（物理电子学专业论文）ieee+802154+mac层性能分析及优化.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 i e e e8 0 2 1 5 4 协议旨在制定一个低成本，低功耗，低复杂度并可以自组织 的无线个域网标准，并为其制定p h y 层和m a c 层的规范。由于该网络中的设 备往往都采用电池供电，所以减少能量消耗就成为该网络的主要目标。 在i e e e8 0 2 1 5 4 标准中，有多个参数只给出一定范围而并未给出较为确切 的值，这些值对系统性能有着较为显著的影响。我们通过n s 2 仿真工具对i e e e 8 0 2 1 5 4 协议进行大量的仿真，研究不同网络负荷下b o ，b e ，c w 等参数对 吞吐量，丢包率，传输延时的影响，分析了隐蔽站问题、确认帧机制和不同的 传输模式，并对网络中能量的消耗也做出了分析。 以往通过数学建模的方法来研究i e e e8 0 2 1 5 4 协议时，模型都或多或少存 在着不足和缺陷，主要包括模型不适用于非饱和情况、没有考虑d e l a yl i n e 、没 有考虑重传和模型结果与仿真结果不符等。我们在之前这些研究的基础上，使 用马尔可夫链理论和排队论中m g 1 理论，在综合考虑d e l a yl i n e 和数据帧的 重传等细节的基础上，对非饱和情况下i e e e8 0 2 1 5 4 中上行链路c s m a c a 算 法进行数学建模，并给出模型中相关参数的数学表达式。通过对多种不同设置 下模型得到的多个性能参数与n s - 2 仿真得到的结果进行比较，两者拟合地均比 较完美，从而验证了模型本身以及数学推导的正确性。 在已建立的数学模型的基础上，我们对i e e e8 0 2 1 5 4 协议的能量消耗进行 了分析。针对i e e e8 0 2 1 5 4 协议主要面对的偷听现象大量浪费能量的问题，引 入退避时选择性休眠的机制，通过仿真和模型分析的方法对该机制进行了分析 研究。引入该机制后，接收和空闲状态占据的时间不同程度的减小了，这些减 少的时间都转变为休眠状态占据时间的增加。由于休眠状态消耗的功率与其它 状态相比十分微小几乎可以忽略，并且休眠时不会发生偷听现象，所以该机制 很好的解决了偷听现象浪费能量的问题，大幅度降低了能量的消耗。 关键词：8 0 2 1 5 4c s m a c a 马尔可夫链m g 1 能量消耗 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i e e es t d 8 0 2 15 4s p e c i f i e st h ep h y s i c a ll a y e r ( p h y ) a n dm e d i u ma c c e s s c o n t r o ll a y e r ( m a c ) o ft h el o wr a t ew i r e l e s sp e r s o n a ln e t w o r k sc h a r a c t e r i z e db yl o w c o s t ，l o wc o m p l e x i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dc a p a b i l i t yo fs e l fo r g a n i z a t i o n i n t h en e t w o r k s ，d e v i c e sa r em o s t l yp o w e r e db yb a a e r y , c o n s e q u e n t l bt or e d u c et o t a l e n e r g yc o n s u m p t i o ni sap r i m a r yt a s ki nt h i sf i e l d i ni e e es t d 8 0 2 15 4 ，ac o u p l eo fp a r a m e t e r sa r ed e f i n e da l t e r n a t i v e l y , a n d t h e i rm u l t i p l ev a l u e sg r e a t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c e t h r o u g hal a r g ea m o u n to fn s - 2 s i m u l a t i o n so ni e e e8 0 2 15 4 ，w es u m m a r i z et h ei m p a c t so fs o m ep a r a m e t e r s ( e g b o ，b e ，c w ：e t c ) o nt h ep e r f o r m a n c e ，i nt e r m so ft h r o u g h p u t , p