ZigBee 在身體傳感器網(wǎng)絡中的適應性評估

高 蕾，曹建忠，黃近秋

(惠州學院a.計算機科學系;b.電子科學系，廣東 惠州 516007)

1 概述

無線通信、微電子和信號處理技術的發(fā)展使身體傳感器網(wǎng)絡(Body Sensor Network，BSN)也迅速發(fā)展。BSN 由可佩戴或可植入的傳感器設備和無線網(wǎng)絡，把從用戶的身體所收集的數(shù)據(jù)傳送到遠程站點［1］。BSN 可以用來監(jiān)測各種生理參數(shù)和信號，如溫度、心率、血壓、血氧飽和度、身體姿態(tài)、腦電圖(EEG)、心電圖(ECG)和肌電圖(EMG)［2］。

BSN 的監(jiān)測，給患者的長期診斷和治療帶來顯著好處，并且盡少地約束患者日?；顒?。它允許患者自由的移動，在醫(yī)院的內(nèi)外都可以提供連續(xù)的監(jiān)測，這對于需要長時間監(jiān)測的患者特別有用。許多心臟疾病都伴隨陣發(fā)性異常，如血壓或心律不齊的瞬態(tài)浪涌，這是使用常規(guī)的監(jiān)控設備監(jiān)測不到的［3］。BSN 可以提供早期檢測和預防此類的病癥，避免后期昂貴的治療［4］。

IEEE 802.15.4 和ZigBee 是在基于產(chǎn)生式事件和低數(shù)據(jù)率通信的無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)中廣泛被采用的標準，目前，也是BSN 最廣泛被使用的標準［5］。然而與無線傳感器網(wǎng)絡不同的是，BSN 通常產(chǎn)生周期性的、頻繁的數(shù)據(jù)密集型流量(如心電圖、腦電圖和身體姿態(tài)數(shù)據(jù))。因此，需要對這些標準是否適合BSN 傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量進行評估。目前，已有研究者針對不同的應用場景對IEEE 802.15.4 和ZigBee 協(xié)議性能進行評估，并給出了評估結果。然而，大多數(shù)評估結果是基于分析模型［6］或仿真［7-8］的。本文從另一方面，通過對多個BSN 的應用場景進行實驗測試，對ZigBee 和IEEE802.15.4 進行性能評估。本文給出的評估方法，考慮到了網(wǎng)絡具體實施中的多種變量，能更加深入地探究和評估系統(tǒng)的性能，而這些變量在其他的理論模型中常常被忽略，如網(wǎng)絡節(jié)點處理的負載等。

文獻［9］介紹了一個基于ZigBee 多跳的BSN 系統(tǒng)，在醫(yī)院環(huán)境中使用佩戴的MICAz motes，病人與血壓、心率監(jiān)測儀相連，使用3 個病人的實驗測試結果沒有數(shù)據(jù)丟失。文獻［10］介紹了一種基于多跳的802.15.4 的BSN 系統(tǒng)，測量急診病人的心率和血液中的氧含量。該系統(tǒng)采用Telos motes 和TinyOS 提供的集合樹協(xié)議(CTP)把測量值轉發(fā)到網(wǎng)關，測得的傳輸率(Delivery Ratio，DR)在99.9%以上。上述2 個系統(tǒng)中只使用了產(chǎn)生低數(shù)據(jù)速率流量的傳感器，本文使用數(shù)據(jù)密集型流量的傳感器，同時時鐘漂移和隱藏節(jié)點效應也被建模和評估。在服務質量(Quality of Service，QoS)中的2 個相關指標是:傳輸率和端到端延時。

2 IEEE802.15.4 標準和ZigBee 協(xié)議

2.1 IEEE802.15.4 標準

IEEE 802.15.4 標準是針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(LR-WPAN)制定的標準，該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設備之間的低速互連提供統(tǒng)一標準［11］。在868/915M、2.4GHz 的ISM 頻段上，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達250 Kb/s。其低功耗、低成本的優(yōu)點使它在很多領域獲得了廣泛的應用。IEEE 802.15.4 標準只定義了PHY 層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。PHY 層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構成。MAC 子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。IEEE 802.15.4 標準定義的LRWPAN 網(wǎng)絡具有如下特點:(1)在不同的載波頻率下實現(xiàn)了20 Kb/s、40 Kb/s 和250 Kb/s 這3 種不同的傳輸速率;(2)支持星型和點對點2 種網(wǎng)絡拓撲結構;(3)有16 位和64 位3 種地址格式，其中64 位地址是全球惟一的擴展地址;(4)支持沖突避免的載波多路偵聽技術(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA-CA);(5)支持確認(ACK)機制，保證傳輸可靠性［12］。

