IEEE802．15．4时隙CSMA/CA算法性能研究

姜智文，周 熙，佘 阳，黄 磊，李广位

(重庆通信学院，重庆400035)

0 引言

随着无线通信、微电子技术和传感器技术的发展，涉及多学科高度交叉的无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)［1－2］研究领域正备受关注。IEEE802．15．4标准［3］被认为是目前最适合无线传感器网络的物理层和MAC层的无线通信协议。

近来，研究者针对IEEE802．15．4时隙CSMA/CA算法，运用离散时间马尔科夫链模型［4－6］，提出了时隙CSMA/CA的分析模型，但未考虑Beacon Order(BO)、Superframe Order(SO)值的影响。文献［7］提出了一种在饱和情况下一种新的CSMA/CA的马尔科夫链模型用来计算吞吐量和能耗。文献［8］中，Koubaa等人通过为2种帧类型设置CSMA/CA参数，仿真并比较了先进先出队列和优先级队列之间的差异。文献［9］研究了 IEEE802．15．4MAC 属性的值(BO=SO，即100%的占空比)对吞吐量，时延和成功率的影响，未对其他的取值进行研究。

在网络传输业务动态发生变化时，IEEE802．15．4标准中采用的静态法案设置活跃期和非活跃期持续时间的办法将不能满足网络业务的要求，需要采取不同的工作周期以到达改善网络性能的目的，因此，分析工作周期等对网络性能的影响尤为重要。

1 IEEE802．15．4 标准

IEEE802．15．4 标准把低能耗、低速率传输、低成本作为重点设计目标，旨在为短距离不同设备之间低速率无线互连提供统一标准。在IEEE802．15．4网络中，存在2种功能设备:全功能设备(FFD)和部分功能设备(RFD)。FFD可作为网络的PAN协调点，协调器和设备，而RFD功能相对简单，只与FFD通信，不需传输大量的数据。根据网络应用要求，IEEE802．15．4网络中定义了2种拓扑结构:星型拓扑结构和点对点拓扑结构。

IEEE802．15．4标准定义了物理层(Physical Layer)和媒体接入控制(Medium Access Control，MAC)层。物理层中，定义了网络的物理信道、调制方式、扩频方式等，其功能是激活和关闭无线发送器、能量检测、链路质量指示、选择信道空闲信道评估以及物理信道发送和接受数据帧。该标准规定了3 种 频 率 带 宽 868 MHz，915 MHz 和2．4 GHz。2．4 GHz频段是全球通用，所以本文所考虑的物理层频率带宽设置为2．4 GHz，传输数率为250 kbps。

MAC层是主要是用来规范信道访问的方式，解决物理节点以何种规则共享媒体并取得满意的网络性能问题。IEEE802．15．4标准的MAC协议支持信标时能(Beacon Mode)和非信标使能(non-Beacon Mode)。在信标使能模式下，提供了2种信道访问方式:基于竞争的时隙CSMA/CA协议和确保传输时隙的GTS机制。时隙CSMA/CA采用载波侦听多址接入/碰撞避免方式，适用于业务传输实时性要求较低的应用场合。

2 超帧结构

在IEEE802．15．4的MAC协议中，引入了超帧结构(Superframe Structure)的概念，如图1所示。超帧以网络协调器(PAN Coordinator)发出的信标(图中第一个时隙)为开始，由活跃期和非活跃期2个部分组成。在活跃期，PAN中的设备进行通信，完成数据传输。在非活跃期，PAN中的设备停止通信，进入休眠状态以达到节省能量的目的。

图1 超帧结构

超帧的结构由1个参数确定，信标参数 BO(Beacon Order)和超帧参数SO(Superframe Order)，BO决定超帧的长度，SO决定一帧中活跃期的长度，BO和SO满足0≤SO≤BO≤14。超帧长度BI和超帧活跃期长度SD由以下公式确定:

超帧的工作周期(Duty Cycle，DC)也可称为占空比定义为:DC=SD/BI。显然，由式(1)和式(2)可知，占空比与SO和BO的取值相关。

超帧的活跃期划分为3个时段:信标发送时段、竞争访问CAP时段(Contention Access Period)和非竞争访问CFP时段(Contention Free Period)。活跃期被划分为16个等长的时隙，在超帧的CAP时段，节点采用时隙CSMA/CA机制接入信道。在CFP时段，PAN协调器以先进先服务(FCFS)的方式分配各节点预约的保障时隙GTS。保障时隙用于保障业务数据的实时传输，每个超帧最多支持7个保障时隙。

