802.15.4协议

802.15.4协议（共7篇）

802.15.4协议 篇1

0 引言

微电子机械制造技术、无线通信和传感器技术的进步, 极大地推进了无线传感器网络[1,2]的发展。无线传感器网络是一种特定的Ad hoc网络, 是由大量的有感知、数据处理及能量供应模块集成的微型传感器节点, 并通过无线方式形成的一个自组织网络。WSNs在战场侦察、智能家居和生物医疗等领域都有广阔的应用前景。

IEEE802.15.4[3,4]是IEEE针对低速率无线个域网 (Low-Rate Wireless Personal Area Networks, LR-WPANs) 而制定的低功耗、低速率传输和低成本的无线通信标准。该标准中所规定的物理层和媒体接入控制层因其典型地满足了无线传感器网络的要求而被很多研究机构和公司认为是目前最适合无线传感器网络的通信协议。

1 IEEE802.15.4简介

1.1 网络设备

在IEEE802.15.4网络中, 存在2种网络功能设备:全功能设备 (FFD) 和部分功能设备 (RFD) 。FFD可以支持WPAN的PAN协调器 (PAN coordinator) 、协调器和设备3种操作模式。FFD支持与网络中任意设备通信。RFD的功能相对简单, 没有必要传送大量的数据, 只与FFD通信, RFD能够使用最小限度的资源。每个LR-WPAN至少要拥有1个FFD设备作为PAN的协调器, 以为网络提供总体同步服务和管理其他的FFD和RFD。

1.2 网络拓扑

根据网络应用要求, 在IEEE802.15.4网络中规定了星形拓扑结构和端到端拓扑结构。在星型拓扑结构中, 采取集中式通信方式, 网络通信是建立在PAN协调器与其他设备之间的, PAN协调器作为一个简单的中心控制器, 具有启动、终止网络通信和管理路由等功能;在端到端的拓扑结构中, 采取分散化的通信方式, 任何设备只要在其传输范围内都能与其他设备进行通信, 端到端的拓扑结构允许构成更复杂的网络结构, 解决了星形结构中PAN协调器能量受限问题。

1.3 IEEE802.15.4物理层

IEEE802.15.4标准定义了物理层和媒体接入控制层。在物理层中, 定义了网络的物理信道、扩频方式和调制方式等, 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。

1.4 IEEE802.15.4媒体接入控制层

IEEE802.15.4的媒体接入控制层提供了物理层和更高层之间的接口。

1.4.1 运行模式

IEEE802.15.4的MAC协议支持信标使能模式 (Beacon Mode) 和非信标使能模式 (non-Beacon Mode) 2种模式。 (1) 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, 设备采用无时隙CSMA/CA协议简单的传输数据。在该模式下不使用超帧结构; (2) 信标使能模式:信标是由协调器周期性地形成, 用于同步连接设备和确认该PAN。该模式下提供2种信道访问方式:基于竞争的时隙CSMA/CA协议和确保传输时隙的GTS机制。时隙CSMA/CA采用载波监听多址接入/冲突避免方式, 适用于业务传输实时性要求较低的应用场合;保障时隙 (Guaranteed Time Slot, GTS) 机制具有较小的数据传输延迟, 适用于业务传输实时性要求较高的应用场合。

1.4.2 超帧结构

在信标使能模式下, 使用超帧结构来加强和管理节点之间的通信。超帧结构由2个信标所界定, 包含在一个信标间隔 (BI) 里, 分为一个活跃期和一个非活跃期, 如图1所示。超帧的工作周期 (Duty Cycle, DC) 定义为:DC=SD/BI。

超帧结构由2个参数确定:信标参数 (Beacon Order, BO) 和超帧参数 (Superframe Order, SO) , BO决定超帧的长度, SO决定一帧中活跃期的长度, BO和SO满足0≤SO≤BO≤14。超帧长度BI和超帧活跃期长度SD由以下公式确定:

如果SO=BO→SD=BI, 那么超帧总是活跃的。若BO=15, 那么超帧结构将不存在并且网络进入非信标使能模式。这种情况下SO的值将被忽略。

超帧的活跃期划分为3个时段, 进一步分为16个等大小的时隙。

(1) 信标发送时段:信标从第0个时隙开始, 传输不需要使用CSMA; (2) 竞争访问时段 (Contention Access Period, CAP) :在CAP期间, 所有节点采用时隙CSMA/CA机制接入信道, CSMA/CA算法是基于退避时段; (3) 非竞争访问时段 (Contention Free Period, CFP) :所有可能被协调器分配的GTS分布在CFP期间并且必须占据相邻的信道, CFP期间的传输是自由竞争的, 因此不需要使用CSMA/CA协议传输, 而采用GTS机制传输。

在非活跃期内, 整个PAN中的设备为了节约能耗而进入一种睡眠模式。

1.5 GTS机制

GTS是超帧结构的一部分, 允许相关的设备不在CFP里竞争而接入媒体。GTS是WPANs里的一种资源保留。

GTS仅由PAN协调器分配, 用于协调器和设备之间的通信, 对于GTS的分配, 减少CAP的长度不能少于a Min CAPLength长度。一个GTS可以占据超过一个时隙。在同一时段里, PAN协调器最多可分配7个GTS。在GTS期间, 可以向协调器传输。

数据帧也可以从协调器接收数据帧。对于已分配了GTS的设备也可以在CAP期间进行数据传输。

1.6 CSMA/CA协议

IEEE802.15.4标准定义了2种CSMA/CA协议:无时隙CSMA/CA协议和时隙CSMA/CA协议。2种算法都是基于退避时段。

1.6.1 时隙CSMA/CA原理

在信标网中, 节点在CAP时段中的通信一般采取时隙CSMA/CA信道接入协议。节点需要使用3个变量 (NB、CW和BE) 来接入媒介。NB为退避次数, 其初始值为0;CW为竞争窗口长度, 其初始值为2;BE为退避指数, 决定节点需退避的时间。IEEE802.15.4标准中规定了CCA操作, 即节点在发送分组之前, 需等待下一个退避时隙的边界, 在0~ (2BE-1) 间随机选择退避时间, 在退避一段时间后侦听信道当前状态。如果信道空闲, 则CW的值减1, 并在下一个退避时隙的边界重新开始CCA操作;如果信道仍然处于空闲状态, 则节点将发送相应分组。若检测到信道忙, 则NB和BE均进行增量操作, 且CW值重新置为2。如果NB超出门限值, 那么节点将丢弃该帧, CSMA过程失败。否则, 节点将重新选择随机退避时间, 执行CCA操作过程。当采用时隙CSMA/CA信道接入机制时, 如果电池寿命扩展字段被置为1, 那么退避窗口长度将被限定在更短的范围内, 其目的是为了减少节点空闲侦听的能量损耗。

1.6.2 无时隙的CSMA/CA原理

无时隙CSMA/CA协议与时隙CSMA/CA协议相似。此时, 节点不需要维护CW变量, 只需要执行一次CCA操作即可。退避起始时刻可以在任何时间点上进行, 判断信道空闲则可以立即发送分组。

2 节能算法的研究现状

从2003年IEEE802.15.4协议提出后, 许多国内外相关研究机构就立即对该协议进行了较为全面的研究。

低能耗是IEEE802.15.4标准的重要特点, 因此对于标准低能耗的研究受到了广泛关注。IEEE802.15.4标准采用静态方案设置活跃期和不活跃期的持续时间, 当网络传输业务量动态变化时, 原标准中采用的静态预设方案将不再是最佳的节能方法。针对这些问题, 在节能算法的研究方面, 目前学术界已经提出了较多的协议和算法。文献[5]最早提出自适应工作周期调整的BOAA算法 (Beacon Order Adaptation Algorithm) , BOAA算法采用节点设备接收的消息数目来估计网络负荷, 以实现对业务量的动态估计, 达到工作周期的动态调整。Jeon提出了DCA算法 (Duty Cycle Algorithm) , 算法中采用传输队列占用比和端-端时延用于动态工作周期的计算。提出了针对业务负荷, 动态改变工作周期的AMPE算法。中针对SMAC协议提出了动态改变睡眠期的RL-MAC协议。这些研究都在一定程度上解决了降低能耗的问题。

超帧的工作周期越小, 协议的能耗越小, 但是由于节点的资源限制, 较小的DC会造成节点缓存的溢出和传输时延的增加;工作周期越大, 能耗就越大, 但较大的DC允许节点传输更多的数据帧并降低传输时延。因此针对网络业务量的动态变化, 动态改变IEEE802.15.4的超帧工作周期, 实现最低能耗与网络可靠性之间的最佳平衡, 是标准中亟待解决的问题, 也是今后的研究方向。

