文獻標識碼: 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MAC層丟包率研究[J].電子技術應用,,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、低復雜度和短距離通信是無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議設計的主要指標,。IEEE 802.15.4協(xié)議是無線傳感網(wǎng)應用中采用的一個很成功的標準,,其優(yōu)化研究和實際應用受到學術界和工業(yè)界的廣泛關注[1-4]。由于網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸無線信道的噪聲和信道競爭采用時隙/非時隙載波監(jiān)聽多址接入/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)傳輸可靠性問題(如碰撞現(xiàn)象,、丟包問題和重傳機制)成為802.15.4網(wǎng)絡需要優(yōu)化的重要方面之一。
文獻[5-9]通過構建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_突等性能問題, 但是所提出的模型都有待進一步改進。本文重點研究節(jié)點在基于重傳的數(shù)據(jù)傳輸過程中的狀態(tài)轉換動態(tài)過程,,設計一個基于802.15.4協(xié)議的節(jié)點工作過程數(shù)學模型,,然后研究協(xié)議參數(shù)和網(wǎng)絡參數(shù)對數(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在無線傳感網(wǎng)的廣泛應用,,實時可靠的MAC層數(shù)據(jù)傳輸成為評估802.15.4 MAC協(xié)議性能的重要指標。而數(shù)據(jù)幀碰撞嚴重影響數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功率,,所以減少MAC層數(shù)據(jù)幀碰撞現(xiàn)象和降低丟包率成為優(yōu)化協(xié)議的一個重要方法,。
為了解決碰撞造成的數(shù)據(jù)包丟棄問題,在MAC協(xié)議中采用數(shù)據(jù)幀重傳機制,,基于重傳的丟包率是在數(shù)據(jù)幀的重傳次數(shù)達到最大重傳次數(shù)值后仍發(fā)送失敗的概率,。基于重傳的機制可以一定程度降低數(shù)據(jù)幀的丟包率,。
2 MAC建模
在基于信標使能的802.15.4網(wǎng)絡中,采用超幀周期定時的節(jié)點工作周期中,,通過合理設計節(jié)點的工作狀態(tài)轉換過程,,能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)幀的丟包現(xiàn)象。節(jié)點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)絡節(jié)點在以下狀態(tài)及時進入休眠,,以便改善數(shù)據(jù)傳輸性能:(1)退避等待期如果節(jié)點后退了最大的退避次數(shù)仍然傳輸失敗。(2)活躍期內網(wǎng)絡節(jié)點沒有傳輸任務后進入休眠期,。(3)按照超幀周期規(guī)定活躍期結束后進入休眠期,。設網(wǎng)絡中各個節(jié)點的非飽和負載到達過程互相獨立,服從泊松過程(速率為λ),。由于節(jié)點工作過程是一個動態(tài)的離散過程,,所以下面利用二維馬爾科夫鏈對節(jié)點的工作狀態(tài)建模,模型如圖1所示,。
圖1中,,單個獨立節(jié)點按照超幀周期安排節(jié)點的工作狀態(tài),H,、A,、E和D分別是節(jié)點休眠狀態(tài)、節(jié)點后退等待狀態(tài),、節(jié)點信道監(jiān)測狀態(tài)和節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài),。概率h和r分別表示節(jié)點兩次信道檢查失敗的概率。而Ai,k表示節(jié)點第i次檢查信道為不空閑后第k個時隙的等待狀態(tài)(i∈[0,,maxNB],,k∈[0,Wi-1])。maxNB是節(jié)點退避等待輪數(shù)NB的極限值,。每輪退避等待的時間區(qū)間逐步加長,,以減少信道沖突現(xiàn)象,節(jié)點第一輪退避等待的時間區(qū)間W0=2minBE,,其第i次退避等待的時間區(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)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀后沒有任務的概率,g2表示節(jié)點休眠期結束后仍沒有發(fā)送任務的概率,,參考文獻[1]的計算,,Tservice為單位數(shù)據(jù)包的平均服務時間。
節(jié)點工作過程模型中各個狀態(tài)的轉移概率和穩(wěn)態(tài)概率方程描述如下[9]:
3 基于重傳的丟包率分析
基于上文對數(shù)據(jù)幀重傳概率和基于重傳的丟包問題的研究,,通過實驗來定量分析802.15.4網(wǎng)絡中參數(shù)minBE,、NB以及λ、重傳概率,、誤碼率和節(jié)點數(shù)N等網(wǎng)絡環(huán)境參數(shù)對MAC層丟包率的影響,,同時也對本文提出的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)幀的工作過程模型進行評價。
假設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,,信標指數(shù)BO值為6,超幀指數(shù)SO為4,,數(shù)據(jù)包長L為6時隙,。BI值為960×0.016×2BO,超幀活躍期為960×0.016×2SO,。接收信標幀時間為Tb=0.3 slot,。1 slot時間值為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)點工作過程模型的數(shù)學分析和推導計算,,對節(jié)點的數(shù)據(jù)幀碰撞概率和重傳概率進行分析。如果多個網(wǎng)絡節(jié)點同時檢測到信道空閑,,隨后向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù),,目的節(jié)點發(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)點開始傳輸數(shù)據(jù)幀的概率,即是πD,。節(jié)點重傳概率可以表示為p重傳=p沖突×(1-c(m+1)) ,,c為節(jié)點兩次信道監(jiān)測都忙碌的概率。
