文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.029
中文引用格式: 程宏斌,王曉喃,王海軍,等. 基于重傳的802.15.4網(wǎng)絡(luò)MAC層丟包率研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(4):103-105,110.
英文引用格式: Cheng Hongbin,Wang Xiaonan,Wang Haijun,et al. Research on packet lost rate of MAC layer for 802.15.4 networks based on the retransmission mechanism[J].Application of Electronic Technique,2016,42(4):103-105,110.
0 引言
低功耗、低復(fù)雜度和短距離通信是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。IEEE 802.15.4協(xié)議是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)應(yīng)用中采用的一個(gè)很成功的標(biāo)準(zhǔn),其優(yōu)化研究和實(shí)際應(yīng)用受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1-4]。由于網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸無(wú)線(xiàn)信道的噪聲和信道競(jìng)爭(zhēng)采用時(shí)隙/非時(shí)隙載波監(jiān)聽(tīng)多址接入/沖突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid,CSMA/CA)算法以便共享,因此,802.15.4媒體接入控制(Media Access Control,MAC)層數(shù)據(jù)傳輸可靠性問(wèn)題(如碰撞現(xiàn)象、丟包問(wèn)題和重傳機(jī)制)成為802.15.4網(wǎng)絡(luò)需要優(yōu)化的重要方面之一。
文獻(xiàn)[5-9]通過(guò)構(gòu)建802.15.4 MAC協(xié)議的模型分別研究了數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)丟包、數(shù)據(jù)碰撞和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突等性能問(wèn)題, 但是所提出的模型都有待進(jìn)一步改進(jìn)。本文重點(diǎn)研究節(jié)點(diǎn)在基于重傳的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)過(guò)程,設(shè)計(jì)一個(gè)基于802.15.4協(xié)議的節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程數(shù)學(xué)模型,然后研究協(xié)議參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)幀碰撞、重傳和丟包的影響。
1 基于重傳的丟包率
隨著IEEE 802.15.4在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的廣泛應(yīng)用,實(shí)時(shí)可靠的MAC層數(shù)據(jù)傳輸成為評(píng)估802.15.4 MAC協(xié)議性能的重要指標(biāo)。而數(shù)據(jù)幀碰撞嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功率,所以減少M(fèi)AC層數(shù)據(jù)幀碰撞現(xiàn)象和降低丟包率成為優(yōu)化協(xié)議的一個(gè)重要方法。
為了解決碰撞造成的數(shù)據(jù)包丟棄問(wèn)題,在MAC協(xié)議中采用數(shù)據(jù)幀重傳機(jī)制,基于重傳的丟包率是在數(shù)據(jù)幀的重傳次數(shù)達(dá)到最大重傳次數(shù)值后仍發(fā)送失敗的概率?;谥貍鞯臋C(jī)制可以一定程度降低數(shù)據(jù)幀的丟包率。
2 MAC建模
在基于信標(biāo)使能的802.15.4網(wǎng)絡(luò)中,采用超幀周期定時(shí)的節(jié)點(diǎn)工作周期中,通過(guò)合理設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程,能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)幀的丟包現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)工作的超幀周期包含休眠期與活躍期兩部分。其中活躍期可以分為信標(biāo)期、退避等待期和數(shù)據(jù)傳輸期。為了降低數(shù)據(jù)幀發(fā)送的碰撞概率,規(guī)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在以下?tīng)顟B(tài)及時(shí)進(jìn)入休眠,以便改善數(shù)據(jù)傳輸性能:(1)退避等待期如果節(jié)點(diǎn)后退了最大的退避次數(shù)仍然傳輸失敗。(2)活躍期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有傳輸任務(wù)后進(jìn)入休眠期。(3)按照超幀周期規(guī)定活躍期結(jié)束后進(jìn)入休眠期。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的非飽和負(fù)載到達(dá)過(guò)程互相獨(dú)立,服從泊松過(guò)程(速率為λ)。由于節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的離散過(guò)程,所以下面利用二維馬爾科夫鏈對(duì)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)建模,模型如圖1所示。