3 GTS调度算法的研究

GTS是用于保障业务数据的实时传输。在IEEE802.15.4标准中, PAN协调器对各节点的GTS请求采用的是先进先服务调度算法, 这就导致标准的GTS分配不能很好地满足各传输业务的Qo S需求。另外, 采用先进先服务的方式不能满足一些特定业务的时延要求。目前学术界出现了一些改进先进先服务的GTS调度算法。例如在文献[9]中, 提出了采用自适应GTS分配的AGA (Adaptive GTS Allocation scheme) 算法, 算法针对节点近期的GTS使用情况, PAN协调器为节点分配不同的优先级来进行资源调度。在文献[10]中, 提出了一种i-GAME (implicit GTS Allocation Mechanism) 算法, 实现了多个节点共享GTS, 同时提高了带宽利用率。为了满足工业应用的低时延要求, 文献[11]提出了EDD算法 (Earliest Due Date scheduling algorithm) 来分配GTS。在文献[12]中, 提出了一个简单且高效的16-m TS算法, 在该算法中, CFP期间被划分为16个微时隙, 该算法优先为时间敏感的应用提供GTS分配。这些算法的提出弥补或改善了原有协议里的GTS机制不足, 对日后的研究和发展起到了承前启后的作用。

在未来的传感器网络中, 空间上各节点对网络带宽的需求在发生动态变化;时间上节点本身对网络的需求也在呈现动态变化。因此, 针对网络实际应用和传输业务类型, 改进先进先服务的GTS调度算法, 提高网络的带宽利用率, 保障特定业务的时延要求, 也是标准中需要进一步研究解决的问题。

4 时隙CSMA/CA协议的研究

无线传感器网络的节点众多, 而在1个超帧结构里最多只能为7个传感器网络节点提供服务, 远远不能满足所有的实时服务需求, 而在IEEE802.15.4标准的信标使能模式中采用的时隙CSMA/CA协议不对实时业务传输提供Qo S保障。改进时隙CSMA/CA协议来为实时业务提供Qo S保障已成为一个研究热点。采用先进先出队列 (FI-FOQ) 和采用优先级队列 (PQ) 的CSMA/CA算法在文献[13]中被加以比较, 计算机仿真结果说明, 合理设置参数和排队机制, CSMA/CA协议的实时传输性能得到很大提高。在文献[14]中, 改进了时隙CSMA/CA协议, 采用priority toning strategy确保紧急情况下高优先级数据帧的快速传输。在文献[15]中提出了基于队列长度的CSMA/CA算法Q-CSMA, 较大地提高了CSMA/CA协议的时延性能和网络吞吐量, 但算法较为复杂, 难以在资源有限的节点上实现。文献[16]为实时异常事件监控提出了一种基于加权公平队列算法 (FQ-CSMA/CA) 改进的CSMA/CA协议, 实验表明, 该算法在数据帧的发送、平均队列延迟和能量消耗上比现有算法具有更好的性能。基于应用的多样性和特点, 相关的研究进一步推进了IEEE802.15.4标准的改进和完善。

在IEEE802.15.4标准中, 采用GTS调度机制来保障实时业务的传输, 在一个超帧内最多只能为7个传感器节点提供服务。因此, 针对网络中实时业务量较大的情况, 改进时隙CSMA/CA协议来为实时业务提供Qo S保障, 确保数据传输的实时性和可靠性, 也是未来标准中需要进一步深入研究解决的课题。

5 结束语

近年来对基于IEEE802.15.4无线传感器网络MAC协议进行了大量卓有成效的研究。主要介绍了目前较为热门的节约能耗、GTS机制以及CSMA/CA协议的算法。从目前的研究情况来看, 大多都是作为相对孤立的研究对象, 在保证与现有IEEE802.15.4标准兼容的前提下, 综合考虑节约能耗、GTS机制以及CSMA/CA协议间的协同设计, 是未来该领域的研究方向。

摘要：无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks, WSNs) 是一门新兴的无线网络技术。IEEE802.15.4标准作为一种新兴的无线通信协议, 以其低功耗、低速率传输和低成本的设计宗旨为无线传感器网络提供了一种很好的解决方案。对IEEE802.15.4标准的相关规定和特点进行了简要介绍, 在该标准的基础上针对当前关于能量消耗、GTS调度机制和CSMA/CA协议等方面的研究现状进行了介绍, 并做了总结。

关键词：无线传感器网络 (WSNs) ,IEEE802.15.4,能耗,GTS机制,CSMA/CA协议

802.15.4协议 篇2

无线传感技术逐渐进入了我们的工作和生活, 使我们摆脱了有线连接的束缚, 从而能够在移动中自由地实现信息的交换[7]。由于短距离无线网络技术具有电磁干扰小、传输稳定、安全性能高、成本低、功耗低的特点, 在军事侦察、环境监测、城市交通、工业控制等方面有着广泛的应用前景[3]。

由于传感器节点体积小巧, 只能携带非常有限的电量。大量分散的设备通常可能分布在环境恶劣、人不容易到达的地方, 更换电池变得比较困难。根据这些特点, 设计MAC层协议要注意这三个层面: (1) 能耗较低、提高效率; (2) 结点容易扩展; (3) 提高网络的吞吐量、带宽利用率。另外, 传感器节点在不同的时间域和空间域, 所处理的业务流量也是实时变化的。因此在网络拓扑中分布的结点要适应网络负载的变化并且有效地减少节点的功耗, 增加网络的吞吐量, 这点在无线传感网络的研究中显得尤为重要。

本文研究了IEEE802.15.4 CSMA/CA算法不能灵活地处理节点负载的变化这方面的缺陷。当网络负载较重的情况下, 一方面, 节点成功完成发送任务后将退避指数减小到最小, 网络中碰撞的概率提高。另一方面, 网络负载加重, 会引起较多的重传, 如此恶性循环导致网络拥塞[2]。因此提出了一种空闲信道评估的方式来感知节点业务流量动态调整退避指数的算法。仿真结果表明, 新算法能够在感知节点业务流量的情况下通过调整退避指数寻找到最优的退避周期, 从而减小数据包传送冲突的概率, 减少数据包重传的次数[6], 因此新算法在吞吐量和能耗等方面取得了较大的改进。

2 MAC层协议

MAC协议制定一组规则来更有效、更有序和更公平地使用共享煤介[3], 决定一个节点应该什么时候发送数据, 以及控制所有节点到物理层的接入。MAC协议主要的功能是发送、检测、跟踪信标;无线信道建立、维护和控制;处理保护时隙。

IEEE802.15.4规范中, MAC层能够在信标使能和非信标使能两种模式下工作, 本文着重研究在信标模式下的一些特性。

如图1所示, 在IEEE 802.15.4中定义了一种超帧的结构, 每个超帧都以网络协调器发出信标帧 (beacon) 为始, 在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。超帧将通信时间划分为活动和非活动两个部分。在非活动期间, PAN网络中的设备不会相互通信, 从而可以进入休眠状态以节省能量。超帧有活跃期间划分为三个阶段:信标帧发送时段、竞争访问时段 (contention access period, CAP) 和非竞争访问时段 (contention-free period, CFP) 。超帧的活跃部分被划分为16个等长的时槽, 每个时槽的长度、竞争访问时段包含的时槽数等参数, 都由协调器设定, 并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。

在超帧的竞争访问时段, IEEE 802.15.4网络设备使用带时槽的CSMA-CA访问机制, 并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。在非竞争时段, 协调器根据上一个超帧PAN网络中设备申请GTS的情况, 将非竞争时段划分成若干个GTS。每个GTS由若干个时槽组成, 时槽数目在设备申请GTS时指定。每个GTS中的时槽都分配给了指定的设备, 因此在这个期间不需要竞争信道。超帧的长度由参数BO控制, 而超帧的活动部分由SO控制[8]。

3 CSMA-CA访问机制

3.1 CSMA-CA算法

在IEEE 802.15.4标准中, CSMA/CA算法是网络中各设备在超帧竞争访问时段争用信道所采用的一种机制。CSMA/CA是指载波侦听、多路访问、冲突避免[2]。在网络中根据是否使用信标, 分别使用带时槽的CSMA/CA和不带时槽的CSMA/CA。

信标使能的网络在发送信息时使用带时槽的CSMA/CA算法, 每个节点在发送数据时要进行两次空闲信道评估, 只有两次信道为空才能完成数据的发送。在进行第一次的空闲信道评估时要等待随机数个退避周期, 以避免两个节点侦听到信道空闲后同时发送数据时引起的碰撞[8]。在进行信道评估的过程中如果信道为忙的状态, 那么就随机延迟一段时间再次进行信道评估, 如果退避的次数超过了规定的最大退避次数, 那么节点就丢弃该帧在新的竞争阶段再争用信道。

3.2 CSMA-CA改进算法

(1) 算法的设计思想

原有算法中节点根据网络状况, 选择一个合适的BE, 在[0, 2BE-1]之间选择随机数, 延迟随机数个完整的退避周期, 然后执行CCA, 原有的算法不能很好地适应网络状况, 这里引入了网络空闲状态评估, 可以实时地动态调整退避指数。信道空闲程度L越大代表信道越空闲, 信道竞争越小, 反之代表信道越繁忙, 信道竞争越大。

(2) 算法的设计方案

基于对CSMA/CA算法的研究分析, 将信道空闲程度定义为一次发送任务中总的发送时隙数与总时隙数的比, 如公式 (1) :