2.2 ZigBee 協(xié)議

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 標準的低功耗個人局域網(wǎng)協(xié)議［13-14］，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。ZigBee 協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡層(NWK)、應用層(APL)等。ZigBee 的底層技術基于IEEE 802.15.4，即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE 802.15.4 的定義。ZigBee 網(wǎng)絡的主要特點是低功耗、低成本、低速率、低復雜度、支持大量節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡拓撲、快速、可靠、安全。ZigBee 網(wǎng)絡中的設備可分為協(xié)調器(Coordinator)、匯聚節(jié)點(Router)、傳感器節(jié)點(EndDevice)等3 種角色，依據(jù)802.15.4 標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點，因此，其通信效率非常高。

2.3 實驗評估平臺

本文測試中使用的硬件平臺是CC2530 開發(fā)套件，由ZigBee 產(chǎn)品領先供應商德州儀器制造。它是基于CC2530［15］的片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)，在同一芯片上集成了微控制器和收發(fā)器。它的微控制器是基于8051 架構，并且收發(fā)器符合2.4 GHz 頻段的IEEE 802.15.4 標準。

實驗采用由德州儀器提供的Z-Stack 版本ZigBee和TIMAC 版的IEEE 802.15.4 協(xié)議棧開發(fā)。使用的Z-Stack 版本是Z-Stack CC2530 2.4.0 1.4.0，它支持ZigBee2007 版的雙堆棧配置:ZigBee 和ZigBee Pro。這個Z-Stack 版本是ZigBee 協(xié)議棧實現(xiàn)2.4.0 版本與IEEE 802.15.4 協(xié)議棧實現(xiàn)1.4.0 版本的組合。本文中的某些實驗只采用了IEEE802.15.4 協(xié)議棧，也就是只采用TIMAC 的協(xié)議棧版本TIMAC-CC530-1.3.1。

3 評估方法和模型

本節(jié)介紹實驗的評價方法和模型。實驗通過分析DR 和爭用延時、時鐘漂移和隱藏節(jié)點問題3 種不同方案，來評估ZigBee 和IEEE802.15.4 的性能。

實驗中使用26 頻道，沒有其他來源(例如WiFi網(wǎng)絡)的干擾，使用頻譜分析儀來驗證。節(jié)點的傳輸功率和位置都被設定以確保不會因為路徑損耗或節(jié)點和協(xié)調器之間的陰影效應影響引起丟包。因為本研究是評估因為碰撞、爭用，時鐘漂移和隱藏節(jié)點引起的傳輸率，在隱藏節(jié)點的測試中，傳感器節(jié)點的信號彼此之間用金屬板阻隔，節(jié)點置于一個消聲室避免多路徑傳播。

實驗中使用的默認參數(shù)是IEEE802.15.4 的非時隙CSMA-CA 算法，3 種評估方案中使用的ZigBee 層的數(shù)據(jù)包共264 位，所有測試完成后，協(xié)調器從終端設備接收到5 000 個數(shù)據(jù)包。本文的測試中使用的是專業(yè)版ZigBee 協(xié)議規(guī)范，使用ZigBee 協(xié)議棧進行同樣的測試，測試結果并無顯著差異。

實驗從多個傳感器模塊組成的身體姿勢監(jiān)控系統(tǒng)提取密集型數(shù)據(jù)，每一個都包含3 個加速度計和3 個磁強計，使用30 Hz 采樣。使用2 種不同的設置，在模式A 中，發(fā)送間隔為200 ms，數(shù)據(jù)包的長度是89 個字節(jié)，包括6 個傳感器和協(xié)議的開銷。在模式B中，傳輸間隔是100 ms，數(shù)據(jù)包的長度是62 個字節(jié)。在其他的BSN 應用中也有類似的數(shù)據(jù)密集型通信，例如患者的心電圖監(jiān)測信號，采樣率可以高達250 Hz［16］。

3.1 傳輸率和延時

這個評估測試方案是在爭用的環(huán)境下測量DR和端到端的延時，多個終端設備同時生成數(shù)據(jù)包發(fā)送到協(xié)調器。DR 為源節(jié)點應用程序成功傳送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量的比值。端到端的延時是數(shù)據(jù)包從源節(jié)點的應用層傳輸?shù)侥康牡毓?jié)點的應用層的時間。

在BSN 中使用星型拓撲結構是比較常見的，但是多跳的樹形拓撲結構在文獻［9-10］中也有介紹。因此，本文的實驗對星型和二跳的樹形2 種拓撲結構進行評估，采用的二跳樹形網(wǎng)絡的拓撲結構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡拓撲結構

