民航機(jī)場特種車輛監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)MAC層節(jié)能設(shè)計

陳維興，林 聰，孫毅剛

(中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津300300)

0 引言

近年來，民航運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量迅速增加，導(dǎo)致了機(jī)場安全事故發(fā)生且處理效率低下。 “機(jī)場特種車輛監(jiān)控系統(tǒng)(CASVMS)”基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)并以TI CC2430微控制器為硬件核心［1］，在天津機(jī)場現(xiàn)場測試中基本上解決了上述問題，但也暴露出了由能耗原因造成的定位計算偏差和滯后問題，影響了使用效果［2，3］。由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為電池供電，近年來對其研究越來越偏重能耗問題［4］。Zigbee體系的MAC層，即IEEE 802.15.4協(xié)議，可以影響節(jié)點(diǎn)電能消耗速度，目前對WSN性能優(yōu)化的研究也主要針對該層的CSMA/CA算法［5］和占空比控制［6］。本文分析了特種車輛的工作特點(diǎn)和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，從超幀占空比控制角度出發(fā)，提出了根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量自適應(yīng)設(shè)置占空比的方法，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命、提升系統(tǒng)性能的目的;同時設(shè)計了根據(jù)個體電池和車輛工作狀態(tài)的監(jiān)控局域調(diào)節(jié)占空比的方法，克服了全局統(tǒng)一設(shè)置占空比造成的能量浪費(fèi)問題;同時考慮了占空比降低后對時延和吞吐量性能的影響。

1 特種車輛定位系統(tǒng)［2-3］

定位系統(tǒng)按停機(jī)位劃分為若干子網(wǎng)，每個子網(wǎng)包括網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn) (RN，提供固定坐標(biāo))、定位節(jié)點(diǎn) (BN，車載設(shè)備)和上位管理機(jī)，如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)利用RSSI定位算法對各子網(wǎng)內(nèi)的BN進(jìn)行定位:BN周期接收周邊至少3個RN的固定坐標(biāo)值 (任意時刻只有LQI值較高的3-8個RN才能與BN捆綁、發(fā)送數(shù)據(jù)參加計算)，同時根據(jù)LQI計算RSSI，然后BN根據(jù)接收到的3個或更多固定坐標(biāo)以及相應(yīng)的RSSI值計算BN位置，最后將BN坐標(biāo)經(jīng)網(wǎng)關(guān)上傳至上位機(jī)，而且上位機(jī)會隨時通過網(wǎng)關(guān)向RN和BN下發(fā)命令和配置數(shù)據(jù);不同的子網(wǎng)利用各自的上位機(jī)組網(wǎng)共享數(shù)據(jù)并受監(jiān)控中心主機(jī)的控制，它們之間由候機(jī)樓內(nèi)的Ethernet連接。

圖1 停機(jī)位區(qū)域定位子網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在使用過程中發(fā)現(xiàn)隨節(jié)點(diǎn)電池能量的下降系統(tǒng)出現(xiàn)定位計算誤差的頻度和幅度增加，同時上位機(jī)用于顯示車輛實(shí)時位置的圖標(biāo)出現(xiàn)了刷新變慢的情況，見表1。

表1 電池電量與系統(tǒng)使用特性的關(guān)系

分析原因，主要是電池的消耗導(dǎo)致BN和RN的 RF模塊發(fā)射功率和接收靈敏度的下降，直接影響到RSSI值準(zhǔn)確性和鏈路質(zhì)量。RSSI值錯誤直接造成了定位計算誤差的增大，鏈路質(zhì)量則直接導(dǎo)致延遲和碰撞現(xiàn)象加重，吞吐量下降從而使通信滯后，上位機(jī)無法及時得到定位數(shù)據(jù)，圖標(biāo)刷新變慢。同時本文注意到能耗加大導(dǎo)致的誤差加大、延遲碰撞和吞吐量下降等問題會迫使節(jié)點(diǎn)啟動多次計算和重傳來處理一些重要的實(shí)時數(shù)據(jù)，從而更加重了電池或的負(fù)擔(dān)，一旦節(jié)點(diǎn)陷入惡性循環(huán)，電池能量會急速下降使定位功能失效。因此，能耗是其它網(wǎng)絡(luò)性能波動的主要原因，應(yīng)該是所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中優(yōu)先的優(yōu)化對象，本文討論的重點(diǎn)是在系統(tǒng)連續(xù)工作條件下 (車輛始終在移動)，如何通過降低BN和RN能耗提高整個網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。同時，考慮到能耗與其它網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)關(guān)系密切，尤其是網(wǎng)絡(luò)時延和吞吐量，因此對這些性能參數(shù)也加以討論。