L= (Number_CCA-Number_Busy) ÷Number_CCA,

其中Number_CCA为执行空闲信道评估的次数, Number_Busy为执行空闲信道评估时检测信道为忙的次数。而文献[5]中是在下一次发送任务时, 让节点产生一个随机数来确定这次任务的退避周期的初始值。这种算法随意性增加, 不能有效地选择一个退避周期, 不能够减小数据碰撞和丢失的概率。所以在此引入两个参考值为信道空闲上限Mmax, 信道空闲下限Mmin, 使BE在[1,8]之间取值。当L≥Mmax时 (说明信道比较空闲) , 把退避基数BE自动减1;当L

改进算法的流程图如图2为:

4 仿真结果

本文采用NS2来验证改进的算法, 在仿真模型中, 网络范围为30m*30m, 20个节点进行通信, 采用了能量模型来计算网络能量的消耗。最后的仿真结果以20次仿真结果的平均值。本文研究了网络吞吐率、消耗能量。参数设置如表1所示:

图3显示了改进算法和CSMA/CA算法中业务负载对网络中的吞吐量的影响, 改进算法通过对信道空闲状况进行评估, 从而得到当前网络的负载, 动态地调整了退避指数, 减小了碰撞发生的次数和重传的次数, 所以优化了网络的性能, 从图中可以明显得出改进的算法提高了网络的吞吐量。

图4显示了改进算法和CSMA/CA算法中业务负载对能耗的影响, 本文探讨的是成功发送1byte所消耗的功率。在网络负载较大的情况下, 改进算法通过对信道空闲状况进行评估进行感知, 进而调整退避指数, 使得改进算法减少了网络中的能耗。

5 结束语

文中研究了IEEE802.15.4规范MAC层协议和CSMA/CA信道访问机制, 在原有的协议中macMinBE的值是一个固定值, 节点在每次争用信道时都要初始化为该值。在网络负载较大时会引起碰撞和重传的概率增加, 文献[8]指出发送过程和竞争过程消耗了绝大部分节点能量。因此本文研究的算法是将macMinBE动态调整, 最后通过仿真结果验证了改进的算法在提高了吞吐量降低了功耗, 今后研究的重点是放在更加优越的信道访问模型上, 在网络时延、包传送率等方面的性能有待更深入地研究。

参考文献

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[7]吕治安.ZigBee网络原理与应用开发.北京航空航天大学出版社, 2007.

802.15.4协议 篇3

无线体域网(WBAN)是以人体周围设备(随身携带的手表、手机已经传感器等)以及人体内部(即植入设备)等为对象的短距离无线通信,是以人体为传播途径的无线传感器网络,有着广阔的应用前景。其中最为普遍的是在远程监控医疗方面,通过体域网实时地监控病人的生理活动和健康状况[1]。不过在其广泛被应用之前,从系统设计到社会问题(如个人隐私保护)都有许多问题需要解决[2]。在通信技术方面来讲,有许多规范可以用来进行短距离无线通信,不过从已有的研究来看,最适合WBAN的还是IEEE 802.15.4[3]。该标准制定了物理层和MAC层的规范,把低能量消耗,低速率传输,低成本作为重点目标,旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。

对于植入人体内部的传感器来说,频繁地更换电池是不太可能的。根据文献[4]的研究,植入设备至少工作10到15年才可以更换电池,因此IEEE802.15.4最重要的问题就是节点的能量节省。

协议设定退避指数BE(Backoff Exponent)的最小默认值为3,如果在BLE(Battery Life Extension)模式下为2。则每次CSMA/CA开始时,退避时间在0到2minBE-1之间随机选择。本文根据过去的传输状况动态地设置BE值从1到8变化。当上一次传输成功时,将BE的值减1;如果上次传输失败,则增加1。如果在上一传输中没有数据传输成功的话则将BE的值加1。通过这样的修改,希望可以减少数据碰撞和重发的概率。因为对于WPANs,能量主要消耗在传输和竞争阶段[5],因此本文的方案可以减少功耗。

1 IEEE 802.15.4 MAC层简介

IEEE 802.15.4定义了物理层和MAC层规范,本文仅考虑MAC层。该协议支持两种拓扑结构:星形结构和点对点结构,在星形网络中有两种通信方式:信标使能和信标非使能,本文中仅考虑星形网络中的信标使能方式。

1.1 超帧结构

在信标使能PAN中必须使用超帧结构,以信标帧表示超帧的开始,两个信标之间被分为两个部分:活跃阶段和非活跃阶段,其中非活跃阶段可选,并且在这个阶段协调器会工作在低功耗状态下。信标使能网络是分时隙的,传输时间被分为16个相等的时隙,信标帧占用第一个时隙进行整个网络的同步。活跃部分包括两个部分,竞争接入阶段(CAP)和自由竞争阶段(CFP),其中CFP为可选。在CAP阶段,节点通过带时槽机制的CSMA/CA竞争信道,与网络协调器进行通信,所有的通信过程都必须在CAP结束前完成。超帧的长度由参数BO控制,而CAP的长度则相应地由SO控制。CFP阶段使用时槽保护机制,当CFP开始时,由协调器控制的节点在分配到的时隙内进行数据传输。本文仅仅考虑CAP阶段的带时槽机制的CSMA/CA,因此不考虑CFP,同时让BO和SO的值满足BO=SO。

1.2 带时槽的CSMA/CA机制

信标使能网络使用带时槽的CSMA/CA,在这种机制中,一个节点在传输数据之前至少要监听信道两次,由参数CW来控制。第一次监听开始前必须要在0到2minBE-1之间随机选择一个时间进行退避。这种随机性的选择用来减少两个节点同时监听信道发现信道空闲后同时发送数据时的碰撞概率。当信道检测到忙碌时,节点并不发送数据,而是随机等待一个新的时间后重新监听信道。如果第二次信道监听后信道并不空闲的话,就标志着此次传输失败。如数据发生碰撞或者被破坏,则会在新的竞争阶段重新发送。

从这个CSMA/CA的过程中看出,BE的初始值是固定的,并且默认值为3。对于退避机制的改进就是基于macMinBE值的修改。

2 改进的退避方案

考虑到网络中节点不同的传输条件,提出针对MAC层中macMinBE值的修改方案。IEEE 802.15.4协议中规定BE值在macMinBE和aMaxBE之间变动。macMinBE表示BE的最小值,可以设为0到3之间的任意一个值,默认值为3,而在BLE模式下macMinBE取为2来节省能量;aMaxBE表示BE的最大值,可以设为3到8之间的任意值,默认为5。

考虑节点过去的传输情况,认为BE的最小值应该可以自由变动。如果减小BE的值,则可选的退避范围会缩短,从而缩短退避时间。如果一个节点的数据量比较大,或者上一次传输成功,则意味着macMinBE的值对其竞争信道来说有一点大,因此在下一次传输开始时,通过减小macMinBE的值来减小竞争窗口。相反地,如果在上一超帧时间内没有数据传输成功,则说明macMinBE的值不适合,因此可以在下一帧开始时增加macMinBE的值扩大竞争窗口的大小。

为了得到显著的结果,需要让BE值尽可能在比较大的范围内变化。因此,可以将aMaxBE设为可选的最大值8,macMinBE设为1。如果将上一次传输过程中macMinBE用lastBE来表示,则该方案可以表示如下:

(1)如果上次传输成功,在下一次传输时将macMinBE重置为max[lastBE-1,1]。

(2)如果上一超帧过程中没有数据成功传输,则在此次超帧开始将macMinBE重置为min[lastBE+1,8]。

如果上述两种情况都不成立,则将macMinBE的值重置为和BLE模式下一样的2(伪代码见图1所示)。

根据这样的改动,macMinBE的值可以根据之前的传输状况在macMinBE的最小值1和aMaxBE之间动态的选择。因此碰撞概率和重发概率都会降低,尤其是在网络比较拥挤的时候。文献[5]中指出,发送过程和竞争过程消耗的功率分别占整个通信过程消耗功率的50%和25%。因此可以认为本文的改进方案可以降低功率消耗。同时如果碰撞概率降低,整个网络的吞吐量也随之增加。

3 仿真结果

用NS-2的仿真结果来验证提出的改进方案,仿真中所用参数如表1所示。在本文的仿真模型中,网络范围为15m*15m,1个PAN协调器与10个节点通信,并且只考虑上行通信。所有的节点都是固定的,而且彼此都在通信范围内,因此可以不用考虑隐藏终端的问题。所有的实验结果都是取20组实验数据的平均,并且取95%的置信区间。实验中应用了能量模型来研究网络能量消耗的情况,参数如表2所示(参考CC2420规格)。

3.1 吞吐量

图2(a)显示了本文的改进方案和IEEE 802.15.4中业务负载对吞吐量的不同影响,这里的吞吐量指的是整个网络中的平均吞吐量。当业务负载从10 kbps到100 kbps变化时,IEEE 802.15.4的吞吐量只在从40 kbps到52 kbps很小的范围内波动。采用了改进的退避方案后,随着负载增加,吞吐量性能的提高越明显。当负载比较小时吞吐量大约只增加了12kbps;而当负载在60 kbps以上时,吞吐量达到78kbps,比原来的方案提高了约50%。