a c k e tl o s sr a t e ， t r a n s m i s s i o nd e l a y , a n da n a l y z eh i d d e nt e r m i n a lp r o b l e m ，a c k n o w l e d g em e c h a n i s m ， d i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nm o d e ，a n de n e r g yc o n s u m p t i o n p r e v i o u s l yw h e np e o p l e s t u d i e di e e e8 0 2 15 4m a ct h r o u g ht r a d i t i o n a l m a r k o vm o d e l i n g ，t h e yi n e v i t a b l yi g n o r e dc e r t a i nt y p i c a lc a s e so rc r i t i c a lf a c t o r s ， s u c ha su n s a t u r a t e dt r a f f i c ，e x i s t e n c eo fd e l a yl i n e ，i m p a c to fr e t r a n s m i s s i o n ，a n d f a i l u r ei nm a t c h i n gw e l lw i t hs i m u l a t i o n s s t a n d i n go nt h e i rs h o u l d e r s ，w em o d e l i e e es t d 8 0 2 1 5 4m a ci n t om a r k o vc h a i nm o d e l w i t ht h eh e l po f m g 1q u e u i n g t h e o r ya n dc o n s i d e r i n gt h ee x i s t e n c eo fd e l a yl i n ea n dr e t r a n s m i s s i o np h e n o m e n o n ， w ec a r e f u l l yp r o p o s ea n df o r m u l a t eam a r k o vc h a i n m o d e lt a r g e t i n gi e e e8 0 2 15 4 u p l i n kc s m a c aa l g o r i t h m t h ef a c tt h a to u rf o r m u l a t i o nr e s u l t sm a t c hw e l lw i t h n s 一2s i m u l a t i o nr e s u l t sr e f l e c tt h ev a l i d a t i o na n da c c u r a c yo fo u rm o d e l d e p e n d i n go nt h ee s t a b l i s h e dm o d e l ，w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fe n e r g y c o n s u m p t i o n t or e d u c et h el a r g ea m o u n to fo v e r h e a r i n ga n di d l el i s t e n i n g ，w e p r o p o s e dac o n d i t i o n a lb a c k o f fs l e e ps c h e m e ，a n ds t u d yi tc a r e f u l l y a f t e rt h i s s c h e m ei si n t r o d u c e d ，m o s tt i m ei ss p e n ti ns l e e p i n g ，i n s t e a do fi d l el i s t e n i n g d u et o t h ev e r yl o wo r d e ro fs l e e p i n gp o w e ra n da v o i d a n c eo fo v e r h e a r i n gd u r i n gad e v i c e s l e e p s ，m o s to fe n e r g yg e t sc o n s e r v e d t h e r e f o r e ，t h ec o n d i t i o n a lb a c k o f fs l e e p s c h e m ei se f f e c t i v et or e d u c