三种工业用WSN的MAC层分析与对比

王 骏

(上海工业自动化仪表研究院，上海 200233)

0 引言

无线传感网络(wireless sensor networks，WSN)是针对低功耗、低速率以及短程的无线通信应用，适合于家庭自动化、环境监测和健康监测等领域，在工业自动化领域也得到了越来越广泛的应用［1］。

早期出现的WSN大多遵循ZigBee协议［2］，具有资源丰富、协议公开等特点，因此得到了广泛的应用，目前的工业应用大多也是采用ZigBee协议。但考虑到工业应用的特殊性(如电磁干扰、应用行规、互操作等)，国内外企业和组织于近几年开始工业用WSN的研究和标准制定工作。先后由HCF组织和中国WIA组织起草并由IEC 发布的 Wireless HART［3］和 WIA-PA［4］标准，成为目前工业WSN研究与应用的新热点。本文通过对这三种协议的MAC层进行分析和对比，以帮助用户选择合适的协议、产品及应用。

1 MAC层协议简介

本文涉及的三种无线传感网络(WSN)协议均采用了IEEE 802.15.4［5］标准中规定的物理层(PHY)，但在媒介访问控制(MAC)层及以上各层是不同的。由于MAC层特性直接决定了网络性能(如吞吐量、数据传输率、时间特性等)，因此这三种协议具有不同的性能和表现。

1.1 ZigBee

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee协议于2003年由IEEE 802.15.4和 ZigBee联盟共同制定，目前为2007 PRO版本。ZigBee协议主要由物理层、数据链路层、网络/安全层、应用框架及高层应用规范构成。其中PHY层与MAC层由IEEE定义，网络层与应用层由ZigBee联盟定义。

由于ZigBee本身并没有规定PHY和MAC，而是完全采用 IEEE 802.15.4，因此，其 MAC 层性能与IEEE 802.15.4 一致。IEEE 802.15.4 的 MAC 主要分为信标(Beacon)和非信标(Non-Beacon)两种工作模式［5］，而 ZigBee 主要采用的是非信标模式［2］，即基于CSMA-CA的抢占式通信模式，以简化网络复杂度。鉴于IEEE 802.15.4的 MAC不支持跳频操作，因此，某个ZigBee网络中的节点仅能在同一信道上保持通信(关于跳频不在本文研究范围内)。如果该信道存在干扰，则该WSN中节点的通信将不可靠。这是目前ZigBee在工业应用中面临的一个主要问题。

基于ZigBee协议的网络拓扑多为簇状网，包括3类设备:网关节点(中心协调器)、路由节点和终端节点。其中，网关负责网络管理，并将路由表分配到路由节点;路由及安全等内容由ZigBee规定;各节点间的MAC层按照IEEE 802.15.4的非信标模式进行数据传输。

网关节点和路由节点为802.15.4中规定的全功能节点(FFD)。因为需要执行路由操作，网关节点和路由节点在空闲时必须一直处于唤醒侦听状态，无法进入休眠，因此，两者本身并非低功耗。网络中仅有终端节点可以进入休眠，因为其无需进行路由操作，仅与父节点(网关或路由节点)建立单跳连接，因此仅在需要发送或接收的时候唤醒操作，其余时间进入休眠。但由于CSMA-CA机制的存在，节点唤醒后需要进行退避(Backoff)操作并侦听信道，以判断是否可以发送，因此，如果网络负载过重或存在较大的干扰时，节点将长期处于碰撞侦听过程，导致无法有效进入低功耗休眠模式。

1.2 WIA-PA

WIA-PA具有与ZigBee类似的特点，包括采用IEEE 802.15.4的PHY和MAC以及采用类似的网络拓扑结构和设备分类(网关、路由及终端);且网络中的网关和路由节点需要全时工作，仅终端节点可以进入休眠状态。

相对于ZigBee协议，WIA-PA更适合工业应用。这不仅是因为WIA-PA的网络层和应用层协议规定了安全及应用行规等内容，更主要的是其MAC层采用了信标(Beacon)传输模式，并扩展了数据链路(DLSL)子层，实现了跳频、重传等功能，提高了网络通信的可靠性。基于信标的网络超帧格式如图1所示［4］。