图2(b)显示的是两种方案中CBR大小对吞吐量的不同影响,包的大小从10 Bytes 到100 Bytes变化。当CBR大小只有10 Bytes时,原有方案中的吞吐量大约是36kbps,改进方案的吞吐量大约提高20kbps;当包的大小增加吞吐量都在增加,但是原有方案增加地更多一些。因此当包的大小在80kbps以上时,两者的性能差异就不是很明显了,但是改进方案还是保持10kbps的优势。

3.2 功耗

图3(a)显示的是不同方案下业务负载对功耗的不同影响,本文考虑的是成功发送1byte所消耗的功率。从图中可以看出,改型方案中每字节消耗的功率都要比原来的低。在原有方案中,当负载小于30Bytes时,功耗随着负载的增加而降低;当负载大于30Bytes,功耗维持在大约0.116uW/byte不变。改进方案中,功耗一直保持在大约0.068uW/byte,略高与原来功耗的一半。

图3(b)显示了CBR大小对功耗的不同影响,改进方案同样显示了性能的提高。当CBR大小是10byte时,改进方案中功耗大约为0.08uW/byte,而原来方案功耗要达到0.165uW/byte,因此改进方案在此条件下显示了明显的性能提高。当CBR大小逐渐增加时,功耗都在减小,而改进方案则变化的平缓一些。当包的大小达到100Bytes时,改进方案的功耗依然低于原来方案大约0.035uW/byte。

3.3 碰撞概率

图4(a)显示了业务负载对碰撞几率的影响。图中显示两种方案中碰撞几率在所有的业务负载的情况下都几乎保持常量,改进方案将整个网络的碰撞概率从13.4%降到5%。从该性能变化也可以解释改进方案在吞吐量和功耗性能上的提高。文献[6]中提到,在WPANs中,碰撞过程的能量消耗约占整个通信过程的25%,而低碰撞率则意味着低功耗以及高吞吐量。因此改进方案能够明显地提高网络的吞吐量并且降低功率消耗。

图4(b)同样可以解释不同方案中CBR大小对吞吐量和功耗的不同影响。修改后的方案降低了数据碰撞的概率,同时随着数据包大小的增加减低了两种方案中数据碰撞概率的差距。因此改进方案可以得到更高的吞吐量和更低的能量消耗,但是当CBR大小增加时,性能改善则没有这么明显。

3.4 重发概率

重发概率的分析同样可以解释吞吐量和功率性能的改变。图5(a)显示了业务负载对重发概率的影响,当负载为10kbps时,改进方案对重发概率的影响是很小的;当业务负载增加时,改进方案的影响就逐渐体现出来,而当负载达到100kbps时,重发概率大约减小到原有方案的一半,而低的重发率引起更高的吞吐量和更低的功率消耗。

CBR的大小对重发概率的影响见图5(b)。改进后的方案中重发率并不是在所有的CBR大小上都能体现优势。当包的大小很小时,重发率的降低非常明显;然而当包的大小增加时,这种差距就逐渐的减小;当CBR大小达到60Bytes时,改进后方案的重发率就高于原有方案,而且当CBR大小大于80Bytes,重发率一直比原来方案高2%左右。如果和碰撞概率的情况相结合,由于新方案的碰撞概率总是低于原有方案,则吞吐量和功耗的性能还是高于原有方案的。

4 结束语

提出了针对IEEE 802.15.4带时槽的CSMA/CA中退避方案的改进,在原有协议中,macMinBE的值是固定的,在每次CSMA/CA开始时总是重置到同样的值。这样的退避方案会引起碰撞和重发概率的增加,尤其是当网络中负载比较大或者CBR大小比较小的时候。

本文工作是将macMinBE设置成可以随着过去传输情况从1到8之间动态调整。仿真结果验证了我们的方案,改进后的方案中吞吐量和功率消耗的性能都优于原有协议所提的方案,而且在网络业务负载比较高或者数据包的大小比较小的时候可以得到更明显的性能优势,所有的这些改变都是因为我们的改进方案减小了碰撞率和重发率。

参考文献

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802.15.4协议 篇4

根据国际航空运输协会 (IATA) 数据显示, 采用机场地面设备 (400Hz静变电源和空调机组) 代替飞机APU (辅助动力装置) 使用的耗电量费用约为APU燃油费用的五分之一[1]。从节能减排、航空公司运营成本等角度分析, 航班在地面作业过程中利用地面设备取代自身APU获得电力和压缩空气是必然发展方向。

同时, 地面设备本身的安全性是影响航空安全的重要因素, 国内某些国际机场曾发生过地面设备烧毁飞机机载设备事件, 直接经济损失达百万元, 引起的航班取消和乘客转乘等造成的连锁经济损失和社会影响更是巨大的。由于地面设备不能及时检测隔离自身故障;或者地面设备对某些工况参数, 比如负载或外接电网谐波等参数, 不能实时检测和有效控制, 从而导致了航空安全事故或隐患。可见, 地面设备替代APU服务过程中, 地面设备的监控, 即对其健康情况和相关工况参数进行实时稳定采集处理, 对系统可靠运行是非常重要的。

“民航地面设备监控管理系统”基于WSN (Wireless Sensor Network) 设计和实现, 通过停机坪近机位使用测试验证可以解决服务过程中地面设备信息采集处理、数据统计分析等多项功能[2], 可以保证地面设备的使用安全性。但在数据传输方面需要进行性能提升, 主要是数据传输的方式选择和实时性问题, 本文主要针对此方面进行方法研究、优化设计和验证。

1 地面设备监控管理系统

地面设备监控管理系统主要由现场数据终端 (数据采集器) 、服务器以及相关网络设备 (网关、交换机) 互连而成。现场数据终端将地面设备监测传感器网络输出的数据进行搜集处理、本地存储并经由停机位信息接入点和候机楼内局域网上传至服务器, 再由服务器根据监测数据进行处理和控制, 从而实现对地面设备运行工况和故障的实时监控、预测、管理和服务计量收费。

出于民航安全性要求较高且地面设备处于户外工作考虑, 寒冷、湿热气候条件的机场, 环境比较恶劣, 其线缆布设和维护成本与难度均较大, 甚至远机位由于没有登机桥而无法布设线缆。因此地面设备监控系统辅助采用无线传输网络, 即地面设备监测传感器通过采用IEEE 802.15.4协议的无线网络将数据传输至现场数据终端, 该终端再将这些数据经以太网上传至服务器处理 (适用于近机位, 远机位需要利用GPRS网关) , 如图1所示地面设备监控管理系统结构图[2]。

无线传感器网络作为计量系统的一部分, 挂载或者安装于廊桥附近, 每个廊桥下面的数据采集节点以星型结构自组成网络, 如图2所示某廊桥下可能存在的网络拓扑。

其中node_1至node_12为终端节点, PAN为WSN的协调器, 终端节点呈三维空间分布 (高度相差不大) , 图2为设备节点在水平面垂直投影的示意图, 整个网络自组网成星型网络;终端节点负责对计量系统关心的数据进行搜集和负责采集桥载设备监控点相关信息, 包括计量模块相关信息、控制信息、反馈控制信息、设备本身状态参数、设备所处环境参数等。一个终端节点负责其中一项或者多项数据类型的采集和传送;PAN用于接收来自node_1至node_12传送的数据和管理系统向node_1至node_12发送信息。

从终端节点传输的数据类型来看, 其对数据的传输要求等级是不同, 如控制信息和反馈控制信号以及设备关键工作参数的数据相对于其他类型的数据而言, 其实时性、可靠性、快速传输的重要性对整个计量系统和地面设备、飞机的可靠、安全运行举足轻重。

实际上, 在停机坪测试过程中, 现场无线传感器网络暴露了一些问题, 具体体现在:

1) 某些性能参数会出现恶化, 如由于竞争访问信道的关系, 发送节点数据的传输时延有大有小, 不能完全满足所有节点数据传输时延期望值, 使重要数据传输可能遭受大时延;

2) 对于一些可能需要传输相对较多数据的节点, 现场数据终端有时不能在一个信标周期内完全接收发送节点数据, 变相造成重要数据传输时延增大。

2 可靠性、实时性和快速传输基本保证

IEEE 802.15.4协议标准支持两种通信模式———信标使能和非信标使能[3]。由于整个网络要求同步和数据的实时记录, 在不增加协议字段的复杂性的情况下采用信标使能的通信模式。

2.1 MAC层对实时性和快速传输的规定

IEEE 802.15.4信标使能的通信模式的特点在于对超帧结构和GTS的支持[3,4]。如图3所示的超帧结构。

其中BI, Beacon Interval, 信标间间隔;BO, Beacon Order, 信标序数;SD, Superframe Duration, 超帧持续时间;SO, Spuerframe Order, 超帧序数;CAP, Contention Access Period, 竞争访问阶段;GTS, Guaranteed Time Slot, 保证时隙, 一个GTS可有多个时隙 (slot) 组成;a Base Uint, 常数, 超帧持续时间基本单位;数据的传送在SD段进行, WSN中终端节点在非活动区休眠采取休眠机制[3,6]。