3 IEEE802．15．4 时隙 CSMA/CA 算法

关注重点放在了IEEE802．15．4MAC协议时隙CSMA/CA算法上，主要是因为相对于非时隙的CSMA/CA算法而言，时隙CSMA/CA算法使用信标来实现同步服务，这不同于以往所知一些CSMA/CA算法(例如 IEEE802．11中)。

IEEE802．15．4MAC 层采用 CSMA/CA(Carrier Sensor Multiple With Collision Avoidance)信道访问机制竞争信道使用权，该算法也是ZigBee的关键技术之一。时隙CSMA/CA算法主要应用在超帧的CAP时段，除非该帧是紧跟在一个数据请求命令的确认帧之后(此时这个数据帧可以在发送完确认帧之后立即发送)，要么各个节点在发送数据之前均应用CSMA/CA算法竞争访问信道。在信标使能网络中MAC层采用的是时隙CSMA/CA算法，而在非信标使能网络中采用无时隙的CSMA/CA算法，研究是基于时隙CSMA/CA算法的基础上开展的。

为实现该算法，需要维护3个变量:NB、CW和BE。

①NB是在执行当前发送任务时，时隙CSMA/CA算法需要进行退避的次数，在开始新的算法过程时初始化为0，当信道为忙时，NB的值会自动加1，最大值为4;

②CW是竞争窗口长度，是开始传送信息之前连续监测到信道空闲的次数，每次算法开始时被初始化为2，并且每次信道监听评定为忙时重置为2;

③BE是退避指数，它与设备在使用信道进行信息发送之前需要等待的退避周期有关，是一个在(0，2BE－1)之间的随机数，信标使能网络中该值被初始化为2和macMinBE中较小的一个，BE的最大值定义为5，这是为了避免退避时间过长而影响整个网络的性能。

4 仿真方案设计

OPNET Modeler作为当前业界著名的仿真软件，以其无与伦比的灵活性应用于设计和研究通信网络、设备、协议和应用。OPNET作为事件驱动的网络仿真软件，能最佳地模拟网络协议。本文基于P．Jurcik，A．Koubaa 开发的 IEEE802．15．4OPNET Simulation Model Version2．1开展计算机仿真研究。目前，该模型仅支持星形拓扑结构，因此，只能满足终端节点和协调点之间的单跳通信。

IEEE802．15．4的 OPNET仿真模型如图 2所示。该模型由4部分组成:物理层(Physical layer)、MAC层、应用层(Application Layer)和电源模块(Battery Module)。MAC层定义了CSMA/CA算法和GTS机制，本文重点关注的是时隙CSMA/CA算法，使用OPNET默认的无线模块来仿照无线信道物理层。

图2 IEEE802．15．4的 OPNET 仿真模型

仿真场景均采用理想的物理层，调制方式为O-QPSK。每个仿真场景中都采用星型拓扑结构，有一个PAN协调点和若干设备节点。仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真环境设置

5 仿真结果及分析

通过改变网络中的参数值，设置了不同的网络场景，研究了网络节点个数、占空比对网络介质接入时延、吞吐量以及能耗之间的影响。

分别选取节点个数为4、20、50和100场景作为比较对象，每组均有相同的节点数目以及不同的占空比，研究不同的占空比对介质接入时延的影响，仿真结果表明，随着占空比的降低，网络的介质接入时延不断增加，节点个数为20、50和100时，仿真结果也如此。

分别选取具有相同的占空比和不同的节点数目的仿真场景，研究在相同的占空比情况下，节点数目对介质接入时延的影响，结果表明当占空比相同的情况下，节点个数越多，网络的介质接入时延就越大，在占空比取其他固定值时也是类似的结果。

选取节点个数为50的仿真环境，研究不同的占空比条件下介质接入时延与吞吐量之间的关系，如图3所示。

图3 不同占空比下介质接入时延与吞吐量之间关系

仿真结果表明，节点个数为50的情况下，随着占空比的不断减小，介质接入时延会增加，网络的吞吐量会下降，这主要是因为超帧占空比的减小导致了超帧的活跃期时间变短，使得网络更多时间处在了非活跃期，处理数据的时间短了，介质接入时延和吞吐量也就降低了。因此，在实际的应用中，需要的是尽可能小的介质接入时延和尽可能大的吞吐量。

