IEEE802.15.4标准的GTS时延分析

【摘 要】为准确评估IEEE802.15.4网络中GTS实时传输性能，保证实时传输，简单介绍了IEEE 802.15.4协议的GTS调度机制，建立了GTS调度机制的数学模型和仿真模型，分析了不同网络环境下超帧参数SO对GTS调度机制的时延的影响。结果表明，数据到达率、最大突发值较低时，其超帧指数越低，系统相应的时延界限就越小；最大突发值较大时，系统的时延界限在超帧参数SO=2时取得最小值，能更好地保证实时传输。

【关键词】IEEE802.15.4 保障时隙 时延 数据包到达速率 最大突发值

[Abstract] To accurately evaluate GTS real time transmission performance， guarantee real time transmission， the paper briefly introduced the GTS mechanism in IEEE 802.15.4 protocol， built the mathematical model and the simulation model of GTS mechanism， and analyzed the impact of Superframe Order on the GTS delay bound under different network conditions. Results showed that with low arrival rates and low burst size， low superframe order was suitable for providing low delay bounds. However， if the burst size is relatively high， superframe order SO=2 is better for providing timeliness guarantees.

[Key words]IEEE802.15.4 guaranteed time slot delay packet arrival rate maximum burst value

1 引言

IEEE802.15.4标准是一个新兴的无线通讯协议，是IEEE组织针对LR-WPAN（Low-Rate Wireless Personal Area Network，低速率无线个人区域网）制定的无线通信标准[1]。该标准以低速率传输、低能耗、低成本为出发点，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准[2]。由于该标准定义的LR-WPAN网络的特征与无线传感器网络有许多相似之处，故很多研究机构和公司把IEEE802.15.4标准作为无线传感器网络的物理层和媒体接入控制MAC层的通信标准[2]。

IEEE802.15.4标准定义了物理层和媒体接入控制MAC层[3]，IEEE802.15.4协议支持信标使能模式（Beacon Mode）和非信标使能模式（non-Beacon Mode）[4]。在非信标使能模式下，网络中不会周期性地产生信标帧，网络中所有节点都通过非时隙CSMA-CA协议接入信道，适合较大数据的传输，具有良好的自组织性。然而，非信标使能模式不能保证数据帧的实时传输。信标使能模式则可完成对实时性要求较高的数据的传输，在此模式下，通过调度超级帧中的保障时隙（Guaranteed Time Slot）提供可预测的最低服务保证，通过对GTS的评估分析，可以预测该网络最差的实时性能。

本文基于网络演算原理，提供一种评估IEEE802.15.4

网络中GTS实时传输性能的方法。这里提出两个GTS调度的服务曲线模型，并推导出了相应的时延阈值和工作周期，另外还分析了IEEE802.15.4参数对时延界限的影响。

2 IEEE802.15.4MAC协议

IEEE802.15.4标准定义了物理层和MAC层[1]。在该标准的物理层中，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、空闲信道评估以及通过物理信道发送和接收数据帧[4]。MAC层的主要功能是规范信道访问的方式，通过一定的共享机制使网络中的节点能有序平等地访问物理信道。

IEEE802.15.4标准的MAC协议主要有两种通信模式：信标使能模式和非信标使能模式。非信标使能模式主要为非实时数据提供公平的无线信道的接入，即非时隙CSMA-CA协议；信标使能模式的信道访问方式分为两种：基于冲突退避机制的时隙CSMA-CA协议和针对低时延应用传输的GTS（Guaranteed Time Slot，保障时隙）机制[5]。

在IEEE802.15.4的MAC协议中，引入了超帧结构（Superframe Structure）的概念[6]。系统在信标使能模式下使用超帧结构，实现协调器和设备之间的时间同步、PAN（Personal Area Network，个人局域网）协调器的识别以及设备之间的通信。图1为超帧结构示意图。

超帧由PAN协调器发出的相邻两个信标以及其中的时隙组成，分为活跃期和不活跃期两个部分。活跃期被划分为16个等长的时隙，在活跃期，PAN中的设备进行帧的传输[7]。在非活跃期，PAN中所有节点进入休眠状态，停止通信以达到节省能量的目的。

BI（Beacon Interval，超帧长度）和SD（Superframe Duration，超帧活跃期长度）由两个参数来确定：BO（Beacon Order，信标参数）和SO（Superframe Order，超帧参数），BO决定超帧的长度，SO决定超帧中活跃期的长度[4]。对BI和SD的定义如下：