IEEE 802.15.4针对应用目标的特点, 对于有带宽需求或低传输时延的应用[3,6,7], 标准采用资源预留的时隙保障GTS机制, 即对需要可靠传输、快速或者大量传输数据, 同时不能保证数据在一个BI期间的CAP阶段传递完成或者数据不适合在CAP阶段传输, 那么终端节点可以利用现有的预留机制向PAN协调器申请GTS, PAN协调器根据网络对GTS申请数目、剩余的时槽数目和一些必须的保留时段, 向终端节点分配相应的GTS。

2.2 实时性和快速传输受限的分析

对于数据传输需要有一定实时性的终端节点, 若终端节点的GTS请求第一次未被响应, 那么在固定BI条件下, 时延将会至少 (假设数据在下一次信标的CAP传输完成) 为[3,8]。

其中, Inactive Period为非活动区持续时间。若数据传输只采用申请GTS方式的情况下, 由IEEE 802.15.4标准协议推出, 最小的时延为:

最小时延关系满足不等式:

其中, Delay为采用GTS方式时数据传输的最小时延, TCAP为CAP阶段的持续时间。

根据式 (1) -式 (4) , 在国际通用参考条件[8] (频率为2.4GHz, 传输率为250 kbps, BO=8, SO=2) 下, BI≈3.932 s, Inactive Period=3.870 s;时延在可靠运行条件下, 是无法满足设备节点数据实时传输和快速大量传输要求的。

IEEE 802.15.4标准中的GTS分配算法使用先来先服务 (First Come First Service, FCFS) , 但网络协调器同一超帧内最多只能分配7个GTS, 在同时有多个设备请求GTS且申请的slot (时隙, 一个SD被分配为16个时隙[3,6,7]) 和GTS数目较大的情况下, 很多设备的GTS请求都不能被响应, 即部分节点无法获得GTS, 那么上述情况将会导致依靠GTS传输但又未申请到GTS的节点的时延更大。文献[9]和文献[10]等分析FCFS造成时延较大的原因以及分析在对时延有较大要求的网络中可以改善GTS调度的地方。在需要部署灵活、结点众多的无线传感器网络应用中FCFS会使数据传输的实时性和大量数据的快速传输性受到很大的限制, 不利于关键数据的实时传输。

3 时延要求严格的数据优先传输方案

考虑到每个节点的时延要求并不相同, 非关键性数据可以有相对关键数据较大的时延, 那么可以对同时向PAN节点申请GTS终端节点采取按数据重要性的程度进行排序, 并且在队列里对优先级进行维护, 在可用GTS和slot资源内, 优先分配在优先级队列靠前的终端节点 (数据传输时延较严格对应的优先级) , 文献[7]和文献[11]等对GTS优先级调节做了部分理论研究;考虑到基于IEEE 802.15.4 WSN的实际应用场合不同, 相应地影响GTS优先级调节的因素不全相同, 同时由于IEEE 802.15.4标准对GTS请求的响应, 至少在下一个信标周期才会生效, 为了避免此段时间的时延, 在GTS和slot资源不足时, PAN节点一直维护队列里的GTS Allocate请求 (即GTS请求保留机制) , 直至数据成功传输或者GTS Deallocate到来, 即GTS Allocate请求保留机制。如图4所示本文讨论在减少时延和实现快速大量数据传输的目标上, PAN节点对GTS Allocate请求的处理流程。

由于每个节点传输的数据帧的类型可列, 即节点的最大数据量可以确定和数据类型的重要性已知, 同时考虑到设定优先级的因素包括:设备节点采集的数据本身属性P, 代表数据重要性;PAN节点根据预测, 设备节点本次GTS请求传送的数据量Q。那么优先级计算可以表达为:

其中, Priority为申请GTS Allocate的终端节点优先级;Pi为属性P占在WSN中所有数据传输类型的相对比重;Qi为数据量Q占WSN数据流量的相对比重。Pi和Qi的引入主要是为了确定当出现相同参数, 且GTS和slot资源不够时, 避免计算出相同的优先级而进行优先级细分。

另外, 在GTS请求队列中GTS Allocate请求保留机制要求PAN对本次GTS Allocate请求未响应的终端节点, 其会一直保留GTS Allocate请求, 直至终端节点主动申请GTS Deallocate或者终端节点数据传送完毕。

4 结果验证

根据图2所示的网络拓扑结构, 利用OPNET[12]构建此无线数据采集、传输网络的仿真场景, 对比FCFS与采用GTS优先级调节和GTS请求保留机制对时延的影响。

仿真场景的部分参数设置如表1所示。

所示场景中的所有的设备节点同时向PAN节点发送GTS Allocate请求, PAN节点采取优先级调节和抢占GTS方式与采取IEEE 802.15.4协议标准自带FCFS算法时, 各个节点开始传输数据的时间对比如图5所示。

图中FCFS表示采用FCFS调度算法, GTS Priority表示采用GTS优先级调度和抢占算法。

由图5可知, 在PAN节点广播的Beacon中, 其地址列表包含的响应GTS Allocate请求的情况, 也即获得GTS的终端节点分布;采取GTS优先级调优时, PAN节点优先给优先级较高 (1~7) 的节点分配GTS, 在优先级较高的节点因数据传输完成, 释放GTS后, PAN节点根据当前GTS和slot资源的情况依次响应GTS请求队列中优先级较高的GTS Allocate请求节点。然而FCFS对GTS的分配采取先来先服务的原则、相互竞争获取GTS, 其GTS的分配相对于GTS Priority来说, 优先级较高的终端节点并不是都分配到GTS (如优先级较低的node_10、node_11较node_8先获得GTS) , 重要数据不一定优先被传输, 会造成有些重要数据相对非重要数据滞后发送。另外从图中可以看出。每个节点都需要发送相同数量的数据时, 采用FCFS的WSN中各个节点传输完数据的最后时间较采用GTS优先级调度的要推后很多。

图6显示的是整个网络的终端节点开始传送数据包的时间, 同时侧面反映终端节点获取到GTS的时间。从图中可以看出, 优先级较高的终端节点其获取到GTS时间点比优先级较低的终端节点明显更早, 从侧面印证了PAN节点根据GTS和slot资源的情况优先分配GTS给优先级较高的终端节点, 这样终端节点数据传输时延相比FCFS得到一定保证。

另外, 由于PAN节点在GTS请求队列对GTS Allocate实行请求保留机制, 相对于FCFS, 其所有节点传送完数据的时间理论上也应该更小, 这是因为采用FCFS, 在经过4个Beacon时间[3,8], PAN节点会对GTS请求队列中未被响应的GTS请求终端节点进行删除, 这样当WSN中有GTS和slot可用时, 就需要终端节点再次申请, 导致终端节点至少再次利用一个信标去请求GTS Allocate, 至少耗费一个信标周期的等待时间, 图6中node_8-node_12开始传输时间比采用FCFS算法、最后获得GTS的节点 (如node_8) 开始传输时间也相对早。

如图7所示node1-node12同时开始传输数据时候, PAN节点接收各个节点传输的数据包数量对比图。

由图7可知, 当WSN终端节点利用GTS机制传输固定量的数据时, 采取GTS优先级调优和GTS Allocate请求保留算法的PAN节点接收到相等数量数据包的起止时间比IEEE 802.15.4协议的FCFS算法都靠前, 从侧面说明, 采取GTS调优和GTS Allocate请求保留算法的设备节点其GTS Allocate请求响应早于采取FCFS算法;同时整个网络数据传送时间相对较少, 在传输实时性上有整体的提升;整个网络传送时延相差为52.5-39=13.5 s。从仿真的角度证明了采用GTS请求保留机制对WSN中各个节点数据传送所需时间的影响。

5 结语

在WSN网络中存在多个节点同时向PAN节点申请GTS以使数据快速传输时, 且各个终端节点传输的数据有重要性之分, 那么在保证数据可靠传输的基础上, 采用GTS优先级调节可以保证重要数据的优先传输, 相对减少大量数据传输时的时延;PAN节点对终端节点的GTS Allocate申请保留、直至GTS Deallocate请求到来或者数据传输完成的机制, 至少能够减少一个BI时间。经过仿真分析, 在利用GTS优先级调节和GTS Allocate申请保留机制, 在民航地面设备监控管理系统的数据采集系统中等数据有重要性之分的场合, 对提高数据传输实时性和大量数据快速传输具有重大意义。

参考文献

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[10]李靖博.基于IEEE 802.15.4的工业无线网络结构设计与实时性分析[D].天津:河北工业大学控制科学与工程学院, 2010.