圖1中,單個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)按照超幀周期安排節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài),H、A、E和D分別是節(jié)點(diǎn)休眠狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)后退等待狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)信道監(jiān)測(cè)狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)。概率h和r分別表示節(jié)點(diǎn)兩次信道檢查失敗的概率。而Ai,k表示節(jié)點(diǎn)第i次檢查信道為不空閑后第k個(gè)時(shí)隙的等待狀態(tài)(i∈[0,maxNB],k∈[0,Wi-1])。maxNB是節(jié)點(diǎn)退避等待輪數(shù)NB的極限值。每輪退避等待的時(shí)間區(qū)間逐步加長(zhǎng),以減少信道沖突現(xiàn)象,節(jié)點(diǎn)第一輪退避等待的時(shí)間區(qū)間W0=2minBE,其第i次退避等待的時(shí)間區(qū)間Wi為W0 2i,maxBE-minBE≤i≤maxBE,minBE和maxBE為后退指數(shù)的最大、最小值。g1是節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀后沒(méi)有任務(wù)的概率,g2表示節(jié)點(diǎn)休眠期結(jié)束后仍沒(méi)有發(fā)送任務(wù)的概率,參考文獻(xiàn)[1]的計(jì)算,Tservice為單位數(shù)據(jù)包的平均服務(wù)時(shí)間。
節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程模型中各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率和穩(wěn)態(tài)概率方程描述如下[9]:
3 基于重傳的丟包率分析
基于上文對(duì)數(shù)據(jù)幀重傳概率和基于重傳的丟包問(wèn)題的研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)定量分析802.15.4網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)minBE、NB以及λ、重傳概率、誤碼率和節(jié)點(diǎn)數(shù)N等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)對(duì)MAC層丟包率的影響,同時(shí)也對(duì)本文提出的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀的工作過(guò)程模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。
假設(shè)λ為0~100包/s。NB值為4~6,每輪退避后信道檢查次數(shù)CW為2,BE值為2~5。N為15,信標(biāo)指數(shù)BO值為6,超幀指數(shù)SO為4,數(shù)據(jù)包長(zhǎng)L為6時(shí)隙。BI值為960×0.016×2BO,超幀活躍期為960×0.016×2SO。接收信標(biāo)幀時(shí)間為T(mén)b=0.3 slot。1 slot時(shí)間值為0.32 ms[2]。下面分析802.15.4MAC子層數(shù)據(jù)幀丟包率性能[12]。
3.1 重傳概率
依據(jù)節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程模型的數(shù)學(xué)分析和推導(dǎo)計(jì)算,對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀碰撞概率和重傳概率進(jìn)行分析。如果多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)到信道空閑,隨后向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),目的節(jié)點(diǎn)發(fā)生數(shù)據(jù)幀碰撞的概率為:p沖突=1-(1-s)N-1,其中s為節(jié)點(diǎn)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)幀的概率,即是πD。節(jié)點(diǎn)重傳概率可以表示為p重傳=p沖突×(1-c(m+1)) ,c為節(jié)點(diǎn)兩次信道監(jiān)測(cè)都忙碌的概率。
