傳感器網絡中實時通信的研究

　　近年來，由于能夠適應多種現實智能環境，傳感器網絡得到了快速發展，并以其自組織、自管理、自節能、可靠性高、造價低和適用于惡劣環境等特點，被廣泛應用于軍事、醫療衛生、環境保護和交通等領域。在一些具體應用中，有時需要對傳感器測量信息做出實時反映。比如在醫療中，對于病人血壓值的突然升高必須在很短時間內了解并采取措施。在軍事打擊中，一些重要傳感器的數據必須盡快得到處理并能得到快速反應。傳感器網絡應用于工業自動制造中也有實時性的要求。根據工業自動化系統理論，實時系統分為 3 個等級：低約束級，允許響應時間超過 100 ms；一般約束級，響應時間在 5～10 ms 之間；高約束級，響應時間低于 1 ms。本文以星型為網絡拓撲結構，以 IEEE802．15．4 標準和 ZigBee 為基礎協議，研究傳感器網絡中 MAC 協議的實時性能。

　　2 協議分析

　　IEEE 802．15．4 定義了 2 個工作頻段，即 2．4 GHz 頻段和 868／915 MHz 頻段（適合不同國家地區），共分配 27 個具有 3 種速率的信道：在 2．4 GHz 頻段有 16 個速率為 250 kb／s 的信道，在 915 MHz 頻段有 10 個 40 kb／s 的信道，在 868 MHz 頻段有 1 個 20 kb／s 的信道。為了達到網絡同步，IEEE 802．15．4 在 MAC 層定義了超幀結構。超幀的格式由傳感器網絡的協調器定義，有 16 個大小相等的時隙，每個超幀之間由網絡信標幀（beacon）分隔，信標幀在超幀的第一個時隙被傳輸。超幀分為競爭訪問周期（ContenTIon Access Period，CAP）和無競爭訪問周期（ContenTIon Free Period，CFP）。在 CAP 階段，設備采用 CSMA－CA 機制競爭信道，設備對信道的訪問延遲無法控制，無法實現實時要求，在 CFP 階段，網絡協調器為有實時性要求的設備分配 GTS 時隙，實現實時通信，如圖 1 所示。

　　超幀的參數

　　由于 IEEE 802．15．4 允許設備采用節能模式，因而超幀有活動和非活動 2 種狀態。在非活動狀態下，節點進入休眠模式。這時使用 2 個參數信標幀間隔：一個是信標序號 BO，即信標間隔，要求 0≤BO≤14；另一個參數是超幀序號 SO，并且 0≤SO≤BO≤14。當 BO＝15 時，協調器將不再發送信標幀，并且忽略 SupeRFrameOrder 參數值。協調器只在超幀的活動狀態為設備分配 GTS，如圖 2 所示。