2 定位網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議

系統(tǒng) MAC層中，即 IEEE 802.15.4，CSMA/CA算法［5］、超幀占空比控制信道訪問機(jī)制［6］以及GTS分配管理機(jī)制等都是近年來針對WSN優(yōu)化所研究的方向，本文重點(diǎn)討論超幀占空比控制，所述網(wǎng)絡(luò)為信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)，使用超幀結(jié)構(gòu)，且超幀活動部分的無競爭期，即CFP長度為0。

超幀將網(wǎng)絡(luò)活動時間分為活動 (ACT)時段和非活動(INA)時段。ACT內(nèi)，PAN設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)，而在INA處于低功耗的睡眠模式［7］。以CC2430為例，芯片在發(fā)送狀態(tài)下?lián)p耗24.7mA的電流，而休眠狀態(tài)下僅為296μA［1］，可見對ACT長度的精確控制可以有效的降低網(wǎng)絡(luò)功耗。

超幀結(jié)構(gòu)由PIB屬性macBeaconOrder(BO)和macSuperframeOrder(SO)描述［7］，有

本文論述的網(wǎng)絡(luò)BO、SO均小于15，且滿足SO＜BO。

超幀ACT部分均分為16個Slot，由三部分構(gòu)成，如圖2所示，本文中CFP=0。超幀占空比DC(Duty Cycle)為

本文所有DC控制參數(shù)及監(jiān)測信息都利用信標(biāo)幀 (Beacon)廣播的形式傳送到各節(jié)點(diǎn)［7］。

圖2 超幀結(jié)構(gòu)

3 CASVMS的MAC層節(jié)能算法 (CASVMSMESA)設(shè)計

3.1 超幀占空比對網(wǎng)絡(luò)的影響

現(xiàn)階段針對工作-休眠機(jī)制，即DC調(diào)節(jié)的WSN性能優(yōu)化研究有如下特點(diǎn):IEEE 802.11協(xié)議［8］是基于競爭的WSN中MAC協(xié)議的代表，但是其并沒有充分考慮節(jié)點(diǎn)的休眠機(jī)制，因而在能耗控制方面并不出色;S-MAC［9］是較早的涉及DC調(diào)節(jié)問題的MAC協(xié)議設(shè)計方法，雖然加入了一些自適應(yīng)延長偵聽時間的環(huán)節(jié)和休眠機(jī)制，但是本質(zhì)上還是一種固定DC的MAC協(xié)議;對比其它針對WSN的MAC 協(xié)議，如:T-MAC、X-MAC 等［4，10-11］，雖提出了一些修改DC的策略，也被驗(yàn)證存在著一些早睡或可靠性等問題。本系統(tǒng)采用的IEEE 802.15.4(固化于CC2430)雖提供了BO和SO以調(diào)整DC，但并沒設(shè)計動態(tài)調(diào)整DC的方法。

DC的變化將會明顯影響網(wǎng)絡(luò)性能［12］，以一個子網(wǎng)為場景在不同DC下進(jìn)行OPNET仿真:改變SO的取值，BO設(shè)為2，流量設(shè)置為所有RN間隔0.3s向BN發(fā)送數(shù)據(jù)包，BN間隔2.4s向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)下發(fā)各節(jié)點(diǎn)。在不同DC下，網(wǎng)絡(luò)性能仿真結(jié)果如圖3所示。本文仿真圖橫軸為時間 (分鐘)，能耗圖縱軸為能量單元個數(shù) (千焦)，時延圖縱軸為時隙個數(shù) (slot)，吞吐量圖縱軸為數(shù)據(jù)流量 (包/秒)。