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802.15.4协议 篇5

在目前,自行车队中若需要进行即时交流使用无线对讲机是一个比较理想的方式,而无线对讲机则只能进行语音交流,功能相对单一,而且有体积大,功耗较高等缺点。本文提出一种基于IEEE802.15.4网络的无线语音通信系统,组成一个独立局域通信网络,在网络内除了可进行数据通信外同时也可支持语音对讲,未来可配合智能穿戴设备能进一步扩展该系统的功能。

1 系统设计方案

头盔系统硬件部分主要由CC2530 So C[1]芯片,文字转语音模块以及音频信号处理电路组成。CC2530主要负责队伍无线通信。系统启动后,由队长的主机设备负责建立局域通信网络,队员的终端设备会连接到主机并记录队员个人信息,主机与终端会周期性检查连接状态。该通信网络有两种通信模式:数据模式和语音模式。在不进行语音通信时,网络处于数据模式,此时可进行状态数据或监测数据的收发操作;当启动语音通信时,网络处于语音模式,此时进行队伍语音数据的传输。在正常行驶中,所有人均可通过通话按钮启动广播语音通信。当需要脱离队伍时可按下关闭网络按钮发出离开队伍信息。另外,系统运行时工作情况或通知均通过文字转语音模块告知使用者。

2 系统硬件架构

图1中,麦克风偏置电路和前置放大器的主要功能是对麦克风输入信号加上偏置电压,并对麦克风小信号进行放大,以便CC2530的ADC采样音频信号。音频输出混合电路将各路音频信号通过一个运放进行叠加处理,使各路信号得以同时在同一路输出。DAC和低通滤波器将数字信号转换为模拟语音信号后输出。CC2530是系统的主控芯片。处理发送语音时,完成对模拟语音信号的采集并将其转变为数字信号,在编码后打包成数据帧通过片内的RF收发器发送。接收语音时,读取语音数据对数据进行解码,经DAC还原为模拟信号以完成语音播放。文字转语音模块将特定文字转为语音信号输出。

3 系统软件设计

3.1 IEEE802.15.4网络拓扑

在IEEE802.15.4[2]中定义了全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)等两种器件。对全功能器件,要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件,在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话,而简化功能器件只能与全功能器件通信。

一个IEEE802.15.4网络中必须有一个FFD充当网络协调器(PAN Coordinator),它是网络的主控制器,负责建立网络、网络成员管理、分组转发等任务。

IEEE802.15.4支持星形和点对点两种网络拓扑结构,如2图所示。

3.2 TI-MAC软件框架

CC2530由于其内部功能结构较为复杂,若开发者从零开始设计将会非常困难和耗费时间。因此,TI为了简化开发流程,将底层的RF通信及内部资源封装为API,推出协议栈供开发者使用,有了软件框架可大大缩减开发时间和提高开发效率。

TI-MAC是支持IEEE 802.15.4-2003标准的MAC协议栈[3],支持多平台,便于用户应用开发,容易移植。

3.3 系统启动流程图

系统启动流程图如图3所示。

本系统设计为协调器(队长)与其他终端设备(队员)之间进行半双工通信,在网络建立后,协调器与终端都处于待机状态,当任意一方启动语音通话后立即切换到语音发送状态,进行采样并发送语音数据,另一方在接收识别到语音数据后切换到接收状态。队长或队员均设置广播发送信息,即所有人均能听到通话内容,模式与对讲机相当。其流程图如图4所示。

3.4 语音编解码算法ADPCM[4]

由于语音数据量庞大,若不进行压缩难以在网络上进行传输,因此需要使用音频编解码算法对语音数据进行压缩,以降低传输所需带宽。语音算法选择要着重考虑较高的压缩比、低复杂度、低延时以及语音传输质量。本系统采用ADPCM算法[5],其算法有实现简单且迟延小等优势,带宽只需要32kbps。

ADPCM原理图和解码示意图如图5-6所示,其核心思路是:

①利用自适应的思想改变量化阶的大小,即使用小的量化阶去编码小的差值,使用大的量化阶去编码大的差值。

②使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值,使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。

3.5 语音数据乒乓缓冲机制

由于语音通信发送接收过程会存在一定的延时,而为了保证语音采样还原过程不被打断,因此需要使用乒乓缓冲机制。具体思路是:发送及接收缓冲区均有两个长度相同的存储区域,每个区域可容纳1帧语音数据长度。如图7所示,相同颜色的箭头表示在同一时间指针所指向的缓冲区,两块缓冲区在采样编码完成或解码回放完成时进行交替工作,确保在读取一块缓冲区时,另一块缓冲区能够写入,避免出现两个地方同时使用同一缓冲区的风险。

3.6 语音通信程序设计

语音通信流程图如图8所示。由于该系统方案使用TI-MAC软件栈,其收发相关函数由软件栈MAC层内部完成,因此在发送语音消息时只需调用相关函数,在接收时处理对应接收事件即可。为满足实时语音通信的要求,传送语音数据时取消应答和重发机制,传输普通命令数据时,仍使用应答和重发机制。语音数据的采集、打包,播放均在CC2530的一个8位定时器中断服务程序里完成,该中断每125μs触发一次,以达到语音通信所需的8k Hz采样率。

4 结束语

目前基于此方案制作出了集成在头盔上的自行车队无线通信头盔,并在第十三届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛获得二等奖奖项,但该系统仍有许多优化空间。目前系统的复杂程度略高,各模块可以考虑进一步整合。例如,音频处理电路和语音处理电路可以进一步整合,使用音频编解码芯片来代替这部分电路,可以进一步减小电路板体积。目前采用CC2530 So C作为核心,但其IO口不多,且性能有限,若改为MSP430+CC2520方案可以进一步增加系统资源和提升性能。

另外,目前使用的IEEE802.15.4标准通信网络工作在2.4GHz频段,对于较长距离传输仍有一定难度,而在实际使用时不宜使用过大发射功率,因此必须在功率强度,通信距离,系统功耗之间取得平衡。未来可考虑通过中继通信的方式,以达到更远的传输距离。

摘要：文中提出一种通过IEEE802.15.4网络标准实现的无线通信系统方案,应用于小规模自行车队伍的队内通信。该无线通信系统使用CC2530 So C作为主控芯片,无需借助外界通信网络,通过自行车队员组成一个独立局域通信网络。系统使用TI-MAC软件框架进行开发,具有语音通信、网络监测和播报状态的功能。

关键词：IEEE802.15.4,无线通信,CC2530,自行车队

参考文献

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[4]敬朝晖,赵峰,朱庆源,等.基于IEEE802.15.4实现无线语音通信[J].信息技术,2009(8):4-5.

802.15.4协议 篇6

本文提出一个完整的基于Zig Bee?的驾驶辅助系统解决方案,该方案充分利用了具有低成本、低功耗和安全无线网络功能等特性的ZigBee协议。

该方案会在司机驾车接近公路上的一个预设道路点时提醒和通知司机。基于ZigBee的装置安装在每一个道路点,相关的信息通过广播发送到内置的ZigBee设备的接近车辆中。这种系统大大减少了对人类视觉及道路照明条件的依赖性。

ZigBee网络

ZigBee网络协议栈是建立在定义了针对低数据速率、低功耗网络的物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)的IEEE 802.15.4标准之上的。ZigBee在802.15.4之上增加了网络(NWK)层和应用层(APL)的规范,从而组成了完整的ZigBee协议栈。

更多关于ZigBee网络的内容可参考Beyond Bits第4期的文章,基于ZigBee/IEEE 802.15.4的定位监测。

该解决方案的网络拥有以下类型的ZigBee节点:

●网关节点:此节点位于交通管制站或警察局中,用于同步和收集附近路点节点的信息。每个网关节点将通过以太网连接到互联网。因此,互联网将作为中枢网络连接各网关节点。交通数据记录应用,或者说,任何属于城市管理职权范围内和要求涵盖面广的应用,都需要有一个路点节点的网络。这便于中央数据的收集和分析,以及远程节点的更新和维护。

●路点节点:有两种类型的路点节点:网络节点和独立节点。网络节点执行繁重的数据记录操作,并永久地与一个网关节点相连接。这种节点可以布置在交通干道、高速公路出入口和主要交叉路口。除了获取和传交通信息以外,这些节点还可以向车载节点广播有用的驾车信息,比如附近的加油站或医院等信息。

这些路点节点应能处理道路任一方向的交通。因此,每个车载节点需要通知路点节点其行驶方向,路点节点将反馈相关的信息。由于这些节点和网关节点组成了网络,因此它们可以得到其邻近地区最新的地标和公用事业信息。

●独立节点用于临时部署,它不一定连接到该地区的网关节点上。它们可用作紧急通知,警告前方的交通意外、在建工程及其他道路险情。一旦险情得到解决,这些节点将被移除。独立节点还可以作为广告,这并不需要连接到城市管理的路点网络。

●车载节点:这些节点放置在每辆车内用来与路点节点通讯。这些节点有一个人机界面,如键盘,LED或液晶显示屏等,以方便用户使用该系统。

如图1所示,标记为1–4的路点节点将有效地执行下列功能:

1.提供有关潜在盲点的交通警示;

2.提供各种陆标信息。如加油站、商场和医院;

3.提供关于接近铁路公路交叉道口的列车信息;

