傳感器網絡中實時通信的研究

近年來，由于能夠適應多種現實智能環境，傳感器網絡得到了快速發展，并以其自組織、自管理、自節能、可靠性高、造價低和適用于惡劣環境等特點，被廣泛應用于軍事、醫療衛生、環境保護和交通等領域。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。比如在醫療中，對于病人血壓值的突然升高必須在很短時間內了解并采取措施。在軍事打擊中，一些重要傳感器的數據必須盡快得到處理并能得到快速反應。傳感器網絡應用于工業自動制造中也有實時性的要求。根據工業自動化系統理論，實時系統分為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。本文以星型為網絡拓撲結構，以IEEE802．15．4標準和ZigBee為基礎協議，研究傳感器網絡中MAC協議的實時性能。

2協議分析

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），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。

為了達到網絡同步，IEEE 802．15．4在MAC層定義了超幀結構。超幀的格式由傳感器網絡的協調器定義，有16個大小相等的時隙，每個超幀之間由網絡信標幀（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，設備采用CSMA－CA機制競爭信道，設備對信道的訪問延遲無法控制，無法實現實時要求，在CFP階段，網絡協調器為有實時性要求的設備分配GTS時隙，實現實時通信，如圖1所示。

2．1超幀的參數

由于IEEE 802．15．4允許設備采用節能模式，因而超幀有活動和非活動2種狀態。在非活動狀態下，節點進入休眠模式。這時使用2個參數信標幀間隔：一個是信標序號BO，即信標間隔，要求0≤BO≤14；另一個參數是超幀序號SO，并且0≤SO≤BO≤14。當BO＝15時，協調器將不再發送信標幀，并且忽略 SupeRFrameOrder參數值。協調器只在超幀的活動狀態為設備分配GTS，如圖2所示。

2．2 GTS的分配過程

當設備發送MLME－GTS．request原語時請求GTS，設備將要發送的信息的長度和目的地址都包含在原語中。協調器一旦接收到請求，為提出請求的設備分配GTS并發送應答信息，然后協調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參數的長度。如果協調器同時收到多個GTS請求，將按照FIFO（First in First out）機制排隊，協調器將在aGTSD－escPersistenceTIme時間內完成決策，如圖3所示。

如果分配成功，協調器就在信標中加入GTS指示幀，GTS指示幀中包含申請設備的短地址、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置為0。當設備收到協調器發送的確認應答后，將監聽信道，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備的GTS指示時，設備處理GTS指示；如果信標幀中不含有該設備的GTS指示，宣布申請失敗。在GTS發送之前，發送者發送MCPS—DATA．request原語以監測接收者是否做好接收準備。當協調器接到MCPS－ DATA．request時，協調器的MAC層將檢查是否有效，即是否為該設備分配過GTS。如果有效，在分配的時隙發送數據。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網模型

Petri網的概念是由德國人Carl Adam Petri于1960首先提出的，具有嚴密數學基礎，能深刻、簡潔地描述控制系統并能對系統的動態性質進行分析。該方法以圖形的表達方式描述系統，可直觀地顯示系統的動態過程，具有可讀性和易于理解的特點。經典的Petri網是簡單的過程模型，由2種設備（庫所和變遷）、有向弧、以及令牌等元素組成的。庫所（Place）一般用圓形設備表示；變遷（Transition）用方形設備或者線表示，代表事件、轉化或傳輸；有向弧用來實現庫所和變遷之間的連接；令牌（Token）是庫所中的動態對象，可以從一個庫所移動到另一個庫所，令牌表示事物、信息、條件或對象的狀態。

根據上面的分析，協調器對于GTS的請求采取先來先服務的規則，設備1請求GTS得到協調器的安排可能性如圖4所示。這里假設設備1是一周期采樣的傳感器結點，而且采樣周期小于等于幀長，在同一超幀中不會連續申請多個GTS。

一旦產生數據包，在隊列中等待發送。當數據包移動到隊首時，發送GTS請求，直到分配到GTS時隙時才發送數據包。這樣，響應時間由3部分組成：人隊時間、分配GTS時間和等待發送時間片的時間。

3．1設備請求GTS的響應時間模型

分析中，假設每個設備申請GTS只占一個時隙（IEEE 802．15．4中允許一個GTS占用連續多個時隙）。假設網絡中只有一個設備需要GTS傳輸，采用PETRI網為傳感器網絡建立關于延遲模型如圖5所示。

圖 5中，t1處加入時間控制，用來仿真數據包到達，由傳感器周期性采樣的性質，選擇間隔為常數的分布，參數為λ，表示每秒到達信息包個數。根據采樣時間，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時間加入常數分布的時間控制，均值為μ，根據文獻［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，設備的GTS請求被立即分配，立即發送所有包。此過程滿足高約束實時環境。

3．2 多個設備請求GTS的響應時間的模型

如果有多于7個設備同時請求GTS，它的完整模型如圖6所示。

圖 6中左邊每一行表示1個設備要求申請GTS傳送，8行表示8個設備要求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個設備的申請）。P1，P6等4個令牌表示每個設備有4個數據包產生，并需要發送。在t1，t5，t7，t11，t17，t20，t23，t26處設置時間控制函數，表示數據包產生的時間間隔。仿真中假設傳感器周期探測，設常數分布300 ms（大部分溫度濕度傳感器的探測周期）。在t4處設置時間控制函數，常數分布，表示時隙之間間隔，即時隙寬度，0．96 ms。在t13處設置時間控制函數，表示整個幀的長度，常數分布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境。如果設備請求GTS的個數增加30倍，需要分配5個超幀時間的長度，而設備最多等待4個超幀時間。因此，一些設備失去了分配GTS的機會。實際上，1個設備可以請求多個GTS，隨著GTS請求丟失的越多，響應時間也隨著增加，仿真結果如圖7所示。

3．3多設備隨機請求GTS

圖 6中的模型也適合于事件驅動傳感器，GTS請求隨機到達。假設包到達服從泊松分布，改變t1，t5，t7，t11，t17，t20，t23，t26處設置時間控制函數，設服從期望值為15．36 ms（1幀的長度）的負指數分布，產生GTS請求的結點從3～7進行仿真。仿真結果如圖8所示。由于隨機產生的GTS請求，GTS的響應時間比上面定時同時產生請求要短。但也可以看到隨著產生站點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。這樣隨著產生GTS的數量增多，丟失GTS的情況一定還會發生。由于隨機產生的GTS請求，GTS的響應時間比上面定時同時產生請求要短。但也可以看到隨著產生站點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。這樣隨著產生GTS的數量增多，丟失GTS的情況一定還會發生。

4結語

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