可見，隨著DC的下調(diào)會降低能耗，但會引起時延性能下降，尤其SO=2時非常明顯，這是因?yàn)镈C過小會使節(jié)點(diǎn)休眠過多，數(shù)據(jù)碰撞幾率上升進(jìn)而造成數(shù)據(jù)延時增加;吞吐量性能的區(qū)別主要體現(xiàn)在仿真初期，與網(wǎng)絡(luò)生成初期各種配置信息較多造成的網(wǎng)絡(luò)流量峰值有關(guān)，但是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入平穩(wěn)階段 (定位計算過程)后，小的DC配置SO=2性能仍然較差。然而DC過大會引起電池耗能過快而出現(xiàn)表1及其分析中所描述的問題。因此，不能一味追求低DC帶來的能耗性能，應(yīng)兼顧并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動態(tài)設(shè)置DC。

3.2 CASVMS-MESA算法設(shè)計

針對實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)流量、車輛和電池狀態(tài)等方面提出DC自適應(yīng)方法。

3.2.1 DC網(wǎng)絡(luò)流量自適應(yīng)算法

如圖3所示，低DC值可降低能耗但會引起時延和吞吐量的變化，可通過測量網(wǎng)絡(luò)流量來反應(yīng)此兩種網(wǎng)絡(luò)性能。本文子網(wǎng)基本屬單跳網(wǎng)絡(luò)，所以DC調(diào)節(jié)只能由協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)完成。但網(wǎng)絡(luò)流量隨機(jī)變化的因素有:BN數(shù)量，計算精度等級 (向BN發(fā)送參考坐標(biāo)數(shù)據(jù)的RN越多，且發(fā)送的頻次越高，計算越精確)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化 (網(wǎng)絡(luò)支持BN、RN的實(shí)時加入或刪除)等。而這些參數(shù)并不是協(xié)調(diào)器可以決定的，故造成網(wǎng)絡(luò)DC與流量的矛盾［13］，出現(xiàn)碰撞率上升耗能或者網(wǎng)絡(luò)空閑耗能兩種現(xiàn)象。

解決這一矛盾的方法是協(xié)調(diào)器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)流量適時調(diào)整DC，本文采取調(diào)整SO值而BO不變的DC控制方法。RN的數(shù)目變化不會對網(wǎng)絡(luò)流量造成太大影響，這是由于并不是所有的RN都會向BN發(fā)送數(shù)據(jù)參與定位計算，本系統(tǒng)設(shè)計為只有那些與BN捆綁的RN發(fā)送數(shù)據(jù)，其余RN僅提供最基本的LQI值，其數(shù)據(jù)量和能耗明顯小于參加定位計算的RN，而參加定位計算的RN個數(shù)及其發(fā)送數(shù)據(jù)的頻次才會更大程度的影響流量;若BN加入網(wǎng)絡(luò)，由于要實(shí)時計算并向協(xié)調(diào)器報告車輛位置 (其實(shí)時性與計算頻次，即刷新率，成正比)，因此會增大網(wǎng)絡(luò)流量。所以根據(jù)Zigbee協(xié)議，只有當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到BN設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)或退出網(wǎng)絡(luò)的請求原語 (.request原語)，同意其請求并為其分配或銷毀地址［7］后調(diào)整DC，一個BN加入或退出網(wǎng)絡(luò)，SO值分別自加1或自減1。BN加入網(wǎng)絡(luò)后，對網(wǎng)絡(luò)流量的較大影響還體現(xiàn)在:單次定位計算，一個BN需要接收周邊M個(M不小于3)RN的數(shù)據(jù)，且需N次接收同一個RN的數(shù)據(jù)，將這N個數(shù)據(jù)加權(quán)平均才能用于定位計算，M和N值越大則計算越精確，而由于M和N值造成的網(wǎng)絡(luò)流量變化協(xié)調(diào)器是無法預(yù)知的，也就造成了有時DC值無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的問題。針對這種情況，本文采用協(xié)調(diào)器定時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)流量方法:

圖3 DC設(shè)置對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

(1)每個BN單次定位計算時，記錄所采用的RN個數(shù)M和每個RN向BN發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)N，M和N分別為3-8間和8-12間的隨機(jī)數(shù)，也可以強(qiáng)制為固定值 (但只能維持20個超幀周期)，同時滾動計算V個M和N的平均值M0和N0，V與BN持續(xù)工作時間有關(guān)。

