三種工業(yè)用WSN的MAC層分析與對比

王 駿

(上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海 200233)

0 引言

無線傳感網(wǎng)絡(wireless sensor networks，WSN)是針對低功耗、低速率以及短程的無線通信應用，適合于家庭自動化、環(huán)境監(jiān)測和健康監(jiān)測等領(lǐng)域，在工業(yè)自動化領(lǐng)域也得到了越來越廣泛的應用［1］。

早期出現(xiàn)的WSN大多遵循ZigBee協(xié)議［2］，具有資源豐富、協(xié)議公開等特點，因此得到了廣泛的應用，目前的工業(yè)應用大多也是采用ZigBee協(xié)議。但考慮到工業(yè)應用的特殊性(如電磁干擾、應用行規(guī)、互操作等)，國內(nèi)外企業(yè)和組織于近幾年開始工業(yè)用WSN的研究和標準制定工作。先后由HCF組織和中國WIA組織起草并由IEC 發(fā)布的 Wireless HART［3］和 WIA-PA［4］標準，成為目前工業(yè)WSN研究與應用的新熱點。本文通過對這三種協(xié)議的MAC層進行分析和對比，以幫助用戶選擇合適的協(xié)議、產(chǎn)品及應用。

1 MAC層協(xié)議簡介

本文涉及的三種無線傳感網(wǎng)絡(WSN)協(xié)議均采用了IEEE 802.15.4［5］標準中規(guī)定的物理層(PHY)，但在媒介訪問控制(MAC)層及以上各層是不同的。由于MAC層特性直接決定了網(wǎng)絡性能(如吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸率、時間特性等)，因此這三種協(xié)議具有不同的性能和表現(xiàn)。

1.1 ZigBee

ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議于2003年由IEEE 802.15.4和 ZigBee聯(lián)盟共同制定，目前為2007 PRO版本。ZigBee協(xié)議主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡/安全層、應用框架及高層應用規(guī)范構(gòu)成。其中PHY層與MAC層由IEEE定義，網(wǎng)絡層與應用層由ZigBee聯(lián)盟定義。

由于ZigBee本身并沒有規(guī)定PHY和MAC，而是完全采用 IEEE 802.15.4，因此，其 MAC 層性能與IEEE 802.15.4 一致。IEEE 802.15.4 的 MAC 主要分為信標(Beacon)和非信標(Non-Beacon)兩種工作模式［5］，而 ZigBee 主要采用的是非信標模式［2］，即基于CSMA-CA的搶占式通信模式，以簡化網(wǎng)絡復雜度。鑒于IEEE 802.15.4的 MAC不支持跳頻操作，因此，某個ZigBee網(wǎng)絡中的節(jié)點僅能在同一信道上保持通信(關(guān)于跳頻不在本文研究范圍內(nèi))。如果該信道存在干擾，則該WSN中節(jié)點的通信將不可靠。這是目前ZigBee在工業(yè)應用中面臨的一個主要問題。

基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡拓撲多為簇狀網(wǎng)，包括3類設備:網(wǎng)關(guān)節(jié)點(中心協(xié)調(diào)器)、路由節(jié)點和終端節(jié)點。其中，網(wǎng)關(guān)負責網(wǎng)絡管理，并將路由表分配到路由節(jié)點;路由及安全等內(nèi)容由ZigBee規(guī)定;各節(jié)點間的MAC層按照IEEE 802.15.4的非信標模式進行數(shù)據(jù)傳輸。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點和路由節(jié)點為802.15.4中規(guī)定的全功能節(jié)點(FFD)。因為需要執(zhí)行路由操作，網(wǎng)關(guān)節(jié)點和路由節(jié)點在空閑時必須一直處于喚醒偵聽狀態(tài)，無法進入休眠，因此，兩者本身并非低功耗。網(wǎng)絡中僅有終端節(jié)點可以進入休眠，因為其無需進行路由操作，僅與父節(jié)點(網(wǎng)關(guān)或路由節(jié)點)建立單跳連接，因此僅在需要發(fā)送或接收的時候喚醒操作，其余時間進入休眠。但由于CSMA-CA機制的存在，節(jié)點喚醒后需要進行退避(Backoff)操作并偵聽信道，以判斷是否可以發(fā)送，因此，如果網(wǎng)絡負載過重或存在較大的干擾時，節(jié)點將長期處于碰撞偵聽過程，導致無法有效進入低功耗休眠模式。