4.暂时提供一个关于,建筑及其他交通障碍物警告。

在接下来的章节,我们将看到所有节点协同工作,可以同时支持多种应用。

设置

每一个ZigBee车载节点都有一个唯一的ID分配给它,就像汽车的牌照号码。

车载节点以周期间隔发出包含ID的“ping”数据包,一旦收到“ping”数据包,路点节点将回发某一特定消息数据。

应用

广义上,应用可分为以下三类。

路况告警

路况告警将使用信息来提醒司机前方道路上的危险情况。路点节点能检测到驶近的车辆并传输警告信息以说明即将出现的危险情况,如:

●路面不平导致的限速和限行;转弯盲点;道路维修;禁停,禁止驶入或车速限制的变化,如校区;行人路口及医院或消防局的出入口;车辆驶入单向通行道路,多出现于在丘陵地区。

图2显示了如何设置路点节点装置提前给予汽车司机警告以及时采取纠正措施。对于在转弯盲点附近车辆的警告流程如下:

●图2中,路点节点检测到车辆A接近交叉口(收到车辆A的ping包)。

●路点节点于是记录下车辆A的ID,并发出“转弯盲点”的警告信息。

●在接到警告信息后,车辆A的车载节点将同时给司机发送音频和视频的“转弯盲点“警告信息。

●现在,车辆A仍然在路点节点的范围内,车辆B也进入了该路点节点的范围内。

●路点节点检测到车辆B后,会改变它的广播信息为“多辆汽车接近转弯盲点”。因为它是一个广播信息,所以它会被两辆车都接收到。

●两车的车载节点会再次发出音频告警,并打开一个红色发光二极管。一条警告消息也会显示在每辆车的LCD显示屏上。

●两车的司机可以按要求减速或停车。

●当两辆车都离开路点节点的范围时,该节点停止广播。

对所有的路况告警来说,路点节点的安置必须保证警告信息能及早发送给司机,以使其有足够的时间作出反应。正确的安置取决于下列因素:

因素1:路点节点或车载节点的广播范围(以较短者为准)

因素2:车载节点与路点节点之间连接的ZigBee数据传输率

因素3:人类的平均反应时间

因素4:车速限制,这有助于确定把车停下来所需的平均距离

让我们假设车辆A和车辆B同时以70公里/小时(19.44米/秒)接近转弯盲点,该速度即为车速限制(因素4)。因素1等于50米(保守估计),以及数据传输速率为50 Kbps(因素2)。在70公里/小时的速度下,刹车距离大约是43米,其中包括了司机的反应时间。比方说,警告信息是800比特的数据。

那么,A和B将在距离路点节点50米处被发现,并在50Kbps的数据传速率下,发送800比特的警示讯息只需16毫秒,在这段时间内车行距离约为32厘米。从50米减去这一数字的话,仍然留有超过43米的煞车距离。

信息广播

这类应用为司机提供从非安全紧急信息到各种商业广告的各种信息。

一些例子:

●道路标志

●最近加油/加汽站

●最近的医院,宾馆,市场,汽车服务站和地标信息

●方向指导,如目的地A是在当前位置的前方2公里处,目的地B是当前位置的右方3公里处和目的地C是当前位置的左方3公里处

●路旁餐馆的广告

数据记录

每一个在主要路口和主要高速公路出入口的路点节点能够保存通过车辆的ID和时间信息。节点在其监听范围内记录车辆出入时间和在其范围内的停留时间。这有助于城市规划人员掌握交通模式和流量的概况。

在一个特定的位置,几十个路点节点可通过网状网络连接到一个网关节点,网关节点又依次与一个行政办公室LAN相结合.网关节点将通过定期查询每个网状网络中的路点节点来更新其主日志。主日志信息可用来生成一个每日或每月的综合报告。通过将空气质量、温度和湿度传感器整合在一个路点节点,当地的空气质量也可以得到有效的监测。由于这些应用需要大量的数据记录,快速、长寿命、带错误校正功能的非易失性记忆体应包含在路点节点内。

该解决方案也可以通过以下步骤来追踪被盗或逃逸车辆:

●一旦某一车辆已经发出警告信息,每个网关节点将收到该车的ZigBee节点ID编号。

●随后,网关节点将其及一个“红色警报”的数据包传递到各自的路点节点上。

●路点节点然后进入一个特殊模式,它们把各自记录的车辆ID与“红色警报”ID相比较。当路点节点找到匹配后,它将提醒网关节。

●一条粗略的行车路线可以被记录下来,其中包括每一个路点节点识别该车的时间。

系统详情

我们这里推出了“动态单元”和“静态单元”两个概念。其中被安装在车内的ZigBee单元被称为动态单元,而道路上的路点节点则是静态单元。在动态单元上,一个汽车仪表板的液晶显示屏以及LED阵列被用于显示信息并通过音频警告一起警示司机。使用的LCD液晶显示屏的种类(分段式或彩色)取决于微控制器的种类和该装置的成本。如果使用平台级封装(PiP)[1]的MCF1322x,则可以连接通过SPI连接LCD液晶显示屏。发光二极管Unit Design with

可通过通用I/O(GPIO)或快速I/O(RGPIO)应用到设计中,它可于低成本解决方案中以取代LCD液晶显示屏。另外,路点节点和网关节点也不需要LCD液晶显示屏,因为一个技术员在调试和维护时可通过笔记本电脑连接节点来查看其信息。对所有动态节点来说,必须支持音频告警。

为节省功耗,静态节点在大多数时间中都处于睡眠模式,当它发现一辆车驶近时才被唤醒。太阳能也可用于为路点节点的提供工作电源,并为其电池充电,以24小时的能源效率。

飞思卡尔的优势

飞思卡尔提供所有构建模块用于开发一个完整的ZigBee兼容平台解决方案,包括硬件,软件,工具和参考设计。飞思卡尔提供从先进的兼容ZigBee的PiP单芯片解决方案到简化的包含ZigBee收发器(射频)和低功耗微处理器(MCU)的双芯片硬件解决方案。在双芯片解决方案中,微控制器应包括液晶控制器或两个或两个以上的SPI接口。作为特色之一,ZigBee能确保信息在一个信道上传输而不干扰其他无线网络,从而确保数据的完整性。

所有模块将包括飞思卡尔MC1322x微控制器,包含以下特色:

●128KB串行flash;96KB静态RAM;80KB ROM;IEEE802.15.4硬件加速器。

车载单元包含这些额外的板载部分:显示警示和其他重要信息的LED阵列;液晶面板(可选),以显示路点节点发送的信息。

有数据记录功能的路点节点也将包含SPI闪存,闪存可通过SPI接口与板载的MC1322x微控制器连接。

飞思卡尔还提供全面集成的开发环境(IDE)用以嵌入式应用开发。并提供配合IDE一起使用的Bee Kit?无线连接工具包,这是一套全面包含无线网络协议库、应用程序模板和样例应用程序在内的开发包。

结语

在本文中我们讨论了一个有效的驾驶辅助系统的重要性,以及它如何帮助我们改进公路的安全标准。该解决方案可显著降低司机的风险,并更好地管理交通。相对其他较昂贵的商用系统而言,我们基于ZigBee的驾驶辅助系统是一个高性价比的选择,它可替代那些诸如GPS的昂贵商用系统,后者虽然提供导航服务但不具备任何预警能力。

摘要：本文提出一个完整的基于ZigBee的驾驶辅助系统解决方案,该方案充分利用了具有低成本、低功耗和安全无线网络功能等特性的ZigBee协议。

关键词：ZigBee,IEEE802154,MC1322x

参考文献

[1]MC1322x-Advanced ZigBee-Compliant SoC Platform for the2.4GHz IEEE802.15.4Standard Reference Manual.(2009-02).http://www.freescale.com/files/rf_if/doc/data_sheet/MC1322x.pdf

[2]Freescale supports ZigBee Alliance’s move to integrate RF4CE technology.(2009-03).http://www.freescale.com/zigbee

[3]Research On The Road To Intelligent Cars.ScienceDaily.(2006-03-11).http://www.sciencedaily.com/releases/2006/03/060311090833.htm

[4]Concept of an Intelligent Adaptive Vehicle Front-Lighting Assistance System.H Shadeed,J.Wallaschek.Proceedings of the2007IEEE Intelligent Vehicles Symposium

802.15.4协议 篇7

微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步,推动了低功耗多功能传感器的快速发展,使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组组织的网络系统,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,并发给观察者。随着技术条件的成熟和大量潜在的应用需求,使得无线传感器网络成为国内外无线网络研究的一个热点[1,2]。

在无线传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中,或随意放置到人不可到达或危险的区域,这样就要求传感器节点具有自组织能力,能够自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发检测数据的多跳无线网络系统。在使用过程中,部分传感器节点的由于能量耗尽或环境因素造成失效,也有一些节点为了弥补失效节点,增加监测精度而补充到网络中,这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少,从而使网络的拓扑随之动态地变化。传感器的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。