Duration为超级帧的最小长度，即SO=0时对应的超级帧长度，IEEE802.15.4标准中规定其长度为960个符号[7]。

超帧的活跃期分为三个时段：信标发送时段、CAP（Contention Access Period，竞争访问时段）和CFP（Contention Free Period，非竞争访问时段）[8]。通常情况下，节点采用超帧CAP时段内的时隙CSMA-CA机制竞争接入信道。对于一些时间敏感的应用，节点可以请求PAN协调器启用CFP时段进行帧传输，PAN协调器收到请求后通常是以FCFS（First Come First Served，先来先服务）的方式分配各节点预约的保障时隙GTS，各节点可以通过分配的保障时隙来进行数据帧的快速传输，一个超帧最大支持7个保障时隙[7]。

3 IEEE802.15.4网络中GTS调度的时延边界分析

3.1 （b， r）模型的分析

在信标使能模式下，PAN协调器范围内的每个传感器节点都会运行相应应用并产生数据流。每个数据流都有一个关于到达数据的累积函数R（t），其上限由线性到达曲线α（t）=b+r・t界定，b为最大突发值，r为数据平均到达率，如图2所示。这个模型叫做（b， r）模型，该模型适用于周期性的数据业务[9]。

4 时延界限的仿真分析

通过计算机仿真对IEEE802.15.4协议的时延性能进行分析，并将仿真结果与数学模型分析结果进行对比分析。图5为基于IEEE802.15.4协议传感器网络的传感器仿真模型，仿真拓扑结构为由PAN协调器和终端设备构成的星型网络，主要仿真参数如表1所示。仿真节点模型主要由4个部分构成：物理层、MAC层、应用层、电源模块。物理层包括无线发送器和无线接收器，传输功率为1 mW。MAC层主要为时隙CSMA/CA和GTS两个传输机制，来自物理层的数据信息会先存储在缓存器中，当收到GTS调度指令后再传输到网络。应用层主要包含两个信源和一个信宿，信源分别为普通信源和GTS信源。电源模块的功能是计算节点的能耗及节点的电量。

图6为模型内单个GTS调度的保障带宽，当SO为0和1时，GTS保障带宽要比其他情况的保障带宽低，这是由于SO较小时对应时隙的时间太短无法发送大量数据。

图7为工作周期DC=1、平均到达率为5 kbps时，不同最大突发值b对应的时延界限曲线。根据等式（15）、等式（16）和等式（17）可知，时延边界由保证带宽R和信标间隔BI决定。

当最大突发值b较小即b=0.5， 1 kbit时，时延界限随着超帧指数SO的增长而不断变大，时延界限在SO=0时取最小值。这是由于在b较小时保证带宽R对时延界限大小影响较小，时延界限主要由时延（BI-TS）决定。

当最大突发值b相对较大即b=2， 4， 7， 10 kbit，且SO=0， 1， 2时，时延界限随着SO的增加而递减，在SO=2处时延界限取得最小值；SO=3， 4， 5， 6时，时延界限随着超帧指数SO的增长而递增。这是由于b增大后时延界限除由（BI-TS）决定外，还由保障带宽R决定，保障带宽与时延界限呈负相关关系。

由上可知，对于低数据传输速率、低最大突发值的普通无线传感器网络应用，超帧指数SO取0时，吞吐量和保障带宽相对较低，但能最大限度地减少系统时延，保证实时传输。对于最大突发值较大的应用，超帧指数SO取2时，能更好地保证实时传输。

5 结论

本文提出了一种针对IEEE802.15.4的GTS传输机制的分析方法，通过使用网络演算建立了一个GTS调度服务曲线的数学模型，推导出GTS调度的时延界限，并对信标指数BO和超帧指数SO对于时延界限的影响进行了分析。

对于那些低数据到达率、低最大突发值的无线传感器网络应用来说，其超帧指数越低，系统相应的时延界限就越小，但是同时较低的超帧指数也会降低GTS的带宽和吞吐量；对于最大突发值较大的应用，超帧指数SO取2时，系统的时延界限最小，且此时系统的GTS带宽和吞吐量也会相应提高，能更好地保证实时传输。

参考文献：

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[2] 吉诚，徐友云，郑宝玉. 基于IEEE802.15.4退避算法的改进机制[J]. 信息技术， 2008（8）： 8-12.

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[4] 姜智文，周熙，佘阳，等. IEEE802.15.4时隙CSMA/CA算法性能研究[J]. 无线电通信技术， 2014，40（2）： 34-37.

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