ee n e r g yw a s t e d k e y w o r d s ：8 0 2 1 5 4c s m a c a ，m a r k o vc h a i n ，m g 1 ，e n e r g yc o n s u m p t i o n 浙江大学硕士学位论文 图表目录 图2 - 1 星形拓扑结构和点对点形拓扑结构6 图2 - 2 不包含g t s s 的超帧结构7 图2 - 3 包含g t s s 的超帧结构8 图2 - 4 完整的超帧结构一8 图2 - 5 信标使能模式中设备向协调器发送数据l l 图2 - 6 信标不使能模式中设备向协调器发送数据1 1 图2 7 信标使能模式中协调器向设备发送数据1 2 图2 - 8 信标不使能模式中协调器向设备发送数据1 3 图2 - 9c s m a - c a 算法流程图一1 5 图3 - l 仿真拓扑图1 9 图3 - 2c c 2 4 2 0 功耗状态转换图。2 0 图3 - 3 隐蔽站( h t h i d d e n t e r m i n a l ) 和确认帧机制( a c k ) 对吞吐量的影响2 2 图3 - 4c w 对吞吐量的影响2 3 图3 - 5 隐蔽站( h t ) 和确认帧机制( a c k ) 对丢包率的影响2 3 图3 - 6c w 对丢包率的影响2 4 图3 - 7b e 、c w 和重传机制( a c k ) 对延时的影响2 4 图3 8 传输模式对传输延时的影响2 5 图3 - 9 无休眠模式下的能量状态时间分布2 6 图3 1 0 无休眠模式下的能量消耗分布2 7 图3 - 1 1 眠模式下的能量状态时间分布2 7 图3 1 2 休眠模式下的能量消耗分布2 8 图3 1 3 信标广播风暴2 9 图4 - 1s l o t r e dc s m a - c a 算法流程图3 2 图4 - 2s l o t t e dc s m a - c a 离散时间马尔可夫链模型3 5 图4 1 3n u m b e ro f f l o w s = 1 0 , b o = 4 时的r 4 9 图4 - 4n u m b e ro f f l o w s = 3 0 ，b o = 4 时的r 4 9 浙江大学硕士学位论文 图4 - 5n u m b e ro ff l o w s = 1 0 ，b o f f i 8 时的r 5 0 图4 - 6 n u m b e r o f f l o w s f f i 3 0 , b o = 8 时的r 5 0 图4 7n u m b e r o f f l o w s = 1 0 ，b o f f i 4 时的一5 1 图4 1 8n u m b e ro ff l o w s - - - 3 0 ，b o f f i 4 时的i i 5 1 图4 _ 9n u m b e ro ff l o w s f f i l 0 ，b o = 8 时的n 5 2 图4 - 1 0n u m b e r o f f l o w s = 3 0 ，b o - - 8 时的5 2 图4 - 1 1n u m b e ro ff l o w s = 1 0 ，b o - - - 4 时的吞吐量5 4 图4 - 1 2n u m b e ro f f l o w s f f i 3 0 ，b o - - 4 时的吞吐量5 4 图4 - 1 3n u m b e ro f f l o w s - 1 0 ，b o - - - 8 时的吞吐量5 5 图4 - 1 4 n u m b v a t o r r l o w s = 3 0 , b o = 8 时的吞吐量5 5 图4 - 1 5 n u m b e r o f f l o w s - - 1 0 ，b o - - - 4 时的平均服务时间5 6 图4 - 1 6 n u m b e r o f f l o w s f f i 3 0 , b o = 4 时的平均服务时间5 6 图4 - 1 7n u m b e r o f f l o w s = 1 0 ，b o = 8 时的平均服务时间5 7 图4 - 1 8n u m b e ro ff l o w s f f i 3 0 ，b o = - 8 时的平均服务时间5 7 图孓l 上行链路和下行链路6 4 图5 - 2 上行链路能量分布6 4 图5 - 3n u m b e ro f f l o w s = 1 0 ，b o = 4 时发送状态占据的时间6 7 图孓4n u m b e ro f f l o w s = 1 0 , b o = 8 时发送状态占据的时间6 7 图5 - 5 n u m b e r o f f l o w s = 3 0 ，b o = 4 时发送状态占据的时间6 8 图n u m b e ro f f l o w s f f i 3 0 , b o = 8 时发送状态占据的时间6 8 图5 - 7 n u m b e r o f f l o w s = 1 0 ，b o 一- 4 时接收状态占据的时间6 