基于重傳的802.15.4網(wǎng)絡(luò)MAC層丟包率研究*

程宏斌，王曉喃，王海軍，孫　霞，張雪伍

（1.常熟理工學(xué)院 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；2.湖北第二師范學(xué)院 計算機學(xué)院，湖北 武漢 430205）

基于重傳的802.15.4網(wǎng)絡(luò)MAC層丟包率研究*

程宏斌1，王曉喃1，王海軍2，孫霞1，張雪伍1

（1.常熟理工學(xué)院 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；2.湖北第二師范學(xué)院 計算機學(xué)院，湖北 武漢 430205）

為了降低802.15.4網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的丟包率，分析了基于重傳機制的丟包率問題，提出 MAC層節(jié)點工作過程的數(shù)學(xué)模型，并分析推導(dǎo)了節(jié)點主要工作狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率；然后對數(shù)據(jù)幀重傳概率和丟包率進行數(shù)學(xué)分析；最后通過實驗比較了MAC層參數(shù)minBE、NB和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)λ、N、BER對重傳概率和丟包率的影響。結(jié)果表明，與無重傳機制的數(shù)據(jù)傳輸性能比較，節(jié)點丟包率平均降低了88.9%，模型準(zhǔn)確反映了節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸特點，均衡的參數(shù)部署有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸成功率，理論研究為 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用提供了參考。

802.15.4；模型；丟包率；重傳概率

0　引言

低功耗、低復(fù)雜度和短距離通信是無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的主要指標(biāo)。IEEE 802.15.4協(xié)議是無線傳感網(wǎng)應(yīng)用中采用的一個很成功的標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)化研究和實際應(yīng)用受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注［1-4］。由于網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸無線信道的噪聲和信道競爭采用時隙/非時隙載波監(jiān)聽多址接入/沖突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA/CA)算法以便共享，因此，802.15.4媒體接入控制(Media Access Control，MAC)層數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題(如碰撞現(xiàn)象、丟包問題和重傳機制)成為802.15.4網(wǎng)絡(luò)需要優(yōu)化的重要方面之一。

文獻［5-9］通過構(gòu)建802.15.4 MAC協(xié)議的模型分別研究了數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)丟包、數(shù)據(jù)碰撞和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突等性能問題，但是所提出的模型都有待進一步改進。本文重點研究節(jié)點在基于重傳的數(shù)據(jù)傳輸過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換動態(tài)過程，設(shè)計一個基于802.15.4協(xié)議的節(jié)點工作過程數(shù)學(xué)模型，然后研究協(xié)議參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對數(shù)據(jù)幀碰撞、重傳和丟包的影響。

1　基于重傳的丟包率

隨著 IEEE 802.15.4在無線傳感網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，實時可靠的MAC層數(shù)據(jù)傳輸成為評估802.15.4 MAC協(xié)議性能的重要指標(biāo)。而數(shù)據(jù)幀碰撞嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功率，所以減少MAC層數(shù)據(jù)幀碰撞現(xiàn)象和降低丟包率成為優(yōu)化協(xié)議的一個重要方法。

為了解決碰撞造成的數(shù)據(jù)包丟棄問題，在MAC協(xié)議中采用數(shù)據(jù)幀重傳機制，基于重傳的丟包率是在數(shù)據(jù)幀的重傳次數(shù)達到最大重傳次數(shù)值后仍發(fā)送失敗的概率。基于重傳的機制可以一定程度降低數(shù)據(jù)幀的丟包率。

2　MAC建模

在基于信標(biāo)使能的802.15.4網(wǎng)絡(luò)中，采用超幀周期定時的節(jié)點工作周期中，通過合理設(shè)計節(jié)點的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)幀的丟包現(xiàn)象。節(jié)點工作的超幀周期包含休眠期與活躍期兩部分。其中活躍期可以分為信標(biāo)期、退避等待期和數(shù)據(jù)傳輸期。為了降低數(shù)據(jù)幀發(fā)送的碰撞概率，規(guī)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在以下狀態(tài)及時進入休眠，以便改善數(shù)據(jù)傳輸性能：(1)退避等待期如果節(jié)點后退了最大的退避次數(shù)仍然傳輸失敗。(2)活躍期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點沒有傳輸任務(wù)后進入休眠期。(3)按照超幀周期規(guī)定活躍期結(jié)束后進入休眠期。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的非飽和負(fù)載到達過程互相獨立，服從泊松過程(速率為λ)。由于節(jié)點工作過程是一個動態(tài)的離散過程，所以下面利用二維馬爾科夫鏈對節(jié)點的工作狀態(tài)建模，模型如圖1所示。