實驗分別對Z-Stack 和TIMAC 這2 個支持系統(tǒng)的協(xié)議棧評估。因為IEEE802.15.4 標準沒有對網(wǎng)絡層進行定義，所以測試使用TIMAC 協(xié)議棧，使用終端設備的數(shù)據(jù)包都發(fā)送到特定設備的對等網(wǎng)絡來模擬一個兩跳的樹形拓撲路由器，將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到協(xié)調器。

3.2 時鐘漂移

評估測試方案使用2 個ZigBee 終端設備之間的不同時鐘漂移的模型來評估2 個參數(shù)的持續(xù)時間:干擾時間(Tint)是2 個終端設備因為時鐘漂移使用非時隙CSMA-CA 算法競爭通道的時間;TIntRep是干擾的重復間隔時間。這個模型使用的是IEEE 802.15.4 標準的非時隙CSMA-CA 算法，數(shù)據(jù)包的傳輸時間如圖2 所示。

圖2 IEEE 非時隙CSMA-CA 算法的傳輸時間

發(fā)送周期(TTx)由TBackoff(隨機退避間隔)、TTA(收發(fā)器周轉時間)、TPacket(數(shù)據(jù)包傳輸時間)、TACK(ACK 的傳輸時間)組成。在IEEE 802.15.4 標準中，收發(fā)器周轉時間是192 μs，ACK 的傳輸時間是352 μs，數(shù)據(jù)包傳輸時間取決于負載。

每個終端(EDn)都被連接到協(xié)調器(基站)，去測量在周期(T)中增加或丟失的振蕩(ticksdrifted)，并與協(xié)調器的時鐘做比較?；?BS)和終端設備n之間的時鐘漂移可以通過式(1)計算。

其中，F(xiàn)osc為CC2530 的標稱時鐘頻率(32 MHz)。不考慮各自相對基站的絕對時鐘漂移，可以得到終端ED1 到終端ED2 的差分時鐘漂移公式，如式(2)所示。

非同步的具有相同標稱周期的終端設備傳輸周期性的業(yè)務，由于時鐘漂移的影響最終將競爭無線信道。如果ED1 和ED2 之間的差分時鐘漂移是DED1，ED2，節(jié)點的標稱傳輸周期是TED，那么這2 個節(jié)點每隔TIntRep秒將爭奪無線信道，如式(3)所示。

2 個終端設備競爭通道的干擾時間TInt可由式(4)得到，式中TVul代表脆弱時間窗。2 個節(jié)點在傳輸中彼此干擾的脆弱時間窗如圖3 所示。

圖3 時鐘漂移評估方案的脆弱時間窗

式(5)和式(6)分別表示設備ED1 和ED2 干擾期間開始和結束的時間。

其中，TBackoff_min是最小退避時間，等于0;TTx_max是發(fā)送一個數(shù)據(jù)包并接收到應答需要的最長時間，使用最大退避周期TBackoff_max計算(TBackoff_max=2.24 ms);tEDn和分別是設備n 啟動CSMA-CA 算法的開始和結束時間。從得到TVul的計算公式如下所示:

為了驗證模型，評估實驗由2 個終端設備組成的ZigBee 網(wǎng)絡使用星型拓撲結構以模式B(TED=100 ms)向協(xié)調器傳送數(shù)據(jù)包。這種情況下，數(shù)據(jù)包的傳輸時間是1.984 ms。為了更好地觀察干擾和干擾重復間隔，在隱藏節(jié)點的情況下，ACK 機制被禁用，這種情況下:

3.3 隱藏節(jié)點問題

在這個測試中，2 個ZigBee 終端設備彼此隱藏，在星型網(wǎng)絡拓撲結構中的使用傳輸模式B 傳送數(shù)據(jù)包。為了分析最壞的情況，節(jié)點根據(jù)協(xié)調器發(fā)送的觸發(fā)信號同時產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，不啟用ACK 機制。

最小傳輸周期(TTx_min)等于TBackoff_min(0)。最大的傳輸時間(TTx_max)等于TBackoff_max(2.24 ms，對應7 個單元的退避時間)。在這個測試中，當協(xié)調器觸發(fā)2 個終端的傳輸數(shù)據(jù)包，傳輸時間是1.984 ms。除非ED1 和ED2 的傳輸周期分別等于TTx_min和TTx_max，否則相應發(fā)送的數(shù)據(jù)包不會發(fā)生碰撞。這種情況出現(xiàn)的概率(pTX)如式(9)所示:

其中，pBackoff_min和pBackoff_max都等于1/8，因為它們是一個有8(0～7)種可能性的離散均勻分布。因此，pTX等于3.125%。這個值和未啟用ACK 機制的預期的DR 相符。

4 實驗結果與分析

4.1 傳輸率和延時

測試使用Z-Stack 的兩跳的樹形拓撲結構，并啟用ACK 機制來觀察路由器的阻塞問題。使用包嗅探器，發(fā)現(xiàn)路由器轉發(fā)數(shù)據(jù)包只需幾秒鐘，繼而阻塞約8 s，待路由器可用后，這個過程重復繼續(xù)。對于其他情況做了幾個測試，驗證了這個問題只發(fā)生在路由器高流量負載的情況即:數(shù)據(jù)包數(shù)量大于2 000個時路由器都會有5 s～8 s 的阻塞。

這個問題是因為當MAC 層不斷接收數(shù)據(jù)包時，路由器過載，不能夠處理在NWK 層的數(shù)據(jù)包轉送。因此，為了評估路由器沒有堵塞時的傳輸率和延時，實驗中把協(xié)調器接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量從5 000 個逐步縮減到1 000 個，每次減少100 個數(shù)據(jù)包。當數(shù)據(jù)包低于2 000 個時，路由器對NWK 的數(shù)據(jù)包轉送時延沒有明顯變化。為確保路由器不會因數(shù)據(jù)包過多而阻塞，實驗中將數(shù)據(jù)包數(shù)量確定為1 000。

使用Z-Stack 測得的傳輸率與傳感器數(shù)目之間的關系如圖4 所示。對于星型拓撲結構，使用ACK機制時傳輸率接近100%。但是使用3 個～5 個終端設備的2 跳的樹形拓撲結構，傳輸率要低一些，大約是96%。這個原因是因為終端設備產(chǎn)生的高流量負載，路由器觸發(fā)路由維護協(xié)議，導致頻繁啟動路由發(fā)現(xiàn)過程(平均每5 秒)。這個過程持續(xù)約250 ms，由于緩沖器溢出造成丟包，迫使路由器中斷數(shù)據(jù)包轉發(fā)。當ACK 被禁用，隨著傳感器節(jié)點數(shù)量的增加，在這兩種拓撲結構中DR 都顯著減小，這符合模型的預期值。

為了把TIMAC 協(xié)議棧和Z-Stack 的性能進行比較，因為TIMAC 具有較小的協(xié)議開銷，數(shù)據(jù)包的長度等于在Z-Stack 引進偽字節(jié)的測量值。使用TIMAC測得的DR 與傳感器數(shù)目之間的關系如圖5 所示。

圖4 使用Z-Stack 測得的傳輸率與傳感器數(shù)目之間的關系

圖5 使用TIMAC 測得的傳輸率與傳感器數(shù)目之間的關系

可以看出，啟用ACK 機制，使用TIMAC 測得的結果比使用Z-Stack 要差，因為Z-Stack 如果在MAC層未成功傳送數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)絡層可以重發(fā)一次。不啟用ACK 機制的實驗結果表明對于樹形拓撲結構用Z-Stack 性能要好些，因為路由器的網(wǎng)絡層對接收到的數(shù)據(jù)包具有緩沖功能，在競爭低的時候轉發(fā)數(shù)據(jù)包。而在TIMAC 中，模擬路由器的應用程序接收到數(shù)據(jù)包立即就轉發(fā)。

圖6 和圖7 分別是實驗測得的端到端延時的平均值和最大值與傳感器節(jié)點數(shù)目的關系，分別使用Z-Stack 和TIMAC，并啟用ACK 機制。使用TIMAC的延時低于使用Z-Stack 的延時，因為TIMAC 引入的處理負荷比較低。和模型預期的一樣，因為爭用、碰撞和重傳，延時隨著節(jié)點數(shù)目的增加而增加。具有3 個～5 個節(jié)點的Z-Stack 樹型拓撲激活路由維護協(xié)議，導致網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)包緩沖，ZigBee 網(wǎng)絡的最大延時顯著增加。