9 图5 - 8 n u m b e r o f f l o w s = 1 0 , b o = 8 时接收状态占据的时间6 9 图5 - 9 n u m b e r o f f l o w s - - 3 0 ，b o = 4 时接收状态占据的时间7 0 图5 - 1 0 n u m b e r o f f l o w s = 3 0 ，b o = 8 时接收状态占据的时间7 0 图5 - 1 1n u m b e r o f f l o w s = 1 0 ，b o - - - 4 时空闲状态占据的时间7 l 图5 - 1 2n u m b e r o f f l o w s f f i l 0 ，b o = 8 时空闲状态占据的时间7 l 图5 - 1 3n u m b e r o f f l o w s = 3 0 ，b o - - 4 时空闲状态占据的时间7 2 图5 - 1 4n u m b e r o f f l o w s - - - 3 0 ，b o - - 8 时空闲状态占据的时间7 2 一v l 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 无线个域网概述 第1 章绪论 目前无线接入技术主要分为四类：无线广域网( 嗍n ) 技术，无线城域 网( w m a n ) 技术，无线局域网( w l a n ) 技术和无线个域网( w p a n ) 技术。 其中，无线个域网受到越来越多的关注，它提出了建立一个属于个人又可以与 外界通信的无线网络概念，注重客户的个人体验，是无线网络新的发展方向。 同时，无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 具有很广泛的应用范 围，可以用于工业、农业、医疗卫生等各个方面【l 】【7 】。它和低速无线个域网 有很多相同的特征。 无线个域网试图建立这样一种网络，它以个人活动范围做为通信范围，典 型的通信距离在1 0 米左右，我们可以在笔记本，掌上计算机和便携式打印机之 间建立无线的连接。现实中，无线个域网是为了实现短距离通信的无线通信网 络技术。与无线局域网有所不同的是，无线个域网的传输环境并不会被铁路， 公路，下水道等设施干扰。所以可以说，无线个域网的目标是寻找最后1 0 米的 的通信快捷方式。 1 9 9 8 年i e e e8 0 2 1 5 工作组成立，主要致力于个人区域网络和短距离无线 通信的标准化问题。8 0 2 1 5 工作组下设五个任务组【8 】，其中t g l 负责制定i e e e 8 0 2 1 5 1 ，处理基于蓝牙v 1 x 版本的速率为1 m b p s 的w p a n 标准；t g 2 负责制定 i e e e8 0 2 1 5 2 ，处理在公用i s m 频段内无线设备的共存问题；t g 3 负责制定i e e e 8 0 2 1 5 3 ，开发高速率的多媒体和数字图像应用；t g 4 负责制定i e e e8 0 2 1 5 4 ， 研究低速率数据传输的w p a n 应用。 从概念上讲，无线个域刚和无线局域网的区别是，前者更侧重在以个人为 中心的空间中，而后者更侧重的是一种服务于更多用户的网络。表1 1 中总结 了无线局域网 9 】，蓝牙无线个域网 1 0 1 ，以及低速无线个域1 两 1 1 1 1 2 1 的一些基 本特性。通过表1 1 我们可以更直观的了解不同无线网络的应用范围。 浙江大学硕士学位论文 表1 - 1 常见的无线接入技术 w l a n8 0 2 1 lb l u e t o o t h8 0 2 1 5 1 l r - w p a n8 0 2 。1 5 4 通信范围1 0 0 m1 0 - 1 0 0 m1 0 m 传输速率 2 1 1 m b s1 m b s0 2 5 m b s 能量消耗 一般 低非常低 设备大小比较大比较小最小 1 1 2 低速无线个域网简介 2 0 0 0 年1 2 月i e e e 标准委员会正式批准并成立了i e e e8 0 2 1 5 4 工作组， 旨在制定一个低成本，低功耗，低复杂度并可以自组织的无线个域网标准，并 为其制定p h y 层和m a c 层的规范。2 0 0 3 年，i e e e 标准委员会正式通过了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准。2 0 0 6 年，i e e e 标准委员会推出了基于i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 的修 订版i e e e8 0 2 15 4 2 0 0 6 。 低速无线个域网的应用环境要求网络中的节点具有低成本，低功耗，低复 杂度的特点。该标准的网络特征与无线传感器网络类似，因此人们也常常将它 作为无线传感器别络的通信标准。无线传感器网络最重要的功能便是用于监测 区域并采集信息。它可以周期性或实时地侦测一些物理状况的改变，如温度， 湿度，光照等，因此无线传感网可以被广泛的应用于医疗，军事，工业控制等 各个领域。