IEEE 802.15.4协议的性能研究

摘要：本文重点研究了802．15．4 MAC协议的网络性能，并仿真分析802．11和802．15．4在不同流量负载下数据吞吐量和时延的变化情况。结果表明在传输数据包长度较小的应用环境下，802．15．4的带宽效率比802．11高，说明802．11并不适合数据传输率低、传输包长度较短的应用环境，而802．15．4适合低速率的无线传感器网络。
关键词：IEEE802．15．4；无线传感网；IEEE802．11；MAC

0 引言
    随着无线通信、微电子及嵌入式等技术的快速发展，具有计算、感知和无线网络通信能力的传感器以及由其构成的无线传感器网络(WS N)引起了人们的极大关注。WSN是由部署在监测区域内大量廉价传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。由于WSN的潜在应用价值非常可观，己经引起了许多国家的工业界、学术界和军事部门的高度重视。
    目前，国内外WSN研究主要集中于能量、定位、可靠性、网络协议以及数据处理等问题。WSN介质访问控制协议，负责为节点分配无线通信资源，直接影响网络整体性能，成为WSN网络协议研究的重中之重。802．15．4协议是针对低速无线个人区域网制定的标准，该标准把低能耗、低速率传输和低成本作为重点目标，充分考虑了WSN应用的需求，是目前被业界普遍看好的一种WSNMAC协议。

1 802．15．4协议体系结构
    802．15．4协议只定义了物理层和数据链路层的MAC子层。
1．1 物理层
    物理层提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层的主要功能是信道选择、信道能量检测、打开和关闭收发器、发送和接收数据包、链路质量指示和信道估计。
    物理帧第一个字段是4个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，根据前导码序列特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符(start-of-frame delimiter,SFD)字段长度为一个字节，其值固定为OxA7，标识一个物理帧的开始。帧长度由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。
1．2 MAC子层
    MAC子层通过MAC通用部分子层SAP访问MAC数据服务，通过MAC层管理实体SAP访问MAC管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储在MAC子层协议状态相关信息的数据库。
    MAC层帧格式如图1所示，每个MAC帧都由帧头(MAC Header，MHR)、负载和帧尾(MAC footer,MFR)三部分组成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成；负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定；帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。在帧结构中没有表示帧长度的字段，但在物理层的帧里面有表示MAC帧长度的字段，MAC负载长度可以通过物理层帧长和MAC帧头部的长度计算出来。
1．3 超帧结构
    802．1 5．4协议工作模式有信标使能模式和信标非使能模式。在信标使能模式中使用超帧结构，图2说明了这个结构。在信标使能的网络中，PAN周期性地广播信标帧。
信标帧表示超帧的开始。设备之间通信使用基于时隙的CSMA／CA信道访问机制，PAN网络中的设备通过协调器发送的信标帧进行同步。超帧中分为活跃部分和不活跃部分。超帧中竞争时段的功能包括网络设备可以自由收发数据，网络内的设备PAN可以申请GTS时段，新设备加入当前网络中。非竞争时段由PAN指定的设备可以发送或接收分组。如果某个设备在非竞争时段一直处在接收状态，那么拥有GTS使用权的设备就可以在GTS时段直接向该设备发送分组。超帧的活跃部分由三个部分组成：一个信标帧、竞争访问时段(CAP)和非竞争访部时段(CFP)。每个超帧分成aNumSuperframeSlot个时隙(缺省值为16)，每个时隙长度为aBaseSlotDuration*2SO。信标帧在第0个时隙传输，不使用CSMA机制。CAP紧跟信标帧之后。如果存在CFP，则CFP紧跟随CAP并持续到超帧结束。

2 仿真方案设计
    本次实验采用的如图3所示仿真网络拓扑图，它包含了3个有线节点、4个移动节点以及1个基站，仿真器中所有节点通过使用相同的全双工无线链路通信，网络节点之间的带宽都是10Mbps，延迟的时间为2ms。此仿真过程中用到的路由层为AODV协议，MAC层分别为802．11和80 2．15．4协议，节点的传输距离是5m，仿真时间是100s。有4个节点随机产生FTP流，同时也有4个接收节点。

3 仿真配置
    (1)定义节点个数。
    设定有线节点个数：set num_wired_nodes 3
    设定移动节点个数：set num_mobile_node 4
    设定基站个数：set num_bs_nodes 1
    (2)设定无线节点参数。
    MAC类型：set opt(mac)mac／802．11
    接口序列类型：set opt(ifq)queue／dtail／priq
    链路层类型：set opt(ll) LL
    设置路由协议：set opt(adhocRouting) AODV
    (3)拓扑结构和流量源
    set W($i)[$ns node 0．0．$i]
    set BS(0)[$ns node 1．0．0]
    set wl_node_($i)[$ns node 1．0．[expr$i+1]]
    $ns duplex-link $W(0)$BS(0) 10Mb 2ms DropTail
    $ns duplex-link $W($i) $W(0) 10Mb 2ms DropTail
    (4)在向节点添加流量源之前，首先编写一个添加源和发生器的代码
    set src_udp0[new Agent／UDP]
    $src_udp0 set class_0
    $src_udp0 set prio_0
    set dst_udp0 [new Agent／Null]
    Sns attach-．agent$wl node(1)Ssrc udp0
    $ns attach-agent $W(1) $dst_udp0
    set app[new Application／Traffic／FTP]
    $app attach-agent $src_udp0
    $ns connect $src_udp0 $dst_udp0
    $ns at 0．0“Saop start”
    其他节点之间的流量源类似建立。

4 性能分析
    图43出了802．11和802．15．4在不同流量负载下数据吞吐量的变化情况。在传输数据包长度较小的应用环境下，802．15．4的带宽效率比802．11高，特别当包长度小于60bytes的时候，802．15．4的优势尤其突出，但随着包长和数据率的增加，高负载下802．15．4网络承受着大量的发送冲突与重传，带宽利用率开始明显下降；由于802．11有高达2M的带宽，因此产生的竞争与冲突的概率较低，在传输数据包长度较小时因开销相对较大，带宽利用率较低，随着包长和数据率的增加，数据的传输率趋渐增大。
    图5表明801．11和802．15．4端到端时延与数据传输率相似的变化趋势，802．15．4对应的时延变化比较平缓，尤其在低速率时，远远低于802．11产生的时延。

5 结束语
    802．15．4协议是针对无线个人区域网提出的协议，非常适用于低能耗、低速率的WSN，使得WSN的应用范围得到充分扩展。下一步我们将对WSN的能量有效MAC协议和路由协议进行研究和改进。