1.2 WIA-PA

WIA-PA具有與ZigBee類似的特點，包括采用IEEE 802.15.4的PHY和MAC以及采用類似的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和設備分類(網(wǎng)關(guān)、路由及終端);且網(wǎng)絡中的網(wǎng)關(guān)和路由節(jié)點需要全時工作，僅終端節(jié)點可以進入休眠狀態(tài)。

相對于ZigBee協(xié)議，WIA-PA更適合工業(yè)應用。這不僅是因為WIA-PA的網(wǎng)絡層和應用層協(xié)議規(guī)定了安全及應用行規(guī)等內(nèi)容，更主要的是其MAC層采用了信標(Beacon)傳輸模式，并擴展了數(shù)據(jù)鏈路(DLSL)子層，實現(xiàn)了跳頻、重傳等功能，提高了網(wǎng)絡通信的可靠性。基于信標的網(wǎng)絡超幀格式如圖1所示［4］。

圖1 WIA-PA的超幀格式Fig.1 Super-frame format of WIA-PA

從圖1可以看出，WIA-PA的超幀格式是一種對IEEE 802.15.4超幀格式的擴展，在超幀的非活動期采用類似TDMA的技術(shù)進行slot劃分。同時，考慮到網(wǎng)絡分為簇內(nèi)和簇間兩層，為避免相互間沖突，在時間上作了分割，即一部分時間段用于簇內(nèi)(星型結(jié)構(gòu))節(jié)點的slot通信，另一部分時間段用于簇間(網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))節(jié)點的slot通信。

由于WIA-PA是對 IEEE 802.15.4 MAC的改進，因此，其兼容其他符合IEEE 802.15.4信標模式節(jié)點的接入，可在超幀中的CAP和CFP階段對這些兼容節(jié)點進行通信處理。

與ZigBee相比而言，采用信標模式的優(yōu)點是避免了網(wǎng)絡中節(jié)點碰撞發(fā)生的機率，有利于功耗的降低以及其他網(wǎng)絡性能的提高。

三種工業(yè)用WSN的協(xié)議架構(gòu)對比圖如圖2所示。

圖2 三種工業(yè)用WSN的協(xié)議架構(gòu)對比圖Fig.2 The comparison of protocol architectures for three industrial WSNs

1.3 Wireless HART

與ZigBee和WIA-PA協(xié)議不同，Wireless HART協(xié)議僅與 IEEE 802.15.4的2.4 GHz PHY層相兼容。在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)方面，Wireless HART采用全網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)，同時網(wǎng)絡設備簡化為網(wǎng)關(guān)和終端(現(xiàn)場設備)兩類，其中終端具有路由功能。

Wireless HART與ZigBee和WIA-PA除在拓撲結(jié)構(gòu)上不同外，其MAC層的主要特征在于采用TDMA技術(shù)替代CSMA-CA，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?。Wireless HART 的超幀格式如圖 3 所示［3］，與 IEEE 802.15.4 的信標模式類似，超幀由若干slot構(gòu)成。Wireless HART規(guī)定每個slot的時長固定為10 ms，并且在一個slot內(nèi)完成STX(發(fā)送)和ACK(應答)操作。

