传感器网络中实时通信的研究

1 引言

近年来，由于能够适应多种现实智能环境，传感器网络得到了快速发展，并以其自组织、自管理、自节能、可靠性高、造价低和适用于恶劣环境等特点，被广泛应用于军事、医疗卫生、环境保护和交通等领域。在一些具体应用中，有时需要对传感器测量信息做出实时反映。比如在医疗中，对于病人血压值的突然升高必须在很短时间内了解并采取措施。在军事打击中，一些重要传感器的数据必须尽快得到处理并能得到快速反应。传感器网络应用于工业自动制造中也有实时性的要求。根据工业自动化系统理论，实时系统分为3个等级：低约束级，允许响应时间超过100 ms；一般约束级，响应时间在5～10 ms之间；高约束级，响应时间低于1 ms。本文以星型为网络拓扑结构，以IEEE802.15.4标准和Zigbee为基础协议，研究传感器网络中MAC协议的实时性能。

2 协议分析

IEEE 802.15.4定义了2个工作频段，即2.4 GHz频段和868／915 MHz频段(适合不同国家地区)，共分配27个具有3种速率的信道：在2.4 GHz频段有16个速率为250 kb／s的信道，在915 MHz频段有10个40 kb／s的信道，在868 MHz频段有1个20 kb／s的信道。

为了达到网络同步，IEEE 802.15.4在MAC层定义了超帧结构。超帧的格式由传感器网络的协调器定义，有16个大小相等的时隙，每个超帧之间由网络信标帧(beacon)分隔，信标帧在超帧的第一个时隙被传输。超帧分为竞争访问周期(Contention Access Period，CAP)和无竞争访问周期(Contention Free Period，CFP)。在CAP阶段，设备采用CSMA-CA机制竞争信道，设备对信道的访问延迟无法控制，无法实现实时要求，在CFP阶段，网络协调器为有实时性要求的设备分配GTS时隙，实现实时通信，如图1所示。



2.1 超帧的参数

由于IEEE 802.15.4允许设备采用节能模式，因而超帧有活动和非活动2种状态。在非活动状态下，节点进入休眠模式。这时使用2个参数信标帧间隔：一个是信标序号BO，即信标间隔，要求0≤BO≤14；另一个参数是超帧序号SO，并且0≤SO≤BO≤14。当BO=15时，协调器将不再发送信标帧，并且忽略 SuperframeOrder参数值。协调器只在超帧的活动状态为设备分配GTS，如图2所示。

2.2 GTS的分配过程

当设备发送MLME-GTS．request原语时请求GTS，设备将要发送的信息的长度和目的地址都包含在原语中。协调器一旦接收到请求，为提出请求的设备分配GTS并发送应答信息，然后协调器检查当前超帧是否有足够空问分配请求，并且重新计算CAP和CFP参数的长度。如果协调器同时收到多个GTS请求，将按照FIFO(First in First out)机制排队，协调器将在aGTSD-escPersistenceTime时间内完成决策，如图3所示。



如果分配成功，协调器就在信标中加入GTS指示帧，GTS指示帧中包含申请设备的短地址、GTS的开始时隙和GTS的长度等信息。如果没有足够的空间可以分配申请的GTS，GTS指示帧中的开始传送时隙就被设置为0。当设备收到协调器发送的确认应答后，将监听信道，并等待最长 aGTSDescPersistenceTime时间(aGTSDescPersistenceTime=4 surperframe)。若在此期间收到的信标帧中包含该设备的GTS指示时，设备处理GTS指示；如果信标帧中不含有该设备的GTS指示，宣布申请失败。在GTS发送之前，发送者发送MCPS—DATA．request原语以监测接收者是否做好接收准备。当协调器接到MCPS- DATA．request时，协调器的MAC层将检查是否有效，即是否为该设备分配过GTS。如果有效，在分配的时隙发送数据。GTS传送不必使用 CSMA-CA机制，没有竞争和退避时间，这种方法能够适合实时请求。

3 Petri网模型

Petri网的概念是由德国人Carl Adam Petri于1960首先提出的，具有严密数学基础，能深刻、简洁地描述控制系统并能对系统的动态性质进行分析。该方法以图形的表达方式描述系统，可直观地显示系统的动态过程，具有可读性和易于理解的特点。经典的Petri网是简单的过程模型，由2种设备(库所和变迁)、有向弧、以及令牌等元素组成的。库所(Place)一般用圆形设备表示；变迁(Transition)用方形设备或者线表示，代表事件、转化或传输；有向弧用来实现库所和变迁之间的连接；令牌(Token)是库所中的动态对象，可以从一个库所移动到另一个库所，令牌表示事物、信息、条件或对象的状态。

根据上面的分析，协调器对于GTS的请求采取先来先服务的规则，设备1请求GTS得到协调器的安排可能性如图4所示。这里假设设备1是一周期采样的传感器结点，而且采样周期小于等于帧长，在同一超帧中不会连续申请多个GTS。



一旦产生数据包，在队列中等待发送。当数据包移动到队首时，发送GTS请求，直到分配到GTS时隙时才发送数据包。这样，响应时间由3部分组成：人队时间、分配GTS时间和等待发送时间片的时间。