(2)過低的DC必然會導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)對信道資源的激烈競爭而碰撞現(xiàn)象加重，為保證BN定位計算數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和實(shí)時性，對BN引入了重傳機(jī)制，BN存儲一定時間內(nèi)與協(xié)調(diào)器通信所發(fā)生的數(shù)據(jù)重傳累計次數(shù)t。

(3)RN也存在著信道碰撞問題，但RN不需實(shí)時計算，且BN可以從其它RN獲取數(shù)據(jù)來計算或者在RN發(fā)送數(shù)據(jù)頻次較高的情況下等待下一個數(shù)據(jù)，故RN不需重傳。

(4)協(xié)調(diào)器的MAC層每隔20個信標(biāo)幀，在信標(biāo)幀Beaconpayload域［7］添加并廣播監(jiān)測流量命令“MF”。各個BN接到“MF”后，將各自存儲的M0、N0和t發(fā)送至協(xié)調(diào)器 (M0、N0與該段時間內(nèi)BN定位計算次數(shù)V有關(guān))，確認(rèn)發(fā)送成功時清空存儲數(shù)據(jù)以節(jié)省存儲器空間和能耗，t反映20個超幀周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)阻塞情況，M0和N0則提示網(wǎng)絡(luò)阻塞的原因。

(5)協(xié)調(diào)器在接收的所有t值中取最大值T，若T＞5(某個BN在20個超幀周期中發(fā)生碰撞超過5次)，說明當(dāng)前DC值較小應(yīng)增加SO值，但前文已述M、N值和數(shù)據(jù)流量成正比，若通過降低M和N值可以緩解網(wǎng)絡(luò)阻塞，則可以不增加SO以不增加網(wǎng)絡(luò)能耗。

(6)協(xié)調(diào)器在下一個信標(biāo)幀中Beaconpayload域［7］添加并廣播強(qiáng)制MN參數(shù)命令“FS”，BN接收到該命令后令M、N分別為M0、N0自減1，但限定M＞2且N＞7，并維持到下一次接收到“MF”命令。

(7)若協(xié)調(diào)器連續(xù)3次監(jiān)測到T＞5的情況，則不會再強(qiáng)制M和N值，令SO自加1，若監(jiān)測到T=0，則SO自減1。

(8)若協(xié)調(diào)器流量監(jiān)測周期大于20超幀時間，則允許碰撞次數(shù)可設(shè)大于5的數(shù)。圖4為DC流量自適應(yīng)的程序流程圖，其中協(xié)調(diào)器和BN的MAC區(qū)分利用OPNET的進(jìn)程模型在網(wǎng)絡(luò)的同步狀態(tài)階段SYNC完成。

圖4 流量自適應(yīng)流程

通過協(xié)調(diào)器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)流量實(shí)現(xiàn)了動態(tài)設(shè)置DC的問題，但其也存在弊端:針對T的流量監(jiān)測只能保證網(wǎng)絡(luò)中最繁忙的BN不會出現(xiàn)頻繁碰撞導(dǎo)致網(wǎng)路性能下降，但該DC值對于其它BN，尤其是數(shù)據(jù)流量較小的BN來說可能是偏大的，從而造成能量浪費(fèi)，故在此基礎(chǔ)上本文提出區(qū)域DC調(diào)節(jié)的思想。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域占空比自動調(diào)節(jié)算法

CASVMS的網(wǎng)關(guān)安裝在候機(jī)樓內(nèi)使用電纜供電，而BN和RN分別安裝在特種車輛車體外側(cè)和停機(jī)位外周，采用微型電池供電且更換難度較大，因此需要更加嚴(yán)格地管理能耗。同時，協(xié)調(diào)器針對定位系統(tǒng)整體調(diào)整DC參數(shù)，屬比較穩(wěn)定的閉環(huán)控制方案，這種方法可在保證所有節(jié)點(diǎn)，尤其是繁忙的節(jié)點(diǎn)不發(fā)生多次通信碰撞的同時極大的節(jié)省能耗。但所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一的“喚醒-工作-休眠”時鐘，當(dāng)定位區(qū)域內(nèi)有多個BN(車輛)時，統(tǒng)一的DC可能對于有的BN過長而造成能量浪費(fèi)。另外，現(xiàn)場測試中發(fā)現(xiàn)BN存在著某些工作特點(diǎn):

