IEEE 802.15.4無線傳感器網絡中的能耗研究

吳璇（廈門大學自動化系,福建廈門3610050）

IEEE 802.15.4無線傳感器網絡中的能耗研究

吳璇
（廈門大學自動化系,福建廈門3610050）

摘要:低速率、低功耗的無線傳感器網絡日益發展，傳統網絡協議并不適用。IEEE802.15.4通信協議是短距離無線通信的IEEE標準，包含了MAC層和物理層的規范，規定了在個域網（PAN）中設備之間的無線通信協議和接口。該標準也可用于無線傳感器網絡，尤其是活動時段（CAP）中采用的CSMA/CA算法對節省網絡中的能耗有很大作用，本文分析了其中BO、SO以及數據傳輸間隔對無線傳感器網絡中的設備及協調器功耗的影響。

關鍵詞:IEEE802.15.4;無線傳感器網絡;CSMA/CA算法;網絡設備能耗

1引言

無線傳感器網絡由于傳感器節點能源能量的限制，其計算、存儲和通信能力都十分有限，每個節點只能獲取到局部網絡的信息，因而節點上所運行的網絡通信協議不能太復雜，但同時還要能應對無線傳感器網絡拓撲結構和外界環境的不斷變化[1]。

IEEE802.15.4標準采用超幀結構和載波監聽多點接入/沖突避免（CSMA/CA）算法，在盡量避免沖突的前提下，提供低功耗、低數據速率的可靠傳輸，努力在沖突避免的同時控制網絡時延和數據傳輸效率，在執行空閑信道評估和限制收發器使用時間中尋找平衡。

IEEE802.15.4標準規定了用于低速無線個域網的物理層及MAC層的兩個規范，網絡層協議其實并不在其范圍內。但它能支持兩種網絡拓撲結構，即單跳星型網絡和通信線路超過10m的多跳對等拓撲，支持消耗功率較少，在個人活動空間工作的簡單器件[2]。

本文將從具體實驗入手，研究IEEE802.15.4標準在無線傳感器網絡中的能耗狀況。

2超幀結構和CSMA/CA

IEEE802.15.4標準中使用的超幀是指一種用來組織網絡通信時間分配的邏輯結構，如圖1所示[3],主要包括活動時期和非活動時期，超幀的活動時期又分為競爭訪問階段（Contention-AccessPeriod，CAP） 和 非 競 爭 訪 問 階 段（Contention-FreePeriod，CFP）。網絡中所有的通信都必須在活動時期進行，設備在非活動時期計入休眠狀態以節省能量。根據IEEE802.15.4標 準 的MACPIB[3]， 屬 性 值 macBeaconOrder用 來 描述協調器傳輸它們的信標的時間間隔等級，記為BO，信標幀間隔的至記為BI；屬性值macSuperframeOrder用來描述超幀活動部分的長度，記為SO，超幀活動時期長度記為SD。?當0=＜SO=＜BO=＜14，BI=aBaseSuperframeDuration*2BO，SD=aBaseSuperframeDuration*2SO，如果SO=15，超幀只包含非活動階段；如果BO=15，SO的值可忽略，網絡設定為無信標網絡。

IEEE802.15.4的MAC層的超幀的競爭訪問時段（CAP），使用帶有沖突避免的載波監聽多點接入（CSMA/CA）算法[3]。各個設備在發送數據之前應用CSMA/CA算法競爭訪問信道，除非這個幀是跟隨在一個數據請求命令的確認幀之后（此時這個數據幀可以在發送完確認幀后立即發送）。在信標使能網絡中MAC子層需要使用帶時隙的CSMA/CA算法在超幀的CAP發送數據。

3實驗結果與分析

將IEEE802.15.4應用于一個大規模的樹型分簇無線傳感器網絡中，因為CSMA/CA算法主要應用于競爭訪問時段（CAP），這里不考慮非競爭訪問時段（CFP）。本次實驗中，BO范圍在6-10之間，SO范圍在0-2之間，從而使節點大部分時間處在睡眠狀態，節省了能量。