由于室外环境能量供给是主要问题，所以应用在这种环境中的设备 往往都采用电池供电。也正因为如此，减少能量消耗就成为了此类无线个域网 的主要目标f 1 3 】。相比之下，吞吐量，传输延时等一些典型的衡量网络的参数 就成了次要的问题 1 4 】。另外，低速无线个域网希望能够由大量便宜，容易任 意处理且可以任意使用的器件组成，所以低成本也是低速无线个域网的一个重 要特征。 i e e e8 0 2 1 5 4p h y 规范的一种通信速率是2 5 0k b s ，这样的通信速率对于 现实的网络场景已经足够了。低速无线个域网区别于其它同类型的个域网的一 个主要特征是考虑低成本，所以要求技术简单，灵活和具有普适性。重要的特 性还包括实时性，具体表现在对c s 凇c a 机制中时间片的维护。i e e e8 0 2 1 5 4 m a c 需要实现几种功能：网络同步，自组织网络，维护通信安全，提供可靠 一2 一 浙江大学硕士学位论文 连接等。i e e e8 0 2 1 5 4 提供了两种信道接入机制，一种是基于竞争的，另一种 是不基于竞争的。 i e e e8 0 2 1 5 4p h y 和m a c 规范的典型配置如表1 2 所示。 表1 - 2i e e e8 0 2 1 5 4p h y 和m a c 规范 属性范围 传输速率 8 6 8m h z ：2 0k b s ：9 1 5m h z ：4 0k b s ；2 4g h z ：2 5 0k b s 通信距离 1 0 2 0 m 延迟上限 1 5m s 信道数量8 6 8 m h z ：1 ：9 1 5m h z ：i 0 ；2 4g h z ：1 6 信道接入方式竞争接入和非竞争接入 工作温度 - 4 0 - 8 5 1 2 课题研究现状 早先一些时候，低速无线个域网的发展还主要集中在仿真和实验阶段 1 5 【1 9 】。从2 0 0 4 年开始，关- 于i e e e8 0 2 1 5 4 理论的研究开始逐步出现，部分 学者采用更多的数学手段估计低速无线个域网的性能。这些对低速个域网m a c 层的理论研究基本上是从无线局域网i e e e8 0 2 1 1 发展演变过来的。 2 0 0 1 年，g i u s e p p eb i a n c h i 在【2 0 中提出了一个针对i e e e8 0 2 1 1 中c s m a 算 法的马尔可夫链模型，基于该模型出现了很多针对w l a n 的理论研究 2 1 】- 2 8 1 。 由于i e e e8 0 2 1 1 与i e e e8 0 2 1 5 4 中的c s m a c a 算法并不完全相同，所以这个 模型对i e e e8 0 2 1 5 4 并不适用。并且和低速无线个域网相比，i e e e8 0 2 1 1 规 范的无线局域网要求较高的速率，所以b i a n c h i 在他的工作中假设信道饱和是合 理的，但是对主要用于低速率数据传输的i e e e8 0 2 1 5 4 仍然假设信道饱和的话 就显得不够合理。 相比于 2 0 1 和后来的 2 9 】，j m i s i c 等人在 3 0 1 1 3 1 q b 建立模型时的出发点更 符合实际情况，并且在模型中加入了适合非饱和信道和超帧长度的状态。j m i s i c 等人在他们的模型中加入了d e l a y l i n e 的状态和用“0 ”表示的b u f f e r 为空的 状态。尽管j m i s i c 等人在文章中提出了更合理的模型，但是根据他们的模型计 算得到的数据和仿真得到的数据相比差异很大。 一3 一 浙江大学硕士学位论文 s o f i ep o l l i n 等人在 2 9 q p 弓1 用- j 2 0 的i e e e8 0 2 1l 的饱和信道模型并把它 改进3 0 i e e e8 0 2 1 5 4 的饱和信道模型。在把【2 0 】的马尔可夫链模型引入到 2 9 】的 过程中，主要需要考虑的是i e e e8 0 2 1 5 4 的c s m a 机制和i e e e8 0 2 1 l 的 c s m a c a 机制的区别。在i e e e8 0 2 1 5 4 中m a c 采用的c s m a c a 机制包括两 次信道侦测。一旦在信道侦测的过程中节点发现信道是忙的，那么它就会进入 下一次退避。 但是当把饱和信道推广到非饱和信道的时候，【2 9 r 是通过在模型中每次 发包完成后加入相同数量的时隙去等效成非饱和信道。这样的做法过于简单而 且不符合实际的情况，因为在实际的低速无线个域网中数据包到达的过程往往 是符合p o i s s o n 过程的。 在所有前面提到的工作中都还没有从能量的角度进行性能分析。【2 0 和 2 9 】 中都只分析了吞吐量，【3 0 】【3 l 】中还分析了服务时间。2 0 0 5 年，t r p a r k 等人利 用j m i s i c 等人提出的数学模型在【3 2 】中对能量进行了分析。