(1)某BN或其用于定位計算的RN電池電量已大幅下降，適當(dāng)降低DC雖降低了定位計算的刷新率犧牲了實(shí)時性，但是可以避免電池能量過低造成的定位計算錯誤。值得注意的是，見表1，電池能量快速減少造成了計算偏差和滯后加大，其導(dǎo)致的定位實(shí)時性下降程度遠(yuǎn)大于降低DC所造成的實(shí)時性下降程度，這是因?yàn)榻档虳C引起碰撞的概率小于電池能量下引起碰撞的概率。同時延長電池更換周期，降低維護(hù)成本，總體利大于弊。

(2)為保證航空器安全，特種車輛限速行駛，進(jìn)入工作狀態(tài)后，移動更是緩慢甚至處于靜止 (如加油車、除冰車等)，因此BN的定位計算主要發(fā)生在從車輛啟動至到達(dá)工作點(diǎn)的過程中，車輛進(jìn)入工作狀態(tài)后BN對網(wǎng)絡(luò)時延和吞吐量性能要求極低，只需盡可能降低能耗以節(jié)省電池。

為了彌補(bǔ)3.2.1中提到的弊端，針對以上兩點(diǎn)設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)區(qū)域DC自動調(diào)節(jié)算法，實(shí)是一種提前休眠機(jī)制:

(1)電池監(jiān)控調(diào)節(jié)DC。BN和RN在硬件上設(shè)計了電池電壓監(jiān)視電路，當(dāng)電池電量低于閾值 (參考表1初始化為60%，可調(diào))便認(rèn)定節(jié)點(diǎn)處于欠電狀態(tài)，將置位欠電標(biāo)志位PW_Flag，利用兩個初始化為0的計數(shù)器，激活計數(shù)器AT和休眠計數(shù)器ST，完成提前休眠。其工作過程為:當(dāng)BN或RN接收到協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀時，將Beacon中的BO值裝載到初值寄存器IN_R中;節(jié)點(diǎn)將根據(jù)Beacon中的SO值處于ACT過程，此時利用CC2430的MAC定時器T2［1］(可產(chǎn)生精準(zhǔn)的slot時隙定時)每個時隙AT自加1;若沒有發(fā)生電池欠電，則節(jié)點(diǎn)會按照協(xié)調(diào)器全局DC設(shè)置工作-休眠;若任意時刻發(fā)現(xiàn)電池欠電，則令ST=IN_R-AT且CC2430切換至休眠模式［1］(關(guān)閉RF模塊等耗電大的模塊，僅保留少數(shù)寄存器、定時器和中斷資源);在休眠階段ST自減1，當(dāng)ST=1時，會中斷喚醒CC2430打開RF模塊，準(zhǔn)備接收協(xié)調(diào)器下一個超幀。為保證節(jié)點(diǎn)不至于早睡而導(dǎo)致數(shù)據(jù)滯留，規(guī)定AT大于3才能切換CC2430狀態(tài)。該方法尤其適用于更換電池難度大的RN，因?yàn)榧词鼓砇N因欠電提前休眠，BN則會選擇該RN附近的RN用于計算，但若該欠電RN仍采用全局DC設(shè)置，其電池電能會下降，一種情況是加速導(dǎo)致其LQI值［7］下降而無法提供準(zhǔn)確的RSSI值［2］，造成BN計算誤差和滯后增大而定位失效;另一種情況是由于該RN的LQI偏低BN不再與其捆綁，此RN則成為“隱藏節(jié)點(diǎn)”造成無意義的節(jié)點(diǎn)能耗。同理，若BN在欠電情況下仍使用全局DC配置，會加速電能下降從而出現(xiàn)表1所分析的情況。

