基于隐藏终端的802.15.4网络丢包率研究

程宏斌，乐德广，王海军，王晓喃，孙 霞

（1. 常熟理工学院 计算机科学与工程学院，江苏 常熟 215500；2. 湖北第二师范学院 计算机学院，湖北 武汉 430205）

基于隐藏终端的802.15.4网络丢包率研究

程宏斌1，乐德广1，王海军2，王晓喃1，孙 霞1

（1. 常熟理工学院 计算机科学与工程学院，江苏 常熟 215500；2. 湖北第二师范学院 计算机学院，湖北 武汉 430205）

针对基于隐藏终端的802.15.4网络数据丢包问题，提出了一种时隙CSMA/CA算法的数学模型. 基于模型推导建立数据丢包概率的数学模型，并研究隐藏终端对数据丢包现象的影响.然后研究不同网络参数如隐藏终端数、λ、N、minBE和NB对数据丢包的影响. 实验表明：通过合理的参数配置能够改善网络丢包问题，且相对于不考虑隐藏终端的情形，隐藏终端导致的丢包问题更加严重（高出25.2%）. 实验结果说明提出的算法模型较好的描述了802.15.4网络实际运行特征.

802.15.4；隐藏终端；丢包率；建模；性能分析

1 引言

目前，IEEE 802.15.4作为无线传感器网络应用最为广泛的协议，被公认为是最适用于无线传感网的标准. 因此协议的性能分析与研究就成为一个研究热点，很多学者对802.15.4的MAC协议进行了深入的研究. 由于无线传感器网络普通采集节点能量受限，网络和节点性能优化问题成为一个重要的研究方面.而隐藏终端问题将引起数据丢包现象，极大的降低网络和节点的主要性能，无线传感网中的隐藏终端问题已成为网络大规模应用的挑战［1］.

文献［2］增加了节点工作的空闲态，但是没有分析超帧休眠. 只是基于设计的802.15.4MAC协议的信道竞争模型进行性能分析，但是研究的性能指标不够全面. 文献［3］建立的802.15.4MAC模型没有分析节点休眠状态，另外对吞吐量性能的建模较复杂. 文献［4］研究基于瑞利衰落信道的无线局域网MAC层的丢包率问题，并分析了包长等因素对丢包率的影响. 文献［5］研究了无线传感器网络中丢包率和发送数据速率具有均衡关系，但该方法无法对无线传感网MAC协议进行精确的数学分析. 文献［6］建模分析了无线传感网络MAC层的碰撞和丢包问题，但其对数据发送概率的建模较简单，无法精确分析节点的动态特征，也没有深入研究协议参数对数据碰撞的影响. 文献［7］对基于多跳的802.15.4MAC协议建模，并研究了流量和隐藏终端问题对网络丢包等性能的影响. 文献［8］对基于簇状网络的可靠性和性能指标建模.模型没有分析吞吐量和丢包率性能，也没有研究协议参数优化对改善网络性能的作用. 文献［9］研究自适应802.15.4网络性能，也没有分析协议参数的影响. 文献［10］对基于占空比的802.15.4网络进行研究，分析了主要网络性能指标.

所以对基于隐藏终端问题的深入分析就显得尤为重要，但已有研究在研究协议时，一般都忽略了隐藏终端的影响；即使一些研究考虑了隐藏终端问题，也没有对其影响做深入研究. 本文利用基于马尔科夫链模型对802.15.4协议MAC层关键机制进行数学分析研究，并对基于802.15.4MAC层的隐藏终端问题进行详细的研究，分析其对数据丢包现象的影响. 对无线传感器网络或节点的相关参数和丢包性能之间的关系进行了研究，为改进网络性能提供理论支撑.

图1 时隙CSMA/CA算法模型

2 CSMA/CA算法模型

本文研究基于非饱和负载的802.15.4网络MAC层上行链路的特点并为其建立马尔可夫链模型，网络部署为规模为N的星型拓扑结构，并只考虑只有活跃期的超帧结构，到达各个节点的数据包符合速率λ的泊松分布过程，节点按照时隙CSMA/CA机制竞争信道并将数据发送到网络协调器. 本文的模型如图1所示，特点如下：

为了降低能耗，使得设计的信道竞争算法能够更加符合实际应用领域的要求. 设定节点从传输态、休眠态和当前退避结束三种状态适时转移到休眠态［11］.

1）超帧活跃期内，若节点已退避的轮数达到最大值，则进入休眠.

2）超帧活跃期内，若无数据包到达节点，节点进入休眠.

3）超帧活跃期内，若剩余的时间无法完成信道检测和数据发送过程，节点进入休眠.

图2中，节点按照时隙CSMA/CA算法在信道竞争各个阶段的状态为：{i，0）}表示节点的第一次信道检测状态. {i，-1}表示节点的第二次信道检测状态. {-2，j}表示节点的数据发送状态. 状态{-1，0}表示节点的休眠状态. 状态 {i，k}，k∈（1，Wi，-1）表示节点退避状态.