圖3 Wireless HART的超幀格式Fig.3 Super-frame format of Wireless HART

Wireless HART的TDMA技術(shù)與WIA-PA的slot技術(shù)類似，均通過時隙的分配避免沖突碰撞。但在具體的報文格式和收發(fā)時序上存在差異，且由于Wireless HART的超幀內(nèi)不額外劃分CAP、CFP和簇內(nèi)/簇間通信，因此使用率更高。基于超幀的Wireless HART和WIA-PA由于涉及時間同步和自適應跳頻等問題，在MAC層操作上較非信標模式的ZigBee復雜;此外，在網(wǎng)絡層還需要考慮安全加密、網(wǎng)絡加入等問題，往往需要使用額外的組態(tài)工具，才能使網(wǎng)絡及節(jié)點正常工作。

2 網(wǎng)絡性能分析

本文主要對MAC層的數(shù)據(jù)傳輸延時(transmission delay)、包交付率(packet delivery rate)和單節(jié)點的帶寬效率(bandwidth efficiency)三項指標進行模擬分析。采用文獻［6］和［7］中提及的相關(guān)計算公式進行計算分析。

為了簡化計算及分析，并保證三種WSN的工作條件一致，作以下規(guī)定。

①僅考慮星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點僅與中心協(xié)調(diào)器建立單跳連接，且不支持多信道及跳頻。

② 節(jié)點采樣及輸出的周期頻率fs為2 Hz(500 ms)，也就是超幀周期時間，則WIA-PA協(xié)議中MAC的BO參數(shù)設為5(BI=491.52 ms)。

③設置WIA-PA中的SO參數(shù)為2(SD=61.44 ms)，即超幀的活動期(CAP+CFP)每個 slot時隙時間為3.84 ms，其后非活動期等分為43個slot，每個slot時長約為10 ms，與Wireless HART一致。

④ ZigBee和WIA-PA支持IEEE 802.15.4的應答機制。

2.1 傳輸延時

根據(jù)文獻［6］和［7］中的定義，IEEE 802.15.4 的數(shù)據(jù)傳輸延時Tl由平均退避時間Tbo、數(shù)據(jù)傳輸時間Tpacket、收發(fā)切換時間 TTA、應答時間 TACK和幀間間隔(interframe space，IFS)時間 TIFS等構(gòu)成，如式(1)所示。

對于WIA-PA而言，由于采用類似TDMA的沖突避免技術(shù)，因此數(shù)據(jù)傳輸時無需進行退避操作，即不包含式(1)中的Tbo。對于Wireless HART，相關(guān)時間常數(shù)與IEEE 802.15.4的定義略有不同，詳見文獻［3］。由于平均退避時間Tbo和數(shù)據(jù)傳輸時間Tpacket與節(jié)點數(shù)量n和MAC層包負載(payload)有關(guān)，因此計算不同節(jié)點數(shù)量n和包負載情況下的傳輸延時Tl。傳輸延時與包負載關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 傳輸延時與包負載關(guān)系圖Fig.4 Relationship between transmission delay and payload

從圖4可以看出，基于非信標模式的ZigBee協(xié)議，其數(shù)據(jù)傳輸延時Tl不僅與包負載有關(guān)，還與節(jié)點數(shù)量n有關(guān)，原因是ZigBee需要進行CSMA-CA的退避計算以避免沖突(這里的退避時間Tbo是平均值)。

基于TDMA技術(shù)的WIA-PA和Wireless HART，由于無需進行退避計算而使傳輸延時減小，它們的差異僅在于ACK應答報文的數(shù)據(jù)長度不同。二者有較小的延時時間，有利于降低節(jié)點功耗，提高信道的利用率。

2.2 包交付率

包交付率(PDR)表示了數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)母怕?。影響包正確傳輸?shù)囊蛩匕≒HY物理層干擾、退避失效以及碰撞。文獻［6］中給出了非信標模式下IEEE 802.15.4的包交付率計算公式，其同樣與節(jié)點數(shù)量n和MAC層包負載有關(guān)。對于WIA-PA和Wireless HART而言，由于TDMA機制避免了退避失效和碰撞，因此，包傳輸失效僅與PHY誤碼率有關(guān)。參考IEEE 802.15.4的PHY規(guī)范，該誤碼率為1%。三種協(xié)議的PDR曲線如圖5所示。