图1 WIA-PA的超帧格式Fig.1 Super-frame format of WIA-PA

从图1可以看出，WIA-PA的超帧格式是一种对IEEE 802.15.4超帧格式的扩展，在超帧的非活动期采用类似TDMA的技术进行slot划分。同时，考虑到网络分为簇内和簇间两层，为避免相互间冲突，在时间上作了分割，即一部分时间段用于簇内(星型结构)节点的slot通信，另一部分时间段用于簇间(网状结构)节点的slot通信。

由于WIA-PA是对 IEEE 802.15.4 MAC的改进，因此，其兼容其他符合IEEE 802.15.4信标模式节点的接入，可在超帧中的CAP和CFP阶段对这些兼容节点进行通信处理。

与ZigBee相比而言，采用信标模式的优点是避免了网络中节点碰撞发生的机率，有利于功耗的降低以及其他网络性能的提高。

三种工业用WSN的协议架构对比图如图2所示。

图2 三种工业用WSN的协议架构对比图Fig.2 The comparison of protocol architectures for three industrial WSNs

1.3 Wireless HART

与ZigBee和WIA-PA协议不同，Wireless HART协议仅与 IEEE 802.15.4的2.4 GHz PHY层相兼容。在网络拓扑结构方面，Wireless HART采用全网Mesh结构，同时网络设备简化为网关和终端(现场设备)两类，其中终端具有路由功能。

Wireless HART与ZigBee和WIA-PA除在拓扑结构上不同外，其MAC层的主要特征在于采用TDMA技术替代CSMA-CA，可实现数据传输的高可靠性。Wireless HART 的超帧格式如图 3 所示［3］，与 IEEE 802.15.4 的信标模式类似，超帧由若干slot构成。Wireless HART规定每个slot的时长固定为10 ms，并且在一个slot内完成STX(发送)和ACK(应答)操作。

图3 Wireless HART的超帧格式Fig.3 Super-frame format of Wireless HART

Wireless HART的TDMA技术与WIA-PA的slot技术类似，均通过时隙的分配避免冲突碰撞。但在具体的报文格式和收发时序上存在差异，且由于Wireless HART的超帧内不额外划分CAP、CFP和簇内/簇间通信，因此使用率更高。基于超帧的Wireless HART和WIA-PA由于涉及时间同步和自适应跳频等问题，在MAC层操作上较非信标模式的ZigBee复杂;此外，在网络层还需要考虑安全加密、网络加入等问题，往往需要使用额外的组态工具，才能使网络及节点正常工作。

2 网络性能分析

本文主要对MAC层的数据传输延时(transmission delay)、包交付率(packet delivery rate)和单节点的带宽效率(bandwidth efficiency)三项指标进行模拟分析。采用文献［6］和［7］中提及的相关计算公式进行计算分析。

为了简化计算及分析，并保证三种WSN的工作条件一致，作以下规定。

①仅考虑星型网络结构，所有节点仅与中心协调器建立单跳连接，且不支持多信道及跳频。

② 节点采样及输出的周期频率fs为2 Hz(500 ms)，也就是超帧周期时间，则WIA-PA协议中MAC的BO参数设为5(BI=491.52 ms)。

③设置WIA-PA中的SO参数为2(SD=61.44 ms)，即超帧的活动期(CAP+CFP)每个 slot时隙时间为3.84 ms，其后非活动期等分为43个slot，每个slot时长约为10 ms，与Wireless HART一致。

④ ZigBee和WIA-PA支持IEEE 802.15.4的应答机制。

2.1 传输延时

根据文献［6］和［7］中的定义，IEEE 802.15.4 的数据传输延时Tl由平均退避时间Tbo、数据传输时间Tpacket、收发切换时间 TTA、应答时间 TACK和帧间间隔(interframe space，IFS)时间 TIFS等构成，如式(1)所示。

对于WIA-PA而言，由于采用类似TDMA的冲突避免技术，因此数据传输时无需进行退避操作，即不包含式(1)中的Tbo。对于Wireless HART，相关时间常数与IEEE 802.15.4的定义略有不同，详见文献［3］。由于平均退避时间Tbo和数据传输时间Tpacket与节点数量n和MAC层包负载(payload)有关，因此计算不同节点数量n和包负载情况下的传输延时Tl。传输延时与包负载关系图如图4所示。

图4 传输延时与包负载关系图Fig.4 Relationship between transmission delay and payload

从图4可以看出，基于非信标模式的ZigBee协议，其数据传输延时Tl不仅与包负载有关，还与节点数量n有关，原因是ZigBee需要进行CSMA-CA的退避计算以避免冲突(这里的退避时间Tbo是平均值)。