变量Z1是节点休眠一轮时间后还是没有数据传送任务的概率. Z2为节点在数据发送态之后进入休眠状态的概率，Z3为节点进入信道评估后检测到信道竞争接入时间中剩余的时间不能够完成信道评估和传输数据的概率，Z3可表示为：Z3=Lslot/SD=L/（960*0.016*2^SO ms）. x是退避的轮数 ，即NB的最大值. g，e为两次信道监测失败的概率.

假设=limt->∞{c（t）=i、d（t）=k}（i∈（0，c），k∈（0，Wi，-1）为信道竞争算法模型中的节点的状态稳态概率. 如：=limx->∞{c（x）=c、d（x）=0}. 按照模型，推导出节点的主要状态之间的一步转移概率如公式（1）所示［12］：

节点主要状态的稳态概率推导如下：

3 考虑隐藏终端的数据丢包率

由于节点使用基于时隙CSMA/CA算法竞争接入共享的MAC层信道，并且节点的通信范围局限于10~20 m左右，因此隐藏终端是802.15.4WSNs不可避免的问题. 图2对隐藏终端的成因进行描述：

网络节点a、b和c中，a和b、c和b都处于有效通信距离内，但是a与c距离较远，不能够直接通信，这样c和a可能相互构成隐藏终端. 当c有数据发送至b，c按照信道竞争算法试图接入信道，当评估信道为空闲状态后开始发送数据. 同理，在同一时刻节点a向b发送数据，由于a、c不在有效通信距离内，二者无法检测对方的数据发送，此时共享信道发生冲突，a、c的数据都丢弃. 丢包现象严重影响到网络和节点的其它性能指标，降低网络生存周期.

隐藏终端问题是导致无线传感网中的数据丢包重要因素，隐藏终端问题产生的信道冲突和丢包可能发生在节点发出数据一直到数据传输至目标节点的时间段内.

文献［13］中的IEEE802.11协议隐藏终端的分析方法，假设隐藏终端引起数据丢包的时间范围为Dhide，可表示为（-L，L+SIFS+B），即Dhide=2*L+SIFS+B. 其中，B占是传播延时. SIFS是最小的帧间间隔. L是一个数据包的传输时间，Dslot表示一个时隙.

因此，隐藏终端问题造成的数据包冲突概率定义为：

图2 隐藏终端问题

其中，每个节点的发送概率为ps，隐藏终端个数是Nh.

另外，无线传感网中的节点使用时隙CSMA/CA算法共享信道，数据丢包现象也可能是由竞争接入信道产生的. 信道接入冲突造成的数据冲突概率为：px=1－（1－r）n-1，其中r为节点处于数据帧发送的概率.

因此，在不考虑信道误码率，即理想信道的情形下，MAC层数据丢包率可以表示为：pdrop=1-（1-px）（1-py）.

4 丢包概率性能分析

下面在802.15.4网络MAC层时隙CSMA/CA算法模型研究的基础上，分析主要的协议参数和网络环境参数对MAC层数据丢包率的影响. 网络结构为星型拓扑，各个节点都处于有效的通信距离内. 上层数据包到达节点MAC层的速率为λ包/秒. 实验中关注的主要的参数分为两种：与802.15.4MAC协议密切相关的性能参数、与协议无关的网络参数，如表1所示.

表1 实验参数表

下面根据模型的推导对考虑隐藏终端的MAC层数据发送丢包率进行实验研究.

图3是隐藏终端数量与数据丢包率的关系图. 实验部署网络共30个节点. 随着隐藏终端个数增加，MAC层丢包率急剧增大. 这说明隐藏终端对丢包现象影响很大，较多的隐藏节点使得节点之间相互侦听不到隐藏终端的现象更加严重，从而导致节点与隐藏终端发送的数据包不成功，数据包被丢弃.

从实验看出，隐藏终端个数小于2时，丢包率变化很快. 之后，丢包率趋于1，网络数据传输趋于崩溃.这说明网络采用星型拓扑结构时，所有的采集节点向同一个协调节点传输数据，较少的隐藏终端同样导致网络节点相互成为隐藏终端，传输数据过程中发生冲突后被丢弃. 而且隐藏终端越多丢包越严重.

另外，隐藏终端数量一样时，退避指数初值minBE越小，数据丢包现象有所改善. 这是因为退避指数初值决定节点的等待退避时长，较小的minBE会延长节点的接入信道之前的等待时间，从而一定程度延缓节点争用MAC信道的取发送数据的概率，相应的数据接收冲突问题得到缓解，丢包率也相应降低.

退避次数NB对数据丢包现象影响较小. 这是因为隐藏终端数一定时，NB的变化对节点等待退避的时间影响较小，其对节点传输数据的过程影响较小.