圖5 狀態(tài)監(jiān)控調(diào)節(jié)算法仿真

(2)狀態(tài)監(jiān)控調(diào)節(jié)DC，此方式僅用于BN。電池監(jiān)控方法在確保能耗滿足定位精度的同時犧牲了一定的實(shí)時性，對于RN影響不大，但BN實(shí)時性要求較高，這是由于BN要及時上報車輛位置信息，因此應(yīng)嚴(yán)格管理BN能耗以保證其計算精度和實(shí)時性。針對特種車輛工作特點(diǎn)，BN設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志VS_Flag:00(初始值)-熄火，01-移動，10-工作，11-保留位 (如防撞監(jiān)測功能)。駕駛員啟動車輛和車載定位設(shè)備 (BN)的5秒后，BN將VS_Flag由00變?yōu)?1，當(dāng)車輛到達(dá)工作現(xiàn)場后，將處于低速運(yùn)動或靜止的工作狀態(tài)，此時可通過BN的人機(jī)接口輸入或者上位機(jī)下發(fā)指令兩種方式通知BN車輛進(jìn)入工作狀態(tài)，BN將VS_Flag變?yōu)?0(BN對車輛離開工作現(xiàn)場時VS_Flag的處理方式同理)。為保證定位計算的實(shí)時性，BN在PW_Flag=0的條件下才會監(jiān)控VS_Flag調(diào)節(jié)DC，當(dāng)VS_Flag=00或者10時，BN的網(wǎng)絡(luò)MAC層會調(diào)節(jié)DC，方法是:在協(xié)調(diào)器DC值，即Beacon加載的SO值基礎(chǔ)上，令I(lǐng)N_R=q·SO(q＜1)并取整，之后利用T2啟動AT，當(dāng)AT=IN_R時進(jìn)入休眠，喚醒方式同電池監(jiān)控一節(jié)所述，且同樣規(guī)定AT大于3時BN才能休眠。通過OPNET仿真可見當(dāng)q=2/3時網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)性能表現(xiàn)較好，見圖5。圖6為網(wǎng)絡(luò)區(qū)域DC自動調(diào)節(jié)程序流程圖。

圖6 區(qū)域DC自動調(diào)節(jié)流程

4 網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)計與分析

4.1 OPNET三層模型設(shè)計

本文采用IEEE802.15.4 MAC協(xié)議，以一個停機(jī)位子網(wǎng)為對象建立OPNET三層仿真模型，圖7為網(wǎng)絡(luò)模型。

圖7 OPNET14.5網(wǎng)絡(luò)模型

由協(xié)調(diào)器、終端設(shè)備和路由器構(gòu)成，其中協(xié)調(diào)器為網(wǎng)關(guān)，終端設(shè)備為RN，路由器為BN。RN間距為40m，單個定位區(qū)域約360m×400m，安裝高度為7-9m，根據(jù)特種車輛現(xiàn)場工作要求［2，3］，BN 數(shù)量設(shè)置在2-3，速度在0-15 m/s。

節(jié)點(diǎn)建模如圖8所示，本文所述的MAC層DC控制算法，封裝在DC_MAC模塊。TX和RX模塊是OPNET中的無線收發(fā)機(jī)，符合IEEE802.15.4物理層規(guī)范且發(fā)射功率等參數(shù)按照CC2430實(shí)際參數(shù)設(shè)定［1］。由于本文引入了重傳累計參數(shù)t，設(shè)置了信道碰撞統(tǒng)計線 (虛線)。loc_App模塊模擬定位計算過程包含的各種數(shù)據(jù)，通過設(shè)置數(shù)據(jù)到達(dá)間隔模擬網(wǎng)絡(luò)流量變化。Init_Pro模塊使用OPNET的數(shù)據(jù)池結(jié)構(gòu) (sink)設(shè)計，可以緩存或銷毀數(shù)據(jù)以節(jié)省節(jié)點(diǎn)內(nèi)存，同時具備區(qū)分不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能。各節(jié)點(diǎn)均設(shè)置了Power_Ins模塊，可通過OPNET提供的遠(yuǎn)程中斷和ICI(接口控制信息)機(jī)制仿真節(jié)點(diǎn)實(shí)時能耗情況，同時該還可以模擬節(jié)點(diǎn)電池監(jiān)控系統(tǒng)。