圖6 平均延時與傳感器節(jié)點的關系

圖7 最大延時與傳感器節(jié)點的關系

4.2 時鐘漂移

終端設備n 和基站之間的差分時鐘漂移(DBS，EDn)如表1 所示。

表1 終端設備n 和基站之間的差分時鐘漂移ppm

選擇終端設備0 和1 進行測量和模型驗證，差分時鐘漂移DED1，ED0=3.5 ppm，代入到式(4)，得到Tint值等于40 min。代入到式(3)得到TIntRep的值為7 h 56 min。圖8 顯示了本次測試中2 個隱藏節(jié)點的星型拓撲時鐘漂移傳輸率。這個實驗從18:15:10開始，第2 天的13:02:44 結束。在無干擾時段，傳輸率多數(shù)為100%。在干擾周期DR 開始減少，在2 個設備同時數(shù)據(jù)包時達到最小值，然后又增大，直到干擾結束，干擾時期持續(xù)了約40 min。干擾的重復間隔是大約7 h 53 min。測得的Tint與理論模型預測的值相相符，測得的TIntRep有6%的誤差。

圖8 2 個隱藏節(jié)點的星型拓撲時鐘漂移傳輸率

4.3 隱藏節(jié)點問題

在這個評估方案中，啟用ACK 機制實驗測量到的DR 為90%。不啟用ACK 機制的結果是13%，這接近圖8 所示最低的傳輸率。之前在同樣的條件下測量沒有隱藏節(jié)點的兩個終端設備，啟用ACK 機制和不啟用ACK 機制的傳輸率分別為100%和91%(見圖4)。因此，與沒有隱藏節(jié)點的實驗結果相比，具有隱藏節(jié)點的傳輸率急劇下降。這些結果表明，在競爭的情況下，有2 個隱藏終端設備構成的簡單網(wǎng)絡傳輸率要低很多。隱藏節(jié)點越多，網(wǎng)絡性能越差。這嚴重危及網(wǎng)絡的可靠性，使得它無法滿足BSN 應用程序的QoS 的要求。

在本文實驗中不啟用ACK 機制測得的傳輸率是(13%)，高于前一節(jié)理論分析(3.125%)預測的值。為了找到產(chǎn)生這個差異的原因，本文分析實驗的日志文件，理論分析假設協(xié)調器只接收從節(jié)點發(fā)送的沒有碰撞的數(shù)據(jù)包，這只有當節(jié)點1 在TBackoff_min和節(jié)點2 在TBackoff_max執(zhí)行CSMA-CA 時才有可能。在原則上，協(xié)調器是不可能只從一個節(jié)點接收數(shù)據(jù)包的，這使得傳輸率增加。使用數(shù)據(jù)包嗅探器，可以觀察到在觸發(fā)時，2 個節(jié)點發(fā)送它們的數(shù)據(jù)包，如果其中一個節(jié)點被禁用，協(xié)調器從另一個節(jié)點接收所有數(shù)據(jù)包。

實驗也顯示，如果該節(jié)點的傳輸功率用兩個節(jié)點接收功率相同的方式進行協(xié)調控制，傳輸率減少;如果使用不同的功率接收數(shù)據(jù)包，傳輸率增加。所以得出結論，理論和實驗結果之間的差異可能與俘獲效應有關。因為碰撞，如果其功率比干擾數(shù)據(jù)包功率大得多，數(shù)據(jù)包可以被成功地接收。

5 結束語

本文對ZigBee 和IEEE802.15.4 標準在BSN 應用中進行實驗性能分析，特別強調在高流量負載條件，研究基于德州儀器的Z-Stack 和IEEE802.15.4(TIMAC)。傳輸率和延時方案的實驗結果表明，在2 跳的樹型拓撲結構中，高負載持續(xù)時期可能導致的ZigBee 路由器啟動發(fā)現(xiàn)過程，對傳輸率和延時帶來負面的影響。路由器阻塞問題，可能會造成高流量負載持續(xù)幾秒。從時鐘漂移實驗結果分析表明，由于節(jié)點間很小的時鐘漂移，干擾可能會持續(xù)很長一段時間，實驗結果接近時鐘漂移預測模型。從隱藏節(jié)點方案的實驗結果表明，在競爭的情況下，由2 個隱藏終端設備構成的簡單網(wǎng)絡傳輸率要低很多。隱藏節(jié)點越多，網(wǎng)絡性能越差。盡管實驗是在爭用最壞的情況下完成，只使用2 個終端設備同時產(chǎn)生數(shù)據(jù)包。多個隱藏節(jié)點結合時鐘漂移的影響可能會導致長期的網(wǎng)絡可靠性問題。

BSN 網(wǎng)絡應用要符合QoS 的指標要求，實驗結果表明，需要一種機制來分配由數(shù)據(jù)密集型設備產(chǎn)生的流量負載，以防止基于ZigBee 的BSN 中路由器過載、時鐘漂移和隱藏節(jié)點問題，也可以通過對ZigBee 路由協(xié)議的修改，使之在路由競爭的情況下滿足QoS 的指標要求。

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