圖1超幀結構

圖2設備的平均功耗

在該網絡中，每個協調器有3個子協調器和12個普通節點，網絡深度為4，共包含1560個節點[4]。所有節點都要發送數據，且能通過網絡發送給PAN協調器，稱為數據上行。數據傳輸間隔以信標幀間隔為單位，大小為1-100。PAN協調器每隔100個信標幀間隔廣播一次下行信標幀，提醒設備可以發送更新的數據。在信標使能網絡中，廣播采用父子節點間的單播間接地實現。

應用交錯的超幀使相鄰簇間的干擾最小化，將連續時間離散化，使單位時間為超幀的長度。在開始時，每個協調器都會執行一次被動掃描來搜索鄰居設備和空閑的時隙，并隨機選擇一個空閑時隙開始，以減少和周圍設備的沖突碰撞。

采用三個模型分析網絡性能：競爭模型、MAC層模型和節點模型。分析CSMA/CA算法中的回退時間、碰撞和重傳[5]。為簡化問題，不考慮非競爭訪問時段，在星型網絡拓撲基礎上分析IEEE802.15.4標準[6]。分析發送和接收數據幀、確認幀、信標幀以及網絡掃描所需的能量和時間[7]。

3.1設備的功耗

設備的平均功耗與上行數據傳輸間隔IU的關系如圖2所示。

其中SO=1，BO取6、8、10。由圖可見，由于接受信標幀和發送信標幀的能量隨著信標幀和數據發送的間隔增大而減小，設備的功耗也隨之減小。而隨著信標幀發送間隔的增大，網絡掃描的能耗隨之顯著增加，這是由于網絡掃描的能耗與信標周期成比例增長。因此，BO=10時，設備的功耗可以比BO=8時還大。

3.2協調器的功耗

在不同的BO和SO下，協調器的平均功耗與上行數據傳輸間隔的關系如圖3所示。隨著信標和數據發送的時間間隔的增大，所需能量減少，協調器發送和接收信標的能耗相應減少。而隨著SO的增大，相對的CAP時段增長，則協調器在CAP的能耗增大。

4結論

圖3協調器的功耗

實驗結果顯示，IEEE802.15.4標準也同樣可用于無線傳感器網絡，且并不局限于小規模網絡。其中采用的超幀結構和載波監聽多路接入/沖突避免（CSMA/CA）的媒體介入方式，對網絡中設備和協調器的節能有很大作用，研究中需要考慮網絡中不同部分和不同行為的耗能情況，選擇合適的SO和BO對控制設備能耗很重要?？傮w上可知當數據傳輸間隔和BO增大，或SO減小時，設備和協調器的功耗隨之減小。

參考文獻：

[1]王殊,閻毓杰,胡富平,屈曉旭.無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京航空航天大學出版社,2007.

[2]WilliamStallings.無線通信與網絡（第2版）[M].清華大學出版社,2002.

[3]IEEE802.15.42003.WirelessMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)SpecificationsforLow-RateWirelessPersonalAreaNetworks(LR-WPANs)[EB/OL].

[4]呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京航空航天大學出版社,2007.

[5]董傳坤.IEEE802.15.4無線傳感器網絡性能分析及改進研究[D].電子科技大學,2010.

[6]N.Timmons,W.Scanlon.AnalysisoftheperformanceofIEEE802.15.4formedicalsensorbodyareanetworking[C].inProceedingsofthe1stIEEEinternationalconference.OnSensorandadhoccommunicationsandnetworks(SECON’04).SantaClara.USA:IEEE,2004,16—24.

[7]Y.C.Tseng,S.Y.N,E.Y.Shill.Adaptiveapproachestorelievingbroadcaststormsinawirelessmultihopmobileadhocnetwork[J],IEEETransonComputers,2003,545-557.

作者簡介：吳璇（1990-），女，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向：模式識別與智能系統。