IEEE 802.15.4无线传感器网络中的能耗研究

吴璇（厦门大学自动化系,福建厦门3610050）

IEEE 802.15.4无线传感器网络中的能耗研究

吴璇
（厦门大学自动化系,福建厦门3610050）

摘要:低速率、低功耗的无线传感器网络日益发展，传统网络协议并不适用。IEEE802.15.4通信协议是短距离无线通信的IEEE标准，包含了MAC层和物理层的规范，规定了在个域网（PAN）中设备之间的无线通信协议和接口。该标准也可用于无线传感器网络，尤其是活动时段（CAP）中采用的CSMA/CA算法对节省网络中的能耗有很大作用，本文分析了其中BO、SO以及数据传输间隔对无线传感器网络中的设备及协调器功耗的影响。

关键词:IEEE802.15.4;无线传感器网络;CSMA/CA算法;网络设备能耗

1引言

无线传感器网络由于传感器节点能源能量的限制，其计算、存储和通信能力都十分有限，每个节点只能获取到局部网络的信息，因而节点上所运行的网络通信协议不能太复杂，但同时还要能应对无线传感器网络拓扑结构和外界环境的不断变化[1]。

IEEE802.15.4标准采用超帧结构和载波监听多点接入/冲突避免（CSMA/CA）算法，在尽量避免冲突的前提下，提供低功耗、低数据速率的可靠传输，努力在冲突避免的同时控制网络时延和数据传输效率，在执行空闲信道评估和限制收发器使用时间中寻找平衡。

IEEE802.15.4标准规定了用于低速无线个域网的物理层及MAC层的两个规范，网络层协议其实并不在其范围内。但它能支持两种网络拓扑结构，即单跳星型网络和通信线路超过10m的多跳对等拓扑，支持消耗功率较少，在个人活动空间工作的简单器件[2]。

本文将从具体实验入手，研究IEEE802.15.4标准在无线传感器网络中的能耗状况。

2超帧结构和CSMA/CA

IEEE802.15.4标准中使用的超帧是指一种用来组织网络通信时间分配的逻辑结构，如图1所示[3],主要包括活动时期和非活动时期，超帧的活动时期又分为竞争访问阶段（Contention-AccessPeriod，CAP） 和 非 竞 争 访 问 阶 段（Contention-FreePeriod，CFP）。网络中所有的通信都必须在活动时期进行，设备在非活动时期计入休眠状态以节省能量。根据IEEE802.15.4标 准 的MACPIB[3]， 属 性 值 macBeaconOrder用 来 描述协调器传输它们的信标的时间间隔等级，记为BO，信标帧间隔的至记为BI；属性值macSuperframeOrder用来描述超帧活动部分的长度，记为SO，超帧活动时期长度记为SD。̓当0=＜SO=＜BO=＜14，BI=aBaseSuperframeDuration*2BO，SD=aBaseSuperframeDuration*2SO，如果SO=15，超帧只包含非活动阶段；如果BO=15，SO的值可忽略，网络设定为无信标网络。

IEEE802.15.4的MAC层的超帧的竞争访问时段（CAP），使用带有冲突避免的载波监听多点接入（CSMA/CA）算法[3]。各个设备在发送数据之前应用CSMA/CA算法竞争访问信道，除非这个帧是跟随在一个数据请求命令的确认帧之后（此时这个数据帧可以在发送完确认帧后立即发送）。在信标使能网络中MAC子层需要使用带时隙的CSMA/CA算法在超帧的CAP发送数据。

3实验结果与分析

将IEEE802.15.4应用于一个大规模的树型分簇无线传感器网络中，因为CSMA/CA算法主要应用于竞争访问时段（CAP），这里不考虑非竞争访问时段（CFP）。本次实验中，BO范围在6-10之间，SO范围在0-2之间，从而使节点大部分时间处在睡眠状态，节省了能量。

图1超帧结构

图2设备的平均功耗

在该网络中，每个协调器有3个子协调器和12个普通节点，网络深度为4，共包含1560个节点[4]。所有节点都要发送数据，且能通过网络发送给PAN协调器，称为数据上行。数据传输间隔以信标帧间隔为单位，大小为1-100。PAN协调器每隔100个信标帧间隔广播一次下行信标帧，提醒设备可以发送更新的数据。在信标使能网络中，广播采用父子节点间的单播间接地实现。

应用交错的超帧使相邻簇间的干扰最小化，将连续时间离散化，使单位时间为超帧的长度。在开始时，每个协调器都会执行一次被动扫描来搜索邻居设备和空闲的时隙，并随机选择一个空闲时隙开始，以减少和周围设备的冲突碰撞。

采用三个模型分析网络性能：竞争模型、MAC层模型和节点模型。分析CSMA/CA算法中的回退时间、碰撞和重传[5]。为简化问题，不考虑非竞争访问时段，在星型网络拓扑基础上分析IEEE802.15.4标准[6]。分析发送和接收数据帧、确认帧、信标帧以及网络扫描所需的能量和时间[7]。

3.1设备的功耗

设备的平均功耗与上行数据传输间隔IU的关系如图2所示。

其中SO=1，BO取6、8、10。由图可见，由于接受信标帧和发送信标帧的能量随着信标帧和数据发送的间隔增大而减小，设备的功耗也随之减小。而随着信标帧发送间隔的增大，网络扫描的能耗随之显著增加，这是由于网络扫描的能耗与信标周期成比例增长。因此，BO=10时，设备的功耗可以比BO=8时还大。

3.2协调器的功耗

在不同的BO和SO下，协调器的平均功耗与上行数据传输间隔的关系如图3所示。随着信标和数据发送的时间间隔的增大，所需能量减少，协调器发送和接收信标的能耗相应减少。而随着SO的增大，相对的CAP时段增长，则协调器在CAP的能耗增大。

4结论

图3协调器的功耗

实验结果显示，IEEE802.15.4标准也同样可用于无线传感器网络，且并不局限于小规模网络。其中采用的超帧结构和载波监听多路接入/冲突避免（CSMA/CA）的媒体介入方式，对网络中设备和协调器的节能有很大作用，研究中需要考虑网络中不同部分和不同行为的耗能情况，选择合适的SO和BO对控制设备能耗很重要。总体上可知当数据传输间隔和BO增大，或SO减小时，设备和协调器的功耗随之减小。

参考文献：

[1]王殊,阎毓杰,胡富平,屈晓旭.无线传感器网络的理论及应用[M].北京航空航天大学出版社,2007.

[2]WilliamStallings.无线通信与网络（第2版）[M].清华大学出版社,2002.

[3]IEEE802.15.42003.WirelessMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)SpecificationsforLow-RateWirelessPersonalAreaNetworks(LR-WPANs)[EB/OL].

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

[5]董传坤.IEEE802.15.4无线传感器网络性能分析及改进研究[D].电子科技大学,2010.

[6]N.Timmons,W.Scanlon.AnalysisoftheperformanceofIEEE802.15.4formedicalsensorbodyareanetworking[C].inProceedingsofthe1stIEEEinternationalconference.OnSensorandadhoccommunicationsandnetworks(SECON’04).SantaClara.USA:IEEE,2004,16—24.

[7]Y.C.Tseng,S.Y.N,E.Y.Shill.Adaptiveapproachestorelievingbroadcaststormsinawirelessmultihopmobileadhocnetwork[J],IEEETransonComputers,2003,545-557.

作者简介：吴璇（1990-），女，江苏南京人，硕士研究生，研究方向：模式识别与智能系统。