幀的長(zhǎng)度 15．36 ms，即它能滿足實(shí)時(shí)的低約束環(huán)境。如果設(shè)備請(qǐng)求 GTS 的個(gè)數(shù)增加 30 倍，需要分配 5 個(gè)超幀時(shí)間的長(zhǎng)度，而設(shè)備最多等待 4 個(gè)超幀時(shí)間。因此，一些設(shè)備失去了分配 GTS 的機(jī)會(huì)。實(shí)際上，1 個(gè)設(shè)備可以請(qǐng)求多個(gè) GTS，隨著 GTS 請(qǐng)求丟失的越多，響應(yīng)時(shí)間也隨著增加，仿真結(jié)果如圖 7 所示。

3．3 多設(shè)備隨機(jī)請(qǐng)求 GTS

圖 6 中的模型也適合于事件驅(qū)動(dòng)傳感器，GTS 請(qǐng)求隨機(jī)到達(dá)。假設(shè)包到達(dá)服從泊松分布，改變 t1，t5，t7，t11，t17，t20，t23，t26 處設(shè)置時(shí)間控制函數(shù)，設(shè)服從期望值為 15．36 ms（1 幀的長(zhǎng)度）的負(fù)指數(shù)分布，產(chǎn)生 GTS 請(qǐng)求的結(jié)點(diǎn)從 3～7 進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖 8 所示。由于隨機(jī)產(chǎn)生的 GTS 請(qǐng)求，GTS 的響應(yīng)時(shí)間比上面定時(shí)同時(shí)產(chǎn)生請(qǐng)求要短。但也可以看到隨著產(chǎn)生站點(diǎn) GTS 請(qǐng)求的站點(diǎn)增多，最大響應(yīng)時(shí)間和平均響應(yīng)時(shí)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(huì)發(fā)生。由于隨機(jī)產(chǎn)生的 GTS 請(qǐng)求，GTS 的響應(yīng)時(shí)間比上面定時(shí)同時(shí)產(chǎn)生請(qǐng)求要短。但也可以看到隨著產(chǎn)生站點(diǎn) GTS 請(qǐng)求的站點(diǎn)增多，最大響應(yīng)時(shí)間和平均相應(yīng)時(shí)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(huì)發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)星型傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析和仿真，如果每個(gè)設(shè)備只請(qǐng)求 1 個(gè) GTS 時(shí)隙，最多允許 7 個(gè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求 GTS；否則，不滿足高約束實(shí)時(shí)環(huán)境。如果請(qǐng)求 GTS 的設(shè)備大于 28，GTS 將會(huì)丟失。如果 1 個(gè)設(shè)備請(qǐng)求多個(gè) GTS 時(shí)隙，GTS 丟失率會(huì)成倍增加。因而，現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不足以滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)，協(xié)議的改進(jìn)有待進(jìn)一步研究。本文的研究成果對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)具有重要的參考價(jià)值。