但是，由于j m i s i c 等人的模型仍然有很多必须改进的地方，所以一个能够准确反映非饱和信道的 马尔可夫链模型是十分必要去研究的，并且基于模型对i e e e8 0 2 1 5 4 典型参数 的估计也有待改善。 1 3 论文的主要工作及结构 1 3 1 主要工作 本文的工作主要根据欧盟合作项目一“m a g n e tb e y o n d ”中所参与的对 低速无线个域网协议i e e e8 0 2 1 5 4 的研究中进行。 在i e e e8 0 2 1 5 4 标准中，有多个参数只给出一定范围而并未给出较为确切 的值，这些值对系统性能有着较为显著的影响。本文首先结合仿真软件n s 2 针 对这些敏感参数进行大量的有目的性的仿真，通过研究对这些参数进行选择和 优化，来达到更好的网络性能。 在课题研究现状中已经提到，对非饱和情况下i e e e8 0 2 1 5 4 协议中 c s m a c a 算法的理论研究已经有了一定进展，但至今为止还没有出现令人十 分满意的结果。本文将结合前人的研究成果，试图建立一个能够正确反应i e e e 8 0 2 1 5 4 协议中c s m a c a 算法的模型，并对模型中重要参量间的关系给出数 一4 一 浙江大学硕士学位论文 学推导。再通过模型结果与仿真结果的比较，来验证模型和数学推导的正确性， 为该协议的深入研究奠定理论基础。 i e e e8 0 2 1 5 4 网络中，由于节点一般都是电池供电的，低功耗是该协议面 临的最严峻的问题。本文在提出理论模型的基础上，基于该理论模型，对使用 该协议的网络中的功耗问题进行深入的分析和研究，并提出一种大幅度降低功 耗的机制。 1 3 2 论文结构 本文主要对i e e e8 0 2 1 5 4 协议的敏感参数设置，m a c 层数学建模和功耗 分析与优化进行研究。因此本文的行文结构将围绕这3 方面进行展开。 第一章，简要介绍了课题研究背景及意义，对目前针对i e e e8 0 2 1 5 4 的仿 真和数学建模研究做出简要分析与回顾，并概要说明了本文的主要工作及论文 的结构。 第二章，首先介绍了i e e e8 0 2 1 5 4 协议支持的两种拓扑结构；然后主要描 述了协议的超帧结构和发送数据的模式；最后详细介绍了i e e e8 0 2 1 5 4 协议在 竞争接入信道时使用的c s m a c a 算法。 第三章，使用仿真软件n s 2 ，对i e e e8 0 2 1 5 4 协议中多个重要的参数进行 优化，详细的分析了这些参数在不同情况下对系统吞吐量、丢包率、传输延时 和能量消耗的影响。 第四章，由于对非饱和情况下i e e e8 0 2 1 5 4 协议中c s m a c a 算法的理论 研究虽然取得了一定进展，但至今为止还没有出现令人十分满意的结果。这章 中将在前人研究成果的基础上，建立一个能够正确反应i e e e8 0 2 1 5 4 协议中 c s m a c a 算法的模型，然后对模型中重要参量间的关系给出数学推导。再通 过模型结果与n s 2 仿真结果的比较，来验证模型和数学推导的正确性，为该协 议的深入研究奠定理论基础。 第五章，由于低功耗是i e e e8 0 2 1 5 4 协议面临的最严峻的问题，这一章将 在第四章提出的理论模型的基础上，基于该理论模型，对使用该协议的网络中 的功耗问题进行深入的分析和研究，并提出一种大幅度降低功耗的机制。 结束语将对全文进行归纳概括，并介绍可以开展下去的相关后续工作。 一5 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章1 e e e8 0 2 1 5 4 协议概述 2 1 网络拓扑 根据应用场合的不同，低速无线个域网可以支持两种拓扑结构：星形拓扑结 构( s t a rt o p o l o g y ) 和点对点形拓扑结构( p e e 卜t 伊p e e r t o p o l o g y ) 。这两种拓扑结构如 图2 1 所示。 p a n c o o r dj na t o r ：o f- 0 p e e r - t o p e e rt o p o l o g y f u l lf u n c t i o nd e v i c e or e d u c e df u n c t i o nd e v i c e 一c o m m u n i c a t i o nf l o w 图2 - 1 星形拓扑结构和点对点形拓扑结构 在星形拓扑中，数据通信由一个被称为协调器( c o o r d i n a t o r ) 的中央控制节 点建立，其他普通节点可以通过关联( a s s o c i a t e d ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t e d ) 的方式加入和离开该个域网。协调器节点在网络中起到初始化网络，终止网络和 路由等作用。协调器节点往往是电源供电的，而普通节点则一般是电池供电。普 通设备和协调器之间可以进行上行和下行的数据传输，而普通设备间的数据传输 则要通过协调器来转发。 