圖2是數(shù)據(jù)幀重傳概率隨數(shù)據(jù)包到達速率變化的趨勢圖,。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對重傳概率影響較小,BE越大重傳概率越小,,這說明初始后退指數(shù)大時,,節(jié)點檢查信道之前后退等待的時間稍長,網(wǎng)絡節(jié)點評估信道狀態(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,,重傳概率越小,。這是因為設置大的NB時節(jié)點后退等待的次數(shù)增多,其后退等待時間也相對長些,,節(jié)點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為基于重傳機制的數(shù)據(jù)幀丟包率隨數(shù)據(jù)幀到達速率的變化趨勢,。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,,說明節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送負載比較小時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,這是因為節(jié)點后退等待時間變長之后,,一定程度降低了信道的沖突概率,,有重傳的丟包率也相應降低。而后退次數(shù)NB越大,,數(shù)據(jù)幀丟包率越小,,這說明節(jié)點檢查信道前的退避時間越長,越可能降低信道沖突,,丟包現(xiàn)象相應減少,。圖3反映出在同等負載情形下,,NB對丟包率的影響比BE大。
圖4描述了基于重傳機制的數(shù)據(jù)幀丟包率隨重傳次數(shù)的變化趨勢,。顯然,,重傳次數(shù)越多,丟包率越小,,說明多次重傳會提高數(shù)據(jù)幀的成功發(fā)送幾率,,這符合網(wǎng)絡節(jié)點的工作特點。而且,,重傳次數(shù)對丟包率的影響較大,。
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,。這說明信道質量對MAC層的影響很大。另外,,圖5反映出在同等信道質量狀態(tài)時,,BE 和NB對丟包率的影響不是很大。例如minBE越小時,,節(jié)點后退等待時間相對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,。這是因為較小的NB減少了節(jié)點的后退避讓時間,相應加劇了信道沖突,。
圖6是有無重傳機制的數(shù)據(jù)幀丟包率比較,。從實驗數(shù)據(jù)看出,相對于無重傳機制,,有重傳機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,這說明加入重傳過程后,,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,說明802.15.4協(xié)議參數(shù)對MAC層的數(shù)據(jù)傳輸有重要的影響,?;诒疚奶岢龅墓?jié)點工作過程模型能夠科學地分析和配置網(wǎng)絡參數(shù),為802.15.4 網(wǎng)絡的具體應用提供優(yōu)化依據(jù),。
4 結語
為了提高802.15.4網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸成功率,,本文重點分析基于重傳的數(shù)據(jù)幀丟包問題,研究節(jié)點在MAC層傳輸數(shù)據(jù)的工作過程,。通過對該過程建模中節(jié)點主要狀態(tài)的概率分析,,分析基于重傳機制下的丟包率,,研究協(xié)議參數(shù)和網(wǎng)絡環(huán)境參數(shù)對丟包率的影響。研究表明:提出的模型能正確分析節(jié)點的工作特點和丟包率性能指標,,參數(shù)的均衡配置能夠降低數(shù)據(jù)幀丟包率,。下一步針對協(xié)議的核心退避算法,設計優(yōu)化策略,,深入研究協(xié)議的性能和推廣應用,。
參考文獻
[1] RAMACHANDRAN I,DAS A K,,ROY S.Analysis of the contention access period of IEEE 802.15.4 MAC[J].ACM Transactions on Sensor Networks,,2007,3(1):319-321.
[2] HE J,,TANG Z,,CHEN H H,et al.An accurate Markov model for slotted CSMA/CA algorithm in IEEE 802.15.4 networks[J].IEEE Communications Letters,,2008,,12(6):420-422.
[3] Wen Hao,Lin Chuang,,Chen Zhijia,,et al.An improved Markov model for IEEE 802.15.4 slotted CSMA/CA mechanism[J].Journal of Computer Science and Technology,2009,,24(3):495-504.
[4] PARK P,,ERGEN S C,F(xiàn)ISCHIONE C,,et al.Duty-cycle optimization for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks[J].ACM Transactions on Sensor Networks(TOSN),,2013,10(1):739-751.
[5] 陸陽,,方梅,,官駿鳴,,等.非飽和態(tài)802.15.4網(wǎng)絡吞吐量建模分析[J].系統(tǒng)仿真學報,,2010,22(4):1037-1041.
[6] 程遠,,張源,,高西奇.差錯信道下無線局域網(wǎng)丟包率性能分析[J].通信學報,2007,,28(5):126-131.
[7] 周祥云,,錢慧,余輪.低丟包率無線傳感器網(wǎng)絡S-MAC協(xié)議的研究[J].計算機科學,,2011,,38(10A):367-369.
[8] 李志華,,連彬,魏忠誠,,等.無線傳感器網(wǎng)絡能效和延時性能分析[J].計算機應用研究,,2014,31(8):2473-2476.
[9] PRASAD Y,,PACHAMUTHU R.Analytical model of adaptive CSMA-CA MAC for reliable and timely clustered wireless multi-hop communication[C].Internet of Things(WF-IoT),,2014 IEEE World Forum on.IEEE,2014:212-217.
[10] PARK P,,MARCO P D,,F(xiàn)ISCHIONE C,et al.Modeling and optimization of the IEEE 802.15.4 protocol for reliable and timely communications[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems,,2013,,24(3):550-564.
[11] 郭寧,毛劍琳,,王瑞,,等.基于M/G/1/K排隊理論的IEEE 802.15.4網(wǎng)絡吞吐量分析[J].計算機應用,2014,,34(3):619-622.
[12] 程宏斌,,王曉楠,孫霞,,等.6LoWPAN網(wǎng)絡節(jié)點信道接入延時性能研究[J].計算機應用研究,,2013,30(1):246-248.