圖1　單個節(jié)點工作過程模型

圖1中，單個獨立節(jié)點按照超幀周期安排節(jié)點的工作狀態(tài)，H、A、E和D分別是節(jié)點休眠狀態(tài)、節(jié)點后退等待狀態(tài)、節(jié)點信道監(jiān)測狀態(tài)和節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)。概率h和r分別表示節(jié)點兩次信道檢查失敗的概率。而Ai，k表示節(jié)點第i次檢查信道為不空閑后第k個時隙的等待狀態(tài)(i∈［0，maxNB］，k∈［0,Wi-1］)。maxNB是節(jié)點退避等待輪數(shù)NB的極限值。每輪退避等待的時間區(qū)間逐步加長，以減少信道沖突現(xiàn)象，節(jié)點第一輪退避等待的時間區(qū)間 W0=2minBE，其第i次退避等待的時間區(qū)間 Wi為W02i，maxBE-minBE≤i≤maxBE，minBE和maxBE為后退指數(shù)的最大、最小值。g1是節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀后沒有任務(wù)的概率，g2表示節(jié)點休眠期結(jié)束后仍沒有發(fā)送任務(wù)的概率，參考文獻［1］的計算，，Tservice為單位數(shù)據(jù)包的平均服務(wù)時間。

節(jié)點工作過程模型中各個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率和穩(wěn)態(tài)概率方程描述如下［9］：

根據(jù)轉(zhuǎn)移概率，節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、信道監(jiān)測狀態(tài)和后退等待狀態(tài)的總穩(wěn)態(tài)概率推導(dǎo)如下［10-11］：

3　基于重傳的丟包率分析

基于上文對數(shù)據(jù)幀重傳概率和基于重傳的丟包問題的研究，通過實驗來定量分析 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)minBE、NB以及λ、重傳概率、誤碼率和節(jié)點數(shù)N等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)對MAC層丟包率的影響，同時也對本文提出的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)幀的工作過程模型進行評價。

假設(shè)λ為0～100包/s。NB值為4～6，每輪退避后信道檢查次數(shù)CW為2，BE值為2～5。N為15，信標(biāo)指數(shù)BO值為6，超幀指數(shù)SO為4，數(shù)據(jù)包長L為6時隙。BI值為960×0.016×2BO，超幀活躍期為960×0.016×2SO。接收信標(biāo)幀時間為Tb=0.3 slot。1 slot時間值為0.32 ms［2］。下面分析802.15.4MAC子層數(shù)據(jù)幀丟包率性能［12］。

3.1重傳概率

依據(jù)節(jié)點工作過程模型的數(shù)學(xué)分析和推導(dǎo)計算，對節(jié)點的數(shù)據(jù)幀碰撞概率和重傳概率進行分析。如果多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同時檢測到信道空閑，隨后向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，目的節(jié)點發(fā)生數(shù)據(jù)幀碰撞的概率為：p沖突=1－(1－s)N-1，其中s為節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)幀的概率，即是πD。節(jié)點重傳概率可以表示為 p重傳=p沖突×(1-c(m+1))，c為節(jié)點兩次信道監(jiān)測都忙碌的概率。

圖2是數(shù)據(jù)幀重傳概率隨數(shù)據(jù)包到達速率變化的趨勢圖。顯然，隨著λ的增大，重傳概率緩慢地增加。

如圖2所示，NB和BE對重傳概率影響較小，BE越大重傳概率越小，這說明初始后退指數(shù)大時，節(jié)點檢查信道之前后退等待的時間稍長，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點評估信道狀態(tài)不空閑的概率稍小，MAC層碰撞概率稍低。另外，后退次數(shù)NB越大時，重傳概率越小。這是因為設(shè)置大的NB時節(jié)點后退等待的次數(shù)增多，其后退等待時間也相對長些，節(jié)點嘗試接入信道的概率降低，信道發(fā)生沖突的概率自然減小。

圖2　重傳概率隨λ變化

3.2重傳丟包率

圖3為基于重傳機制的數(shù)據(jù)幀丟包率隨數(shù)據(jù)幀到達速率的變化趨勢。從圖中看出，隨著λ的逐漸增大，數(shù)據(jù)幀的丟包率逐漸變大，說明節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送負(fù)載比較小時MAC層的丟包率很低。另外，最小后退指數(shù)minBE越大，有重傳的數(shù)據(jù)幀丟包率越小，這是因為節(jié)點后退等待時間變長之后，一定程度降低了信道的沖突概率，有重傳的丟包率也相應(yīng)降低。而后退次數(shù)NB越大，數(shù)據(jù)幀丟包率越小，這說明節(jié)點檢查信道前的退避時間越長，越可能降低信道沖突，丟包現(xiàn)象相應(yīng)減少。圖3反映出在同等負(fù)載情形下，NB對丟包率的影響比BE大。