点对点形拓扑结构中也存在个域网协调器，但它的作用和星形拓扑结构中不 尽相同。在点对点形拓扑结构中，普通结点之间只要彼此在互相通信范围内就可 以直接进行数据传输，而不必通过协调器中转。点对点形拓扑结构可以用于更为 复杂的网络构架，如网格网络( m e s h n e t w o r k i n g t o p o l o g y ) 。 本文主要研究的网络拓扑为星形网络拓扑结构，如果没有特别指明，则都是 一6 浙江大学硕士学位论文 针对星形拓扑。 2 2i e e e8 0 2 1 5 4 协议m a c 层介绍 2 2 1 超帧结构 低速无线个域网允许可选择性的使用超帧( s u p e r f r a m e ) 结构。超帧的格式 由协调器决定。在使用超帧结构的模式下，协调器会根据设置周期性的发送信标 帧( b e a c o n ) ，而超帧正是由网络中的信标帧划分的，中间的区域称为竞争接入 期( c a p , c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ) ，如图2 2 所示。如果协调器不需要使用超帧 结构，它可以停止发送信标帧。信标帧可以用来标识个域网，同步个域网中的设 备，描述超帧结构等。 f r a m eb e a c o n s |p o 垂t e 峥t i o n a 6 c e sp e r i o d liii # 图2 - 2 不包含g t s s 的超帧结构 t i m e 针对网络负荷较低的情况或要求特定传输带宽的情况，协调器可以从超帧中 划分出一部分时间，专门为这样的传输请求服务。被划分出的时间称为保证时隙 ( g t s s g u a r a n t e e dt i m es l o t s ) 。一个超帧中保证时隙的集合称为非竞争接入期 ( c f p , c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d ) ，它往往紧跟在竞争接入期的后面，如图2 3 所示。 保证时隙传输模式也是可选的，由普通设备向个域网协调器申请，协调器会根据 当前的资源状况给予答复，并通过信标帧将下一个超帧的结构广播到网络中。竞 争接入期中的数据传输必须在非竞争接入期开始之前结束：同样，非竞争接入期 中每个保证时隙里的数据传输也要在下一个保证时隙开始之前或非竞争接入期 的终点之前结束。 一7 一 浙江大学硕士学位论文 凰 l ；l l；i 参，。；一；：，；、u ，j 魔 l 一c o n ：t e n t i o n 。， l c o n t e n t i o ni i a c c e s 墨p e r i o df r e ep e r i o d i ； ； ii；，；i 貔彩缀 i ? ；7 “ ： ；i 黪一。彩k t i m a ， 图2 - 3 包含g t s s 的超帧结构 超帧往往被分为活跃期( a c t i v e ) 和非活跃期( i n a c t i v e ) 。在活跃期，协调器 负责组织维持该网络，个域网中的各设备间可以进行数据通信；而在非活跃期中， 个域网协调器和普通设备可以进入低功耗模式，个域网中各设备不进行数据传 输。一个完整的超帧结构如图2 4 所示。 斗噜一 q l - l g 了sg t sn v e l 01234567891 01 1 1 1 2 1 1 31 4 1 1 5 图2 - 4 完整的超帧结构 描述超帧结构的量为b o ( b e a c o no r d e r ) 和s o ( s u p e r f r a m eo r d e r ) 。其中， b o 决定发送信标帧的周期，也即一个超帧的长度b i ( b e a c o ni n t e r v a l ) ，见( 2 1 ) ； s o 决定一个超帧中活跃期持续的时间，即s d ( s u p e r f r a m ed u r a t i o n ) ，见( 2 2 ) 。 其中，a b a s e s u p e r f r a m e d u r a t i o n 为9 6 0s y m b o l s 。根据协议的规定，b o 的取值范围 为0 到1 4 ，当b o 为1 5 时，表示不使用超帧结构；s o 的取之范围也是0 到1 4 ，但必 须保证s o 不大于b o ，当s o 等于b o 时，表示该超帧中不包含非活跃期。 彤= a b a s e s u p e r f r a m e d u r a t i o n x2 b d ，0 b o 1 4( 2 1 ) 一8 一 浙江大学硕士学位论文 s d = a b a s e s u p e r f r a m e d u r a t i o n x2 s o 0 s o b o 1 4 ( 2 2 ) 2 2 2m a c 层帧结构与帧分类 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层帧结构的设计是以用最低复杂度实现在多噪声无线 信道环境下的可靠数据传输为目标的。