无线传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术,IEEE 802.15.4标准就是针对低速无线个人区域网络的无线通信标准,把低功耗,低成本作为设计的主要目标,旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一的标准。由于IEEE 802.15.4标准定义的无线个人区域网(Low-Rate Wireless PersonalArea Networks,LR-WPAN)和无线传感器网络存在很多相似之处。所以很多研究机构把它作为无线传感器的无线通信平台。本文将通过分析IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN网的网络拓扑及形成过程,并在此基础上,实现无线传感器网络的自组网方案[2,3,4]。

1 IEEE 802.15.4网络

IEEE 802.15.4标准作为ZigBee的底层标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。表1是IEEE 802.15.4标准主要技术特征。

IEEE 802.15.4网络是指在一个个人操作空间 (personal operating space, POS)内使用无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合,又名LR-WPAN网。如图1所示在这个网络中,全功能器件 (FFD: Full Function Device),它拥有足够的存储空间来存放路由信息并且处理能力也较强;简化功能器件(RFD: Reduce Function Device),则内存较小, 功耗低。FFD主要起到网关的作用,PAN网络协调器(personal area network coordinator)是一个FFD设备,作为LR-WPAN网的主控制器,除直接参与应用之外,还要完成成员身份管理,链路转状态信息管理以及分组转发等任务。而RFD是最基本的传感器节点,用来捕获数据信息并传递给其范围内的网关节点。根据上层的应用环境, FFD和RFD互相组合,可以共同协调工作,不仅扩大了网络的覆盖范围,同时由于RFD 的加入,节省了整体功耗。

2 IEEE 802.15.4网络的拓扑结构

虽然网络拓扑结构的形成过程属于网络层的功能,但IEEE802.15.4为形成各种网络拓扑结构提供了充分支持。IEEE802.15.4定义的LR-WPAN网络根据应用的需要可以组织成星型网络,也可以组织成点对点网络,如图2所示。在星型结构中,所有的设备都与中心设备PAN网络协调器通信。在这种网络中,网络协调器一般使用持续电力系统供电,而其他设备采用电池供电。它适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。与星型网络不同,点对点网络只要彼此在对方的无线辐射范围之内,任何两个设备之间都可以直接通信。点对点网络中也需要网络协调器,负责实现管理链路状态信息,认证设备身份等功能。点对点网络模式可以支持Ad-hoc网络,允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。它可以构造更复杂的网络结构,适合设备分布较广的应用,比如工业检测与控制、货物库存跟踪和智能农业等方面。

2.1 星形网络的形成

星形网络以网络协调器为中心,所有设备只能与网络协调器进行通信,因此在星形网络的形成过程中,第一步就是建立网络协调器。任何一个FFD设备都有成为网络协调器的可能,一个网络如何确定自己的网络协调器由上层决定。一种简单的策略是:一个FFD设备在第一次被激活后,首先广播查询网络协调器的请求,如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器,再通过一系列认证过程,设备就成为了这个网络中的普通设备。如果没有收到回应,或者认证过程不成功,这个FFD设备就可以建立自己的网络,并且成为这个网络的网络协调器。

网络协调器要为网络选择一个唯一的标识符,所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后,网络协调器就允许其他设备加入自己的网络,并为这些设备转发数据分组。星型网络中的两个设备如果需要互相通信,都是先把各自的数据包发送给网络协调器,然后由网络协调器转发给对方。

2.2 点对点网络的形成

点对点网络中,任意两个设备只要能够彼此收到对方的无线信号,就可以进行直接通信,不需要其他设备的转发。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器,不过该协调器的功能不再是为其他设备转发数据,而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。网络协调器的产生同样由上层协议规定,比如把某个信道上第一个开始通信的设备作为该信道上的网络协调器。簇树网络是点对点网络的一个例子。图3是多级簇树网络的结构图。

在簇树网络中,绝大多数的设备是FFD设备,而RFD设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中。任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器,为其他设备提供同步信息。在这些协调器中,只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。网络协调器可能和网络中其他设备一样,也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。网络协调器首先将自己设为簇头(cluster header,CLH),并将簇标识号(cluster identifier,CID)设置为0,同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识号,形成网络的第一个簇,接着,网络协调器开始广播信标帧。邻近设备收到信标帧后,就可以申请加入该簇。设备可否成为簇成员,由网络协调器决定。如果请求被允许,则该设备将作为簇的子设备加入到网络协调器的邻居节点列表。新加入的设备将簇头作为它的父设备加入到字节的邻居节点列表中。PAN网络协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头,以此形成更多的簇。新簇头同样可以选择它的子设备成为新的簇头,进一步扩大网络的覆盖范围。但是过多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信的开销。为了弥补这个缺陷,簇头可以选择最远的通信子设备作为相邻簇的簇头,这样可以最大限度的缩小不同簇间消息传递的跳数,达到减小延迟和通信开销的目的。

3 无线传感器网络的自组网方案与实现

在无线传感器网络中,传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统,它的处理能力,存储能力和通信能力相对较弱,且携带能量有限的电池供电。从网络功能上看,每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能,除了进行本地信息收集和数据采集外,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理。每个节点都有建立网络的能力,由于WSN是对等的自组织网络与IEEE802.15.4标准支持的点对点拓扑形成簇树网络相似, 所以把无线传感器网络的组网方案建立在IEEE802.15.4标准的基础上。在节点加入网络的过程中,相互通信的一对节点构成父子关系,已经加入网络的节点称为父节点,另一个节点则为子节点。

在实际应用过程中,传感器网络存在能量的约束,而减少传输的数据量可以有效地节省能量,因此传感器节点自身的硬件资源的限制,使得它们大部分时间都处于休眠状态。当一个节点在某个时间点上醒来。节点便开始搜索其通信范围内已存在的网络。如果找到网络,节点根据所获得的网络信息,选定一个父节点提出入网申请,并等待父节点的请求响应;如果没有找到任何网络,节点将自己声明为PAN网络协调器并建立网络,并作为父节点接受入网申请。父节点收到一个入网申请后,将根据请求信息来判断是否允许加入网络,若允许加入,父节点将发出请求响应,告知子节点。子节点收到请求响应后,将获得一个父节点分配给它的一个网络地址(短地址)作为在网络内的唯一身份标识。节点成功加入网络后,将作为协调器广播信标帧,同时接受新节点的入网请求。这样通过层层的短地址分配,传感区域内的所有传感器节点将组成簇树的网络拓扑结构。图4是传感器节点的组网流程。

基于飞思卡尔[5,6,7]的Zigbee开发套件13192DSK-A00实现上述组网算法,将在CodeWarrior3.1集成开发环境中编写的代码,通过BDM编程调试器移植到SARD板上,在超级终端上查询调试结果。主要实现功能包括信道扫描,建立并且初始化网络,建立PAN网络关联,短地址分配,节点间的无线数据传输。

图5-6是组网调试结果,其中包括父节点组网和子节点入网两个过程,首先节点从休眠中醒来,扫描信道请求搜索存在的网络,在没有收到任何信标帧后,节点开始自己建立网络。包括能量检测,根据检测结果选定能量最低的信道号,在图5中0x0B为2.4G频段的第一个信道;初始化网络参数,0xBEEA为PAN的ID号,0x0000为短地址。网络建立完成,然后节点作为父节点等待子节点的入网请求。父节点启动地址分配算法给子节点分配地址空间。子节点从休眠中醒来扫描信道搜索到父节点的信标帧,获得父节点的网络信息,包括父节点的短地址、PAN的ID号、信道标签号、信标规范和连接质量。根据这些信息,子节点发出关联请求,父节点分配短地址0x0001给子节点,如图6所示。这样节点间就可以进行数据传输了。

4 结束语

无线传感器网络作为一种无基础架构的分布式多跳无线通信系统, 它无需铺设固定的基础网络设施,利用具有路由功能的节点,可以动态、灵活地组成网络,将被广泛应用于军事和民用领域,但是移动的自组网带来了信道容量、能耗等网络资源受限的问题。而IEEE 802.15.4标准把低功耗,低成本作为设计的主要目标,基于IEEE 802.15.4标准的无线传感器网络满足了低成本、低功耗的要求。所以市场潜力非常巨大。

摘要：无线传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术,IEEE802.15.4标准就是针对低速无线个人区域网络的无线通信标准,把低功耗、低成本作为设计的主要目标,由于IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网和无线传感器网络存在很多相似之处。所以把它作为无线传感器的无线通信平台。在分析LR-WPAN网的网络拓扑及形成过程的基础上,实现无线传感器网络的自组网方案。

关键词：无线传感器网络,自组织网络,IEEE802.15.4

参考文献

[1]任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学报,2003,14(7):1282-1291.

[2]孙利民,李建中,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]http://ieee802.org/15/pub/2001/May01/01189r0P802-15-TG4-Clus-ter-Tree-Network.pdf[Z/OL].

[4]sohrabi K,pottie G.Anovel self organization protocol for ad-hoc wire-less sensor networks,GLOBECOM99[Z].

[5]freescale semi-conductor[Z].802.15.4MAC/PHY software user’s guide,2005.

[6]freescale semi-conductor[Z].802.15.4MAC/PHYsoftware reference manual,2005.