圖3　有重傳丟包率隨λ變化

圖4描述了基于重傳機制的數(shù)據(jù)幀丟包率隨重傳次數(shù)的變化趨勢。顯然，重傳次數(shù)越多，丟包率越小，說明多次重傳會提高數(shù)據(jù)幀的成功發(fā)送幾率，這符合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作特點。而且，重傳次數(shù)對丟包率的影響較大。

從圖5中看出，隨著信道誤包率的增大，數(shù)據(jù)幀的丟包率快速的增大。這說明信道質(zhì)量對MAC層的影響很大。另外，圖5反映出在同等信道質(zhì)量狀態(tài)時，BE和NB對丟包率的影響不是很大。例如minBE越小時，節(jié)點后退等待時間相對縮短在一定程度上加重了數(shù)據(jù)幀的碰撞，增大了數(shù)據(jù)丟包率。并且NB越小，數(shù)據(jù)幀丟包率越大。這是因為較小的NB減少了節(jié)點的后退避讓時間，相應(yīng)加劇了信道沖突。

圖4　丟包率隨m的變化

圖5　丟包率隨BER的變化

圖6是有無重傳機制的數(shù)據(jù)幀丟包率比較。從實驗數(shù)據(jù)看出，相對于無重傳機制，有重傳機制的丟包率明顯低得多，數(shù)據(jù)幀丟包率降低了 88.9%左右，這說明加入重傳過程后，MAC層的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率增加幅度很大，有效提高了信道中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖6　有無重傳丟包率比較

基于上述重傳概率和丟包率性能的分析，說明802.15.4協(xié)議參數(shù)對 MAC層的數(shù)據(jù)傳輸有重要的影響?；诒疚奶岢龅墓?jié)點工作過程模型能夠科學(xué)地分析和配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，為 802.15.4網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用提供優(yōu)化依據(jù)。

4　結(jié)語

為了提高802.15.4網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸成功率，本文重點分析基于重傳的數(shù)據(jù)幀丟包問題，研究節(jié)點在MAC層傳輸數(shù)據(jù)的工作過程。通過對該過程建模中節(jié)點主要狀態(tài)的概率分析，分析基于重傳機制下的丟包率，研究協(xié)議參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)對丟包率的影響。研究表明：提出的模型能正確分析節(jié)點的工作特點和丟包率性能指標(biāo)，參數(shù)的均衡配置能夠降低數(shù)據(jù)幀丟包率。下一步針對協(xié)議的核心退避算法，設(shè)計優(yōu)化策略，深入研究協(xié)議的性能和推廣應(yīng)用。

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Research on packet lost rate of MAC layer for 802.15.4 networks based on the retransmission mechanism

Cheng Hongbin1，Wang Xiaonan1，Wang Haijun2，Sun Xia1，Zhang Xuewu1
(1.School of Computer Science and Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China；2.School of Computer，Hubei University of Education，Wuhan 430205，China)

In order to decrease the frame packet lost rate in 802.15.4 network,this paper analyzed the packet lost rate based on the retransmission mechanism,proposed the mathematical model for the working process of network node in MAC layer,and derived the steady-state probability of the main state.Afterwards,this paper carried out the mathematical analysis for the retransmission probability and the packet lost rate.Finally,the effect of MAC layer parameters minBE,NB and network environment parameter λ、N、BER on the retransmission probability and the packet loss rate was compared through the experimental analysis.Experimental results show that the node packet loss rate is reduced by 88.9%,compared with the data transmission performance without retransmission mechanism.And the model could accurately reflect the node data transmission characteristics.Furthermore,equilibrium parameter deployment could effectively improve the data transmission success rate,and theoretical research could provide the reference for 802.15.4 network standard.

802.15.4；model；packet lost rate；retransmission probability

TN926

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.029

國家自然科學(xué)基金(61202440)；江蘇省高校自然科學(xué)研究項目（13KJB420001）

2015-12-18)

程宏斌(1975-)，男，副教授，碩士，主要研究方向：無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能分析與優(yōu)化。

王曉喃(1973-)，女，副教授，博士(后)，主要研究方向：下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議。

王海軍（1977-），男，副教授，碩士，主要研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

中文引用格式：程宏斌，王曉喃，王海軍，等.基于重傳的 802.15.4網(wǎng)絡(luò) MAC層丟包率研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (4)：103-105，110.

英文引用格式：Cheng Hongbin，Wang Xiaonan，Wang Haijun，et al.Research on packet lost rate of MAC layer for 802.15.4 networks based on the retransmission mechanism［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：103-105，110.