IEEE 802.15.4協議的性能研究

摘要：本文重點研究了802．15．4 MAC協議的網絡性能，并仿真分析802．11和802．15．4在不同流量負載下數據吞吐量和時延的變化情況。結果表明在傳輸數據包長度較小的應用環境下，802．15．4的帶寬效率比802．11高，說明802．11并不適合數據傳輸率低、傳輸包長度較短的應用環境，而802．15．4適合低速率的無線傳感器網絡。
關鍵詞：IEEE802．15．4；無線傳感網；IEEE802．11；MAC

0 引言
隨著無線通信、微電子及嵌入式等技術的快速發展，具有計算、感知和無線網絡通信能力的傳感器以及由其構成的無線傳感器網絡(WS N)引起了人們的極大關注。WSN是由部署在監測區域內大量廉價傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網絡的三個要素。由于WSN的潛在應用價值非常可觀，己經引起了許多國家的工業界、學術界和軍事部門的高度重視。
目前，國內外WSN研究主要集中于能量、定位、可靠性、網絡協議以及數據處理等問題。WSN介質訪問控制協議，負責為節點分配無線通信資源，直接影響網絡整體性能，成為WSN網絡協議研究的重中之重。802．15．4協議是針對低速無線個人區域網制定的標準，該標準把低能耗、低速率傳輸和低成本作為重點目標，充分考慮了WSN應用的需求，是目前被業界普遍看好的一種WSNMAC協議。

1 802．15．4協議體系結構
802．15．4協議只定義了物理層和數據鏈路層的MAC子層。
1．1 物理層
物理層提供物理層數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務從無線物理信道上收發數據，物理層管理服務維護一個由物理層相關數據組成的數據庫。物理層的主要功能是信道選擇、信道能量檢測、打開和關閉收發器、發送和接收數據包、鏈路質量指示和信道估計。
物理幀第一個字段是4個字節的前導碼，收發器在接收前導碼期間，根據前導碼序列特征完成片同步和符號同步。幀起始分隔符(start-of-frame delimiter,SFD)字段長度為一個字節，其值固定為OxA7，標識一個物理幀的開始。幀長度由一個字節的低7位表示，其值就是物理幀負載的長度，因此物理幀負載的長度不會超過127個字節。
1．2 MAC子層
MAC子層通過MAC通用部分子層SAP訪問MAC數據服務，通過MAC層管理實體SAP訪問MAC管理服務。前者保證MAC協議數據單元在物理層數據服務中的正確收發，后者維護一個存儲在MAC子層協議狀態相關信息的數據庫。
MAC層幀格式如圖1所示，每個MAC幀都由幀頭(MAC Header，MHR)、負載和幀尾(MAC footer,MFR)三部分組成。幀頭由幀控制信息、幀序列號和地址信息組成；負載具有可變長度，具體內容由幀類型決定；幀尾是幀頭和負載數據的16位CRC校驗序列。在幀結構中沒有表示幀長度的字段，但在物理層的幀里面有表示MAC幀長度的字段，MAC負載長度可以通過物理層幀長和MAC幀頭部的長度計算出來。
1．3 超幀結構
802．1 5．4協議工作模式有信標使能模式和信標非使能模式。在信標使能模式中使用超幀結構，圖2說明了這個結構。在信標使能的網絡中，PAN周期性地廣播信標幀。
信標幀表示超幀的開始。設備之間通信使用基于時隙的CSMA／CA信道訪問機制，PAN網絡中的設備通過協調器發送的信標幀進行同步。超幀中分為活躍部分和不活躍部分。超幀中競爭時段的功能包括網絡設備可以自由收發數據，網絡內的設備PAN可以申請GTS時段，新設備加入當前網絡中。非競爭時段由PAN指定的設備可以發送或接收分組。如果某個設備在非競爭時段一直處在接收狀態，那么擁有GTS使用權的設備就可以在GTS時段直接向該設備發送分組。超幀的活躍部分由三個部分組成：一個信標幀、競爭訪問時段(CAP)和非競爭訪部時段(CFP)。每個超幀分成aNumSuperframeSlot個時隙(缺省值為16)，每個時隙長度為aBaseSlotDuration*2SO。信標幀在第0個時隙傳輸，不使用CSMA機制。CAP緊跟信標幀之后。如果存在CFP，則CFP緊跟隨CAP并持續到超幀結束。

2 仿真方案設計
本次實驗采用的如圖3所示仿真網絡拓撲圖，它包含了3個有線節點、4個移動節點以及1個基站，仿真器中所有節點通過使用相同的全雙工無線鏈路通信，網絡節點之間的帶寬都是10Mbps，延遲的時間為2ms。此仿真過程中用到的路由層為AODV協議，MAC層分別為802．11和80 2．15．4協議，節點的傳輸距離是5m，仿真時間是100s。有4個節點隨機產生FTP流，同時也有4個接收節點。

3 仿真配置
(1)定義節點個數。
設定有線節點個數：set num_wired_nodes 3
設定移動節點個數：set num_mobile_node 4
設定基站個數：set num_bs_nodes 1
(2)設定無線節點參數。
MAC類型：set opt(mac)mac／802．11
接口序列類型：set opt(ifq)queue／dtail／priq
鏈路層類型：set opt(ll) LL
設置路由協議：set opt(adhocRouting) AODV
(3)拓撲結構和流量源
set W($i)[$ns node 0．0．$i]
set BS(0)[$ns node 1．0．0]
set wl_node_($i)[$ns node 1．0．[expr$i+1]]
$ns duplex-link $W(0)$BS(0) 10Mb 2ms DropTail
$ns duplex-link $W($i) $W(0) 10Mb 2ms DropTail
(4)在向節點添加流量源之前，首先編寫一個添加源和發生器的代碼
set src_udp0[new Agent／UDP]
$src_udp0 set class_0
$src_udp0 set prio_0
set dst_udp0 [new Agent／Null]
Sns attach-．agent$wl node(1)Ssrc udp0
$ns attach-agent $W(1) $dst_udp0
set app[new Application／Traffic／FTP]
$app attach-agent $src_udp0
$ns connect $src_udp0 $dst_udp0
$ns at 0．0“Saop start”
其他節點之間的流量源類似建立。

4 性能分析
圖43出了802．11和802．15．4在不同流量負載下數據吞吐量的變化情況。在傳輸數據包長度較小的應用環境下，802．15．4的帶寬效率比802．11高，特別當包長度小于60bytes的時候，802．15．4的優勢尤其突出，但隨著包長和數據率的增加，高負載下802．15．4網絡承受著大量的發送沖突與重傳，帶寬利用率開始明顯下降；由于802．11有高達2M的帶寬，因此產生的競爭與沖突的概率較低，在傳輸數據包長度較小時因開銷相對較大，帶寬利用率較低，隨著包長和數據率的增加，數據的傳輸率趨漸增大。
圖5表明801．11和802．15．4端到端時延與數據傳輸率相似的變化趨勢，802．15．4對應的時延變化比較平緩，尤其在低速率時，遠遠低于802．11產生的時延。

5 結束語
802．15．4協議是針對無線個人區域網提出的協議，非常適用于低能耗、低速率的WSN，使得WSN的應用范圍得到充分擴展。下一步我們將對WSN的能量有效MAC協議和路由協議進行研究和改進。