圖8 OPNET14.5節(jié)點(diǎn)模型

進(jìn)程建模如圖9所示，所有節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程模型采用同樣的FSM模型設(shè)計。Ini為強(qiáng)制狀態(tài)，進(jìn)行MAC層初始化，如目標(biāo)地址、協(xié)調(diào)器的設(shè)置，時隙劃分等等;SYCN為強(qiáng)制狀態(tài)，區(qū)分各類節(jié)點(diǎn)的MAC層規(guī)范，最重要的是對Beacon的處理;ID_Pro為強(qiáng)制狀態(tài)，主要進(jìn)行不同節(jié)點(diǎn)對于Beacon載荷區(qū)命令的處理;IDLE狀態(tài)為待機(jī)狀態(tài)，等待定時或事件中斷開始進(jìn)行流量、電量和車輛狀態(tài)監(jiān)控等;NQ_Rep狀態(tài)和BN_Pro、RN_Pro、NG_Pro三個狀態(tài)同時完成了各類監(jiān)控信息對DC的控制;DC控制完成后進(jìn)入CSMA/CA狀態(tài)，從而接入信道進(jìn)行通信。

4.2 仿真結(jié)果和分析

本文采用了OPNET14.5統(tǒng)計模型，對比IEEE802.15.4 DC控制 (曲線A)，網(wǎng)絡(luò)流量自適應(yīng) (曲線B)和MESA三種方法，針對能耗、時延和吞吐量性能仿真，如圖10所示。

仿真結(jié)果表明:MESA對于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有較大的影響，分析其原因:

(1)能耗方面:B和MESA明顯優(yōu)于A，但B沒有考慮獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，使用了全局設(shè)置DC的方法，因此在控制能耗方面不如MESA，且隨著時間的增長，MESA遏制能耗能力更顯著，這是因?yàn)镸ESA通過節(jié)點(diǎn)電池和工作狀態(tài)監(jiān)控引入提前休眠，及時關(guān)閉RF模塊等高耗能組件的結(jié)果。

(2)時延方面:MESA和B引起了時延的增加，這是由于兩者不同程度地下調(diào)DC引起碰撞造成的［14］，同文獻(xiàn)［14］，圖3和10也說明下調(diào)DC降低能耗的同時必導(dǎo)致時延加大，因此兩者應(yīng)綜合考慮不能一味強(qiáng)調(diào)能耗。由于B和MESA都監(jiān)控碰撞情況以反饋調(diào)整DC的效果，因此時延都可以收斂并穩(wěn)定在一定水平而沒有出現(xiàn)震蕩。本文采用CC2430的MAC定時器T2，單位slot長約20微秒［1］，圖10中MESA的時延性能比A降低約4-5slot，該實(shí)時性指標(biāo)本系統(tǒng)是完全可以忍受的 (車速慢，且系統(tǒng)為毫秒級要求)，而在一些實(shí)時性要求更加嚴(yán)格的場合可以通過調(diào)整slot長度來進(jìn)一步減小時延性能降低程度。

(3)吞吐量方面:三種算法在吞吐量方面性能相差不大。MESA曲線較A和B穩(wěn)定震蕩小，一方面由于采用了閉環(huán)DC控制方法，一方面說明區(qū)域調(diào)整引入的提前休眠機(jī)制并沒有明顯導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的問題，是適合本系統(tǒng)的。

5 結(jié)束語

針對機(jī)場特種車輛監(jiān)控系統(tǒng) (CASVMS)現(xiàn)場運(yùn)行出現(xiàn)的問題，提出了一種基于DC控制的MAC層優(yōu)化方法(MESA)。主要思想是:綜合網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前數(shù)據(jù)流量、車輛狀態(tài)和電池狀態(tài)幾方面因素，控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)休眠-活動時間比例，對網(wǎng)絡(luò)DC自適應(yīng)設(shè)置，同時提出了局域DC設(shè)置的方法。利用OPNET建模仿真表明，該算法有效地降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，也在一定程度上表明DC的下調(diào)會導(dǎo)致時延的增加，但是綜合仿真曲線和現(xiàn)場實(shí)際情況表明這些網(wǎng)絡(luò)性能的下降在允許范圍內(nèi)。MESA可以應(yīng)用于與特種車輛定位應(yīng)用背景類似的Zigbee網(wǎng)絡(luò)定位場合，同時對WSN的MAC層優(yōu)化有一定參考價值。

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