傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)通信的研究

　　近年來(lái)，由于能夠適應(yīng)多種現(xiàn)實(shí)智能環(huán)境，傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了快速發(fā)展，并以其自組織、自管理、自節(jié)能、可靠性高、造價(jià)低和適用于惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)和交通等領(lǐng)域。在一些具體應(yīng)用中，有時(shí)需要對(duì)傳感器測(cè)量信息做出實(shí)時(shí)反映。比如在醫(yī)療中，對(duì)于病人血壓值的突然升高必須在很短時(shí)間內(nèi)了解并采取措施。在軍事打擊中，一些重要傳感器的數(shù)據(jù)必須盡快得到處理并能得到快速反應(yīng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)制造中也有實(shí)時(shí)性的要求。根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)理論，實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為 3 個(gè)等級(jí)：低約束級(jí)，允許響應(yīng)時(shí)間超過(guò) 100 ms；一般約束級(jí)，響應(yīng)時(shí)間在 5～10 ms 之間；高約束級(jí)，響應(yīng)時(shí)間低于 1 ms。本文以星型為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以 IEEE802．15．4 標(biāo)準(zhǔn)和 ZigBee 為基礎(chǔ)協(xié)議，研究傳感器網(wǎng)絡(luò)中 MAC 協(xié)議的實(shí)時(shí)性能。

　　2 協(xié)議分析

　　IEEE 802．15．4 定義了 2 個(gè)工作頻段，即 2．4 GHz 頻段和 868／915 MHz 頻段（適合不同國(guó)家地區(qū)），共分配 27 個(gè)具有 3 種速率的信道：在 2．4 GHz 頻段有 16 個(gè)速率為 250 kb／s 的信道，在 915 MHz 頻段有 10 個(gè) 40 kb／s 的信道，在 868 MHz 頻段有 1 個(gè) 20 kb／s 的信道。為了達(dá)到網(wǎng)絡(luò)同步，IEEE 802．15．4 在 MAC 層定義了超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器定義，有 16 個(gè)大小相等的時(shí)隙，每個(gè)超幀之間由網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀（beacon）分隔，信標(biāo)幀在超幀的第一個(gè)時(shí)隙被傳輸。超幀分為競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期（ContenTIon Access Period，CAP）和無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期（ContenTIon Free Period，CFP）。在 CAP 階段，設(shè)備采用 CSMA－CA 機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道，設(shè)備對(duì)信道的訪問(wèn)延遲無(wú)法控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)要求，在 CFP 階段，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為有實(shí)時(shí)性要求的設(shè)備分配 GTS 時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，如圖 1 所示。

　　超幀的參數(shù)

　　由于 IEEE 802．15．4 允許設(shè)備采用節(jié)能模式，因而超幀有活動(dòng)和非活動(dòng) 2 種狀態(tài)。在非活動(dòng)狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式。這時(shí)使用 2 個(gè)參數(shù)信標(biāo)幀間隔：一個(gè)是信標(biāo)序號(hào) BO，即信標(biāo)間隔，要求 0≤BO≤14；另一個(gè)參數(shù)是超幀序號(hào) SO，并且 0≤SO≤BO≤14。當(dāng) BO＝15 時(shí)，協(xié)調(diào)器將不再發(fā)送信標(biāo)幀，并且忽略 SupeRFrameOrder 參數(shù)值。協(xié)調(diào)器只在超幀的活動(dòng)狀態(tài)為設(shè)備分配 GTS，如圖 2 所示。