传感器网络中实时通信协议的详细资料分析

　　传感器网络中实时通信的研究

　　近年来，由于能够适应多种现实智能环境，传感器网络得到了快速发展，并以其自组织、自管理、自节能、可靠性高、造价低和适用于恶劣环境等特点，被广泛应用于军事、医疗卫生、环境保护和交通等领域。在一些具体应用中，有时需要对传感器测量信息做出实时反映。比如在医疗中，对于病人血压值的突然升高必须在很短时间内了解并采取措施。在军事打击中，一些重要传感器的数据必须尽快得到处理并能得到快速反应。传感器网络应用于工业自动制造中也有实时性的要求。根据工业自动化系统理论，实时系统分为 3 个等级：低约束级，允许响应时间超过 100 ms；一般约束级，响应时间在 5～10 ms 之间；高约束级，响应时间低于 1 ms。本文以星型为网络拓扑结构，以 IEEE802．15．4 标准和 ZigBee 为基础协议，研究传感器网络中 MAC 协议的实时性能。

　　2 协议分析

　　IEEE 802．15．4 定义了 2 个工作频段，即 2．4 GHz 频段和 868／915 MHz 频段（适合不同国家地区），共分配 27 个具有 3 种速率的信道：在 2．4 GHz 频段有 16 个速率为 250 kb／s 的信道，在 915 MHz 频段有 10 个 40 kb／s 的信道，在 868 MHz 频段有 1 个 20 kb／s 的信道。为了达到网络同步，IEEE 802．15．4 在 MAC 层定义了超帧结构。超帧的格式由传感器网络的协调器定义，有 16 个大小相等的时隙，每个超帧之间由网络信标帧（beacon）分隔，信标帧在超帧的第一个时隙被传输。超帧分为竞争访问周期（ContenTIon Access Period，CAP）和无竞争访问周期（ContenTIon Free Period，CFP）。在 CAP 阶段，设备采用 CSMA－CA 机制竞争信道，设备对信道的访问延迟无法控制，无法实现实时要求，在 CFP 阶段，网络协调器为有实时性要求的设备分配 GTS 时隙，实现实时通信，如图 1 所示。

　　超帧的参数

　　由于 IEEE 802．15．4 允许设备采用节能模式，因而超帧有活动和非活动 2 种状态。在非活动状态下，节点进入休眠模式。这时使用 2 个参数信标帧间隔：一个是信标序号 BO，即信标间隔，要求 0≤BO≤14；另一个参数是超帧序号 SO，并且 0≤SO≤BO≤14。当 BO＝15 时，协调器将不再发送信标帧，并且忽略 SupeRFrameOrder 参数值。协调器只在超帧的活动状态为设备分配 GTS，如图 2 所示。