在固定占空比下，不同节点个数条件下介质接入时延与吞吐量之间的关系，选取SO=1和BO=2的固定工作周期，分别选取了节点个数为4、20、50和100为研究对象，实验结果如图4所示，结果表明，节点个数越多，介质接入时延就越大，网络吞吐量越大。节点个数为50的情况下，随着占空比的变化，介质接入时延与网络能耗之间的关系如图5所示。由分析结果可知，随着占空比的减小，介质接入时延就增大，网络的能耗会降低，可见这是一对相互矛盾的对象，实际应用中，既希望降低网络的介质接入时延，又要求尽可能降低网络的能耗，因此，要针对不同环境和应用特点区别对待，以达到二者之间的相互权衡，从而提高整个网络性能。

固定占空比(BO=4、SO=1)条件下，不同节点个数下，介质接入时延与网络能耗之间的关系如图6所示。

节点个数越多，介质接入时延就越大，当节点个数在50以下时，随着介质接入时延的增大，网络能耗始终保持在一个稳定的水平，这主要是因为在网络节点个数较少的情况下，网络负载较小，网络的处理能力能够轻松应对，所以整个网络的能耗也相对平稳。当节点个数为100时，网络负载的增大使得网络的处理能力吃紧，较大的介质接入时延也伴随着较大的能量消耗，这是不希望看到的。因此，对于拥有大量节点的无线传感器网络来说，实现在大量节点工作的环境下，介质接入时之间的相互权衡是很重要的。

图4 不同节点个数的介质接入时延与吞吐量之间关系

图5 不同占空比下的介质接入时延与能耗关系

图6 不同节点个数介质接入时延与能耗的关系

6 结束语

简单介绍了 IEEE802．15．4标准，重点介绍了在信标使能模式下采用的时隙CSMA/CA算法。基于OPNET仿真平台，设计了不同网络环境下的仿真实验，研究了节点个数、占空比等几个重要参数对介质接入时延、吞吐量以及能耗的影响，为今后的分析研究提供了一定的理论基础。仿真结果表明，节点个数以及占空比对介质接入时延有着密切的关系。相同节点个数情况下，占空比越小，介质接入时延越大，并且随着占空比减小，介质接入时延增大，网络吞吐量及能耗也均降低;相同占空比情况下，节点个数增多，介质接入时延也呈增大的趋势，并且随着节点个数的增多，介质接入时延增加，网络吞吐量会变大，网络的能耗在节点个数少于50时基本保持不变，节点个数为100时会有明显的增加。在实际应用中，应该依据具体的网络环境和网络特点合理地选择节点个数和占空比的大小，以求达到充分利用网络资源，提高网络性能的目的。

［1］ 汪涛．无线网络技术导论［M］．北京：清华大学出版社，2008：201 －217．

［2］ AKYILDIZ I F，SU W，SANKARASUBRAMANIAM Y，et al．Wireless Sensor Networks：A Survey ［J］．Computer Networks，2002，38(4)：393 －422．

［3］ IEEE 802 Working Group．Standard for Part 15．4：Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)［S］．ANSI/IEEE 802．15，2003．

［4］ MISIC J V，MISIC V B．Duty Cycle Management in Sensor Networks Based on 802．15．4 Beacon Enabled MAC［J］．Ad hoc ＆ sensor wireless networks，2005，1(3)：207－233．

［5］ MISIC J，MISIC V B．Access Delay and Throughput for Uplink Transmissions in IEEE 802．15．4 PAN［J］．Elsevier Computer Communications Journal，2005，28(10)：1152－1166．

［6］ MISIC J，SHAFI S，MISIC V B．The Impact of MAC Parameters on the Performance of 802．15．4 PAN［J］．Ad Hoc Networks，2005，3(5)：509 －528．

［7］ ZHENG J，LEE M J．A Comprehensive Performance Study of IEEE 802．15．4［J］．IEEE press Book，2004(5)：48－58．

［8］ KOUBAA A，ALVES M，NEFZI B，et al．Improving the IEEE 802．15．4 Slotted CSMA/CA MAC for Time-critical Events in Wireless Sensor Networks［C］∥Workshop on Real Time Networks RTN．2006，6：146 －158．

［9］ KOUBAA A，ALVES M，TOVAR E．A Comprehensive Simulation Study of Slotted CSMA/CA for IEEE 802．15．4 Wireless Sensor Networks［J］．IEEE WFCS，2006，6：63－70．