基于TDMA技术的WIA-PA和Wireless HART，由于无需进行退避计算而使传输延时减小，它们的差异仅在于ACK应答报文的数据长度不同。二者有较小的延时时间，有利于降低节点功耗，提高信道的利用率。

2.2 包交付率

包交付率(PDR)表示了数据正确传输的概率。影响包正确传输的因素包括PHY物理层干扰、退避失效以及碰撞。文献［6］中给出了非信标模式下IEEE 802.15.4的包交付率计算公式，其同样与节点数量n和MAC层包负载有关。对于WIA-PA和Wireless HART而言，由于TDMA机制避免了退避失效和碰撞，因此，包传输失效仅与PHY误码率有关。参考IEEE 802.15.4的PHY规范，该误码率为1%。三种协议的PDR曲线如图5所示。

图5 包交付率与包负载关系图Fig.5 Relationship between packet delivery rate and payload

从图5可以看出，基于非信标模式的ZigBee协议，其PDR随着节点数量n和包负载的增加而迅速下降，同时还与节点的采样及输出速率fs有关。研究表明，当延时不满足Tl＜1/(60fs)的条件时，PDR将下降到90%以下。而基于TDMA技术的WIA-PA和Wireless HART，其包交付率与n和包负载无关，仅与误码率有关。文献［8］通过样本试验对此进行过研究。

2.3 带宽效率

文献［7］中给出的单节点带宽效率η，可理解为包负载传输所用时间Tpayload与整个传输延时Tl的比例，用于衡量负载传输的效率。使用TDMA时，由于包传输被分配在固定的slot时隙时间内，时间片长度是固定的(10 ms)，因此，其带宽效率计算公式如式(2)所示。

三种协议的单节点带宽效率曲线如图6所示。

图6 带宽效率与包负载关系图Fig.6 Relationship between bandwidth efficiency and payload

从图6可以看出，在slot时长大于传输延时Tl的情况下，WIA-PA或Wireless HART的单节点传输效率不及ZigBee。

3 结束语

本文针对三种目前主流的工业用WSN，对其MAC层进行了探讨，并结合特殊应用条件分析了传输延时、包交付率PDR以及单节点的带宽效率η三项性能指标。

研究表明，ZigBee和另两种协议在MAC上的主要区别在于CSMA-CA和TDMA技术。基于CSMA-CA的非信标模式具有较高的带宽效率，但在传输延时和包交付率方面与TDMA有明显差距，特别是随着节点数、包负载以及采样/传输速率的增加，ZigBee可能无法满足应用需求［8］。此外，WIA-PA和 Wireless HART具有的跳频、重传、安全加密等技术，使其具有更高的通信可靠性和安全性(这些内容不在本文研究范围内)。

相对而言，WIA-PA和Wireless HART操作复杂，在MAC及以上各层需要进行额外的配置，给产品实现和应用带来了不便。因此，在节点数、包负载以及采样速率、传输速率要求不高的情况下，即满足 Tl＜1/(60fs)，ZigBee也能够达到较好的网络性能指标和功耗水平。

［1］曾鹏.工业无线技术的标准化与应用［J］.中国仪器仪表，2008(3):40－44.

［2］ZigBee Alliance Document 053474.ZigBee specification［M］.ZigBee Alliance，2007.

［3］IEC.IEC Standard 62591 Industrial communication networks-Wirelesscommunication network and communication profile-Wireless HARTTM［S］.IEC，2010.

［4］IEC.IEC Standard 62601 Industrial communication networks-Fieldbus specifications-WIA-PA communication network and communication profile［S］.IEC，2010.

［5］IEEE.IEEE Standard 802.15.4 Wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks(WPANs)［S］.IEEE，2006.

［6］Liang Xuedong，Balasingham I.Performance analysis of the IEEE 802.15.4 based ECG monitoring network［C］//Seventh IASTED International Conferences－ Wireless and Optical communications，Canada，2007:99 －104.

［7］Latre B，Mil P D，Moerman I，et al.Throughput and delay analysis of unslotted IEEE 802.15.4［J］.Journal of Networks，2006(1):20 －28.

［8］Du W，Navarro D，Mieyeville F.A simulation study of IEEE 802.15.4 sensor networks in industrial applications by system-level modeling［C］//Fourth International Conference on Sensor Technologies and Applications，Italy，2010:311－316.