每个m a c 子层的帧都包含帧头、负载 和帧尾三部分。帧头部分由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。m a c 子 层的负载部分长度可变，负载的具体内容由帧类型决定。帧尾部分是帧头和负 载数据的1 6 位c r c 校验序列。 在m a c 子层中设备地址有两种格式：1 6 位( 两个字节) 的短地址和6 4 位( 8 个字节) 的扩展地址。1 6 位短地址是设备与个域网协调器关联时，由协 调器分配的个域网内局部地址；6 4 位扩展地址则是全球唯一地址，在设备进入 网络之前就分配好了。1 6 位短地址只能保证在个域网内部是唯一的，所以在使 用1 6 位短地址通信时需要结合1 6 位的个域网网络标识符才有意义。两种地址 类型地址信息的长度是不同的，所以m a c 帧头的长度也是可变的。一个数据 帧使用哪种地址类型由帧控制字段标识。 i e e e8 0 2 1 5 4 协议共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和 m a c 命令帧。 1 1 信标帧 信标帧的负载数据单元可分为四部分：超帧描述字段、g t s 分配字段、待 转发数据目标地址字段和信标帧负载数据。 a 信标帧中超帧描述字段规定了该超帧的持续时间，活跃期持续时间以及 竞争接入期持续时间等信息。 b g t s 分配字段将非竞争接入期划分为若干个g t s ，并把每个g t s 具体 分配给相应设备。 c 转发数据目标地址列出了与个域网协调器保存的数据相对应的设备地 址。一个设备如果发现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里，则表明 协调器存有属于该设备的数据，所以它就会向协调器发出请求传送数据的m a c 命令帧。 d 信标帧负载数据为上层协议提供数据传输接口。例如在使用安全机制的 一9 一 浙江大学硕士学位论文 时候，这个负载域将根据被通信设备设定的安全通信协议填入相应的信息。 在不使用超帧结构的网络里，协调器在其他设备的请求下也会发送信标帧。 此时信标帧的功能是辅助协调器向设备传输数据，整个帧只有待转发数据目标 地址字段有意义。 2 ) 数据帧 数据帧用来传输上层传到m a c 子层的数据，它的负载字段包含上层需要 传送的数据。数据负载传送至m a c 子层时，被称为m a c 服务数据单元。它 的首尾被分别附加头信息和尾信息后，就构成了m a c 帧。 m a c 帧传送至物理层后，就成为了物理帧的负载。该负载在物理层被“包 装”，其首部增加了同步信息和帧长度字段。同步信息包括用于同步的前导码等。 帧长度字段使用一个字节的低7 位标识m a c 帧的长度，所以m a c 帧的长度 不会超过1 2 7 个字节。 3 ) 确认帧 如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或m a c 命令帧，并且帧的控制 信息字段的确认请求位被置l ，则设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号 应该与被确认帧的序列号相同，负载长度为零。确认帧紧接着被确认帧发送， 不需要使用c s m a c a 机制竞争信道。 4 ) 命令帧 m a c 命令帧用于组建个域网，传输同步数据等。目前定义好的命令帧主 要完成三方面的功能：把设备关联到个域网，与协调器交换数据，分配g t s 。 命令帧在格式上和其他类型的帧没有太多的区别，只是帧控制字段的帧类型位 有所不同。 2 2 3 数据传输模式 根据i e e e8 0 2 1 5 4 协议，低速无线个域网中存在着三种数据传输方式：设 备发送数据给协调器、协调器发送数据给设备和对等设备之间的数据传输。在 星型拓扑结构的网络中只存在前两种数据传输方式，这是因为数据只在协调器 和设备之间交换，设备之间的数据传输也要通过协调器来转发；而在点对点形 拓扑结构网络中，三种数据传输方式都存在。 同时，根据超帧结构存在与否，低速无线个域网中的通信模式又可以分为 一1o 一 浙江大学硕士学位论文 信标使能通信和信标不使能通信。 1 1 设备发送数据给协调器 在信标使能通信模式中，当设备要向协调器发送数据时，设备必须先接收 协调器向网络中广播的信标帧。当接收到信标帧后，设备可以和协调器及网络 中的其它设备在超帧上保持同步。然后设备可以使用s l o t t e dc s m a c a 竞争信道 资源，向协调器发送数据帧。当协调器成功接收到数据帧后，协调器可以选择 发送确认帧( a c k ) 给设备。发送确认帧时不需要通过c s m a c a 去竞争信道 资源，而是紧跟在数据帧之后发送。当设备成功接收到确认帧后，本次通信结 束。整个过程如图2 5 所示。 图2 5 信标使能模式中设备向协调器发送数据 在信标不使能通信模式中，当设备要向协调器发送数据时，设备可以直接 使用u n s l o t t