基于Zigbee-WiFi的异构无线传感网实时数据融合机制研究

曲金帅，陈 楠，范 菁，徐 野

(1.云南民族大学 云南省高校无线传感器网络重点实验室，云南 昆明 650500；2.沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳，110870)

泥石流普遍产生于沟谷中或坡地上，因此如何有效地对泥石流高发地区进行监测与灾前预警，从而减少和避免泥石流灾害已成为国内外研究的重点领域之一.目前，针对于泥石流监测，已有多种技术应用于泥石流监测预警系统，其中基于无线传感器网络的泥石流监测方法是一种常用并且重要的手段[1].

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是大量静止或移动的微型、节能传感器节点以自组织和多跳方式构成的无线通信网络[2].WSN通信的主要协议为IEEE 802.15.4 Zigbee[3]，Zigbee技术是一种短距离、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术.WSN综合了微电子、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等先进技术，可协作感知、采集、处理、传输、报告网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息.但是，通常被检测的野外泥石流监测区域大，地形复杂，单一基于Zigbee技术的WSN无法达到远距离、高速率的数据传输.为此，本文提出了一种异构的无线传感网：在被检测的泥石流坏境，基于Zigbee技术的无线传感网采集传感数据，结合IEEE 802.11b WiFi技术[4-5]，利用WiFi具有高速数据传输的特点，实现传感数据高速率传输，旨在为异构无线传感器网络技术在泥石流等复杂环境条件下监测领域的应用研究提供借鉴.

1 异构无线传感网络系统

Zigbee与WiFi参数如表1所示.

表1 Zigbee与WiFi参数对比

基于此，在监测的泥石流地区同时采用Zigbee与WiFi这2种技术不仅可以实现环境的实时有效的监测又可以实现数据高速率远距离传输到监测控制中心.其异构网络拓扑模型如图1所示.

2 Wi-Zi转换通信协议设计

2.1 Zigbee-WiFi网关

网关中的网络协议层主要完成从WiFi 和Zigbee 协议的相互转换工作.对于从Zigbee 设备发送到WiFi 的数据，在网关需要经过以下处理步骤： Zigbee协议单元物理层接收到Zigbee数据，通过逐层拆除数据包首部，达到网关应用层，解读到Zigbee网络的监测数据，通过对监测数据逐层封装上WiFi协议数据包头，通过网关的WiFi协议单元的物理层，无线发送到WiFi终端设备[7].其WiFi-Zigbee 通信协议模型如图2所示.

Zigbee传感网与Zigbee-WiFi网关传输采用的是Zigbee协议的透明传输方式.监测数据通过网关处理后发送到WiFi接收终端，从而实现监测数据由低速率网络传输到高速率网络.WiFi网络采用基于DCF的数据发送机制，DCF 机制是 802.11 系列 MAC协议的基础[8-9].

2.2 网络转换的性能分析

假设传输一个数据单元的时间为Tp，而传输这些附加开销的时间为Th，我们定义 MAC 层的吞吐量效率η为：

(1)

其中，如果物理层的传输速率为R，而数据分组的长度为Lp，那么可以得到:

(2)

在IEEE 802.11 中，这些附加开销主要包括以下几种：传输物理帧头的时间Tphy，传输 MAC 帧头的时间Tmac，CSMA/CA 的随机退避时间Tcw及竞争信道的时间tzc.

tzc=tdifs+trts+3tsifs+tcts+tack.

(3)

根据上述分析，我们可以得到图3，当物理层的传输速率R变大时，对于同样大小的数据包，传送时间Tp会减小.而附加开销的传送时间Th是保持不变的，那么MAC 层的吞吐量效率η会减小.

对于异构的Zigbee与WiFi网络，Zigbee协议的传输速率为250 kbit/s，而WiFi传输网的通信速率为11 Mbps，这样就导致了Zigbee-WiFi网关的吞吐量效率大大降低，因此，当Zigbee-WiFi网关物理层的传输速率变大的同时，为了让MAC层吞吐量的效率也同时变大，必须对 MAC 层协议进行相应的改进.

鉴于Zigbee数据包比较小，Zigbee应用层的最大数据包为88 字节，而IEEE 802.11b 的MAC层数据帧负载最大为2 312字节.由于物理层和MAC层的附加开销对每个数据包都是相同的，所以在传输小的数据包的同时也就浪费了大部分网络资源[10].

因此，本文提出了基于MAC层的数据融合机制[11-12].

当Zigbee-WiFi网关的MAC层有多个数据包要发送时，其发送机制如图4所示.采用MAC层数据融合发送机制如图5所示.

未采用数据融合的时间：

T1=N[tdifs+tac+tdata+tsifs+tack].

(4)

采用MAC层数据融合的发送时间：

T2=tdifs+tac+theader+Ntdata+tsifs+tack.

(5)

其中，信道接入时间：

tac=trts+2tsifs+tcts+tcw.

(6)

tcw为CSMA/CA 的随机退避时间.

融合数据后节省的时间：

Tsave=T1-T2=

(N-1)[tdifs+tac+tsifs+tack]-theader.

(7)

从以上分析可以看出，数据融合的好处是可以增加可供融合的数据包的数量，减少小数据包的网络开销，同时，MAC层数据帧的量相对减少，从而降低了相互竞争和碰撞的概率.图6为MAC层数据重组控制示意图.

数据包在数据缓冲区中将接收到的数据进行缓存，由于数据缓冲区的容量有限，为了防止数据溢出，又引入了数据缓冲区控制器，控制接收数据包的数量.当达到一定数量时将这些小数据包融合成一个大数据包发送出去.

数据融合控制机制：在控制器中设置数据融合计数器Nn,其中Nn所满足的条件是：Nn

(8)

其中NBuff-data为数据缓冲区(data fusion buffer)容量，Sin-data为单个数据包的大小.数据融合控制机制是将多个小的数据包融合成为一个大的数据包，在等待多个数据包到达缓冲区的同时，会带来不可避免的问题，即时间延时大大增加了.如果想降低时间延时，也就是降低等待小数据包的到达时间，那么通过设定Nmax的值便可以达到降低时延的作用.如果网络仅仅是想达到最大的吞吐量，便可以将Nmax设置为最大值.另外也可以根据时间延时的要求合理设置Nmax.

3 实验仿真

图7为分别在Zigbee网络、Zigbee-WiFi异构网络、采用数据融合的Zigbee-WiFi异构网络下进行的吞吐量仿真，通过仿真结果可以看出，Zigbee-WiFi异构网络和采用数据融合的Zigbee-WiFi异构网络的吞吐量均比Zigbee网络的吞吐量有所提高.图8为Zigbee网络、Zigbee-WiFi异构网络、采用数据融合的Zigbee-WiFi异构网络的时延分析.由图8可以看出，采用数据融合的Zigbee-WiFi异构网络的时延比其他2个网络要大一些，这是因为，采用数据融合的Zigbee-WiFi异构网络要在数据缓冲区中等待数据包的到来进行数据融合，进而增加了时延.但是Zigbee-WiFi异构网络的时延与Zigbee网络时延基本差不多.由图7、8可以看出，在低时延的实时网络传输系统中，我们可以采用Zigbee-WiFi异构网络进行传输.如果在延时要求范围内，我们可以通过改变数据缓冲计数器，进而可以改变时延，以达到时延要求[13].

参考文献:

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[9] 范菁，谢建斌，陶芝琴，等.异构无线传感器网络跨层协议研究现状[J].云南民族大学：自然科学版.2011,20(4):235-244.

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