圖2是數(shù)據(jù)幀重傳概率隨數(shù)據(jù)包到達(dá)速率變化的趨勢(shì)圖。顯然,隨著λ的增大,重傳概率緩慢地增加。
如圖2所示,NB和BE對(duì)重傳概率影響較小,BE越大重傳概率越小,這說(shuō)明初始后退指數(shù)大時(shí),節(jié)點(diǎn)檢查信道之前后退等待的時(shí)間稍長(zhǎng),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)評(píng)估信道狀態(tài)不空閑的概率稍小,MAC層碰撞概率稍低。另外,后退次數(shù)NB越大時(shí),重傳概率越小。這是因?yàn)樵O(shè)置大的NB時(shí)節(jié)點(diǎn)后退等待的次數(shù)增多,其后退等待時(shí)間也相對(duì)長(zhǎng)些,節(jié)點(diǎn)嘗試接入信道的概率降低,信道發(fā)生沖突的概率自然減小。
3.2 重傳丟包率
圖3為基于重傳機(jī)制的數(shù)據(jù)幀丟包率隨數(shù)據(jù)幀到達(dá)速率的變化趨勢(shì)。從圖中看出,隨著λ的逐漸增大,數(shù)據(jù)幀的丟包率逐漸變大,說(shuō)明節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送負(fù)載比較小時(shí)MAC層的丟包率很低。另外,最小后退指數(shù)minBE越大,有重傳的數(shù)據(jù)幀丟包率越小,這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)后退等待時(shí)間變長(zhǎng)之后,一定程度降低了信道的沖突概率,有重傳的丟包率也相應(yīng)降低。而后退次數(shù)NB越大,數(shù)據(jù)幀丟包率越小,這說(shuō)明節(jié)點(diǎn)檢查信道前的退避時(shí)間越長(zhǎng),越可能降低信道沖突,丟包現(xiàn)象相應(yīng)減少。圖3反映出在同等負(fù)載情形下,NB對(duì)丟包率的影響比BE大。
圖4描述了基于重傳機(jī)制的數(shù)據(jù)幀丟包率隨重傳次數(shù)的變化趨勢(shì)。顯然,重傳次數(shù)越多,丟包率越小,說(shuō)明多次重傳會(huì)提高數(shù)據(jù)幀的成功發(fā)送幾率,這符合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作特點(diǎn)。而且,重傳次數(shù)對(duì)丟包率的影響較大。
從圖5中看出,隨著信道誤包率的增大,數(shù)據(jù)幀的丟包率快速的增大。這說(shuō)明信道質(zhì)量對(duì)MAC層的影響很大。另外,圖5反映出在同等信道質(zhì)量狀態(tài)時(shí),BE 和NB對(duì)丟包率的影響不是很大。例如minBE越小時(shí),節(jié)點(diǎn)后退等待時(shí)間相對(duì)縮短在一定程度上加重了數(shù)據(jù)幀的碰撞,增大了數(shù)據(jù)丟包率。并且NB越小,數(shù)據(jù)幀丟包率越大。這是因?yàn)檩^小的NB減少了節(jié)點(diǎn)的后退避讓時(shí)間,相應(yīng)加劇了信道沖突。
圖6是有無(wú)重傳機(jī)制的數(shù)據(jù)幀丟包率比較。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出,相對(duì)于無(wú)重傳機(jī)制,有重傳機(jī)制的丟包率明顯低得多,數(shù)據(jù)幀丟包率降低了88.9%左右,這說(shuō)明加入重傳過(guò)程后,MAC層的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率增加幅度很大,有效提高了信道中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
基于上述重傳概率和丟包率性能的分析,說(shuō)明802.15.4協(xié)議參數(shù)對(duì)MAC層的數(shù)據(jù)傳輸有重要的影響。基于本文提出的節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程模型能夠科學(xué)地分析和配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù),為802.15.4 網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用提供優(yōu)化依據(jù)。
4 結(jié)語(yǔ)
為了提高802.15.4網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸成功率,本文重點(diǎn)分析基于重傳的數(shù)據(jù)幀丟包問(wèn)題,研究節(jié)點(diǎn)在MAC層傳輸數(shù)據(jù)的工作過(guò)程。通過(guò)對(duì)該過(guò)程建模中節(jié)點(diǎn)主要狀態(tài)的概率分析,分析基于重傳機(jī)制下的丟包率,研究協(xié)議參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)對(duì)丟包率的影響。研究表明:提出的模型能正確分析節(jié)點(diǎn)的工作特點(diǎn)和丟包率性能指標(biāo),參數(shù)的均衡配置能夠降低數(shù)據(jù)幀丟包率。下一步針對(duì)協(xié)議的核心退避算法,設(shè)計(jì)優(yōu)化策略,深入研究協(xié)議的性能和推廣應(yīng)用。
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