图4描述了隐藏终端个数一定的情况下，MAC层数据传输丢包率随着数据包到达速率λ的变化趋势.由于隐藏终端的影响趋于稳定，改变协议参数，丢包率的变化主要由信道接入冲突引起. 随着λ的逐渐增大，丢包概率快速增加. 这是因为到达节点的数据负荷越多，竞争接入信道的网络节点越多，导致节点发送数据的冲突更加严重，数据丢包现象也更加频繁.

节点在相同的λ的情况下，取较大的minBE值时，数据丢包率越高. 这是因为较大的minBE取值导致节点的退避阶段最小值越大，相反节点在竞争信道中总的退避时间越短，其竞争接入信道更加频繁，信道冲突自然加重，相应的数据丢包率也加大.

图3 隐藏终端对丢包的影响

图4 不同λ时性能参数对数据碰撞的影响

协议参数NB对数据丢包率影响不大. 因为节点退避次数的增加没有较大延长退避时间，信道竞争冲突变化不明显，隐藏终端导致的丢包也不明显.

图5描述了随着λ的递增，隐藏终端数目对数据丢包率的影响. 如图所示，λ小于30包/秒时，丢包率随着λ快速增加，数据丢包问题加剧. 当λ>30后，数据丢包非常严重. 这是因为节点负载加大后，节点竞争信道的概率加大. 且在节点发送数据过程中，隐藏终端越多越加剧信道冲突，数据丢包更加严重.

图6是在相同隐藏终端数目情形下，MAC层数据丢包率与节点数、主要协议参数的关系. 随着网络节点数增多，数据丢包率变化不很明显.

退避指数minBE越小时，数据丢包率越小. 这是因为隐藏终端数一定时，较小的minBE增加了节点退避等待的时长，信道冲突降低，丢包现象得到改善.

节点数量N很小时退避轮数NB变化对数据丢包率影响很小.当网络节点数增多后，协议参数NB越大，数据丢包越严重. 这是因为较大的退避轮数NB虽然稍微增加了节点的退避时间，但是大量的节点处于超帧活跃期去竞争信道，而不是像NB较小时节点在较短时间退避等待后失败进入休眠，较大NB反而加剧数据丢包.

另外，数据帧长度L时隙数越小，数据丢包率越低. 这是因为L越短，根据隐藏终端可能引起数据丢包的时间范围为Dhide越短，MAC层的节点接收数据冲突概率越小，丢包现象得到改善.

实验研究表明，通过对802.15.4MAC协议的性能参数、802.15.4网络参数进行合理的优化配置，数据丢包现象能够得到一定程度的改善.

图7是本模型与不考虑隐藏终端的网络丢包率的对比. 很明显，考虑隐藏终端对数据冲突的影响之后，MAC层数据传送丢包现象明显严重得多，平均高出25.2%. 实验结果验证了本模型的有效性和合理性.

图5 不同λ时隐藏终端对丢包的影响

图6 网络参数对丢包的影响

图7 丢包率对比

5 结论

本文以802.15.4网络MAC层时隙CSMA/CA算法的数学建模为研究基础，通过对模型的分析计算，研究隐藏终端与网络丢包率的关系. 基于实验分析各个主要的网络参数如λ、N、minBE、NB和隐藏终端对数据丢包率的影响. 分析结果说明，合理的网络参数设置能够降低网络丢包率. 另外，与忽略隐藏终端现象的网络环境相比，隐藏终端导致的丢包问题比较严重，丢包率平均高出25.2%. 通过实验研究为降低隐藏终端对802.15.4网络MAC的数据丢包现象提供了优化方法，也为802.15.4 MAC协议的实际应用提供了理论支撑.

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Abstract:This paper raised a mathematical model of slotted CSMA/CA algorithm, for the sake of the problem of the packet lost in 802.15.4 network based on the hidden terminal. Then the paper established the mathematical model of the packet loss probability based on the mathematical derivation of model, and researched the influence of the hidden terminal to the packet loss. Moreover, the paper researched the influence of the network parameters such as the number of hidden terminal、λ、N、minBE and NB to the data packet loss. It is showed by the experimental results that properly settings for parameters could solve the problem of packet loss，and data packet loss caused by the hidden terminal is more serious without regarding the hidden terminal，which is increased by 25.2%. The experimental results show that the proposed algorithm model can better describe the network operation characteristics of 802.15.4.

Key words:802.15.4; hidden terminal; packet loss rate; modeling; performance analysis

A Study on the Packet Loss Rate in 802.15.4 Network Based on the Hidden Terminal

CHENG Hongbin1, LE Deguang1, WANG Xiaonan1, WANG Haijun2, SUN Xia1
(1. School of Computer Science and Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500; 2. School of Computer Science，Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

TP393.03

A

1008-2794（2017）04-0056-06

2017-05-21

江苏省自然科学基金“面向APP应用的安全漏洞分析”（BK20141230）；湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目“基于IPV6的车载自组网关键技术研究”（B2014011）

程宏斌，副教授，工学硕士，研究方向：嵌入式系统，计算机网络协议，E-mail：chb361@cslg.edu.cn.