圖5 包交付率與包負載關(guān)系圖Fig.5 Relationship between packet delivery rate and payload

從圖5可以看出，基于非信標模式的ZigBee協(xié)議，其PDR隨著節(jié)點數(shù)量n和包負載的增加而迅速下降，同時還與節(jié)點的采樣及輸出速率fs有關(guān)。研究表明，當延時不滿足Tl＜1/(60fs)的條件時，PDR將下降到90%以下。而基于TDMA技術(shù)的WIA-PA和Wireless HART，其包交付率與n和包負載無關(guān)，僅與誤碼率有關(guān)。文獻［8］通過樣本試驗對此進行過研究。

2.3 帶寬效率

文獻［7］中給出的單節(jié)點帶寬效率η，可理解為包負載傳輸所用時間Tpayload與整個傳輸延時Tl的比例，用于衡量負載傳輸?shù)男?。使用TDMA時，由于包傳輸被分配在固定的slot時隙時間內(nèi)，時間片長度是固定的(10 ms)，因此，其帶寬效率計算公式如式(2)所示。

三種協(xié)議的單節(jié)點帶寬效率曲線如圖6所示。

圖6 帶寬效率與包負載關(guān)系圖Fig.6 Relationship between bandwidth efficiency and payload

從圖6可以看出，在slot時長大于傳輸延時Tl的情況下，WIA-PA或Wireless HART的單節(jié)點傳輸效率不及ZigBee。

3 結(jié)束語

本文針對三種目前主流的工業(yè)用WSN，對其MAC層進行了探討，并結(jié)合特殊應用條件分析了傳輸延時、包交付率PDR以及單節(jié)點的帶寬效率η三項性能指標。

研究表明，ZigBee和另兩種協(xié)議在MAC上的主要區(qū)別在于CSMA-CA和TDMA技術(shù)?；贑SMA-CA的非信標模式具有較高的帶寬效率，但在傳輸延時和包交付率方面與TDMA有明顯差距，特別是隨著節(jié)點數(shù)、包負載以及采樣/傳輸速率的增加，ZigBee可能無法滿足應用需求［8］。此外，WIA-PA和 Wireless HART具有的跳頻、重傳、安全加密等技術(shù)，使其具有更高的通信可靠性和安全性(這些內(nèi)容不在本文研究范圍內(nèi))。

相對而言，WIA-PA和Wireless HART操作復雜，在MAC及以上各層需要進行額外的配置，給產(chǎn)品實現(xiàn)和應用帶來了不便。因此，在節(jié)點數(shù)、包負載以及采樣速率、傳輸速率要求不高的情況下，即滿足 Tl＜1/(60fs)，ZigBee也能夠達到較好的網(wǎng)絡性能指標和功耗水平。

［1］曾鵬.工業(yè)無線技術(shù)的標準化與應用［J］.中國儀器儀表，2008(3):40－44.

［2］ZigBee Alliance Document 053474.ZigBee specification［M］.ZigBee Alliance，2007.

［3］IEC.IEC Standard 62591 Industrial communication networks-Wirelesscommunication network and communication profile-Wireless HARTTM［S］.IEC，2010.

［4］IEC.IEC Standard 62601 Industrial communication networks-Fieldbus specifications-WIA-PA communication network and communication profile［S］.IEC，2010.

［5］IEEE.IEEE Standard 802.15.4 Wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks(WPANs)［S］.IEEE，2006.

［6］Liang Xuedong，Balasingham I.Performance analysis of the IEEE 802.15.4 based ECG monitoring network［C］//Seventh IASTED International Conferences－ Wireless and Optical communications，Canada，2007:99 －104.

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