摘  要： 在详细分析IEEE802.15.4无线通信标准、其超帧结构、GTS机制的基础上，利用OPNET仿真软件，针对提高实时性的应用要求，重点分析模拟了延时上限这个参数，通过分析实验数据，得到了使系统达到最佳实时性的GTS参数合理配置方法，为实际应用提供了可行的理论参考。
关键词： 无线传感器网络；IEEE802.15.4 标准；GTS机制；实时性；延迟上限

    IEEE802.15.4是针对低速无线个人区域网络（LR-WPAN）制定的通用标准，这个标准定义了物理层和介质访问层[1]。
    为了支持无线传感器网络的实时性应用，IEEE802.15.4标准为之提供了一种时隙保障分配（GTS）机制，数据包得以正确和快速地传输。使用GTS机制需要设备间的时间同步，而IEEE802.15.4中的时间同步是通过一种叫做“超帧”的机制实现的，超帧结构由网络协调器来定义。
    由图1可以看出，超帧是由活动(Active)部分和可选的非活动(Inactive)部分组成的。超帧的活动部分(Active)被分为16个等长的时隙，信标帧在每个超帧的第一个时隙传输，剩下的15个时隙可进一步分为两部分——竞争接入期(CAP)和非竞争期(CFP)。CAP期间的信道接入使用的是CSMA/CA机制[2]来竞争信道使用机会。而在CFP期间，最多可以分配7个GTS。一个GTS可以占用多个时隙，每个GTS中的时隙都指定分配给了申请到该GTS的设备。因此，数据的传输不使用竞争机制，节点可以在该GTS包含时隙内直接进行数据的传输。以网络信标作为每个超帧的边界。超帧长度SD与超帧序号SO的关系为：

    SD=aBaseSuperframeDuration×2SO
    信标间隙BI与信标序号BO的关系为：
    BI=aBaseSuperframeDuration×2BO
其中，aBaseSuperframeDuration=60 symbols×16=960 symbols，BO和SO的值由协调器给定，且应满足0≤SO≤BO≤14。

1.2 GTS数据传输方式
    数据以GTS方式进行传输，MAC层将判断是否存在一个有效的保护时隙。如果设备是PAN协调器，那么MAC层将判断协调器是否存在数据目标设备的接收保护时隙；如果不是PAN协调器，那么该设备MAC层将判断是否被分配了发送保护时隙。如果存在有效的保护时隙，MAC层将根据实际情况产生一个延迟，直到该设备的有效接收保护到来。并在保护时隙内，将数据发送到所指定的目标设备。这时，MAC层将以非CSMA/CA方式传输数据，整个传输和应答过程（如需要确认帧）应在该保护时隙内完成。
2 OPNET仿真模型构建
    OPNET Modeler利用三层建模机制，分别在进程层、节点层和网络层进行“由下到上”的建模。同时在仿真过程中采用了离散事件驱动的模拟机理，能够准确地分析复杂网络的性能和行为。
2.1 OPNET仿真场景设置
    为了研究方便，本次实验中，采用一种基于星型结构的IEEE802.15.4网络，由一个PAN协调器和一个关联设备构成[5]。因为不存在媒体访问竞争，所以这样的网络结构足够反映GTS机制的性能机制，增加额外的设备也不会对仿真结果产生什么影响，GTS所需参数设置如表1所示。此外，在每个超帧结构中只分配一个GTS，并且GTS仅占据一个时隙。同时设置占空比为100%，即SO=BO[6]。

2.2 实验数据
    情况1：根据表1所示的参数列表设置参数属性值，传输数据包(Frame Size)为40 bits，缓冲容量(Buffer Capacity)为4 kbits。将数据包进入FIFO缓冲区时的速度（Arrival Data Rate）分别设置为5 kb/s、10 kb/s、20 kb/s、40 kb/s、80 kb/s和100 kb/s。得到Delay Bound[7]随Superframe Order变化的情况，如图6所示。
    情况2：设置参数属性值，数据包大小为40 bits，数据进入缓冲区时的速度设置为10 kb/s。缓冲区容量(Buffer Capacity)分别设置为0.5 kbits、1 kbits、2 kbits、4 kbits、7 kbits、10 kbits，得到了Delay Bound随SO的变化情况，如图7所示。

2.3 结果分析
    结果表明，当无线传感网网络的应用具有较低的数据传输速率(Data Rate<10 kb/s)、较小的FIFO缓冲区空间(Buffer Capacity<1 kbits)，SO=0时，系统具有最小的延迟特性，即达到最佳实时性；当应用在较高数据传输速率情况(Data Rate≥10 kb/s)、较大的缓冲区空间(Buffer Capacity≥1 kbits)时，SO=2能够让系统保持最佳实时性。
    在信标使能模式下，使用GTS机制可以实现系统的实时性要求。为了获得最佳的实时性，分别探讨了在不同数据传输速率、不同缓冲容量两种情况下的网络延时情况，实验结果表明通过IEEE802.15.4 GTS机制下参数的合理设置，可以得到无线传感器网络的最佳实时性能,为实时性的应用提供了可行的参考。除了通过GTS本身参数的设置获得最佳实时性，下一步工作应考虑通过GTS机制本身的改进去提高系统实时性。
参考文献
[1] IEEE 802.15.4 Standard-2003.Part 15.4：wireless medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications for low rate wireless personal area networks(LR-WPANs)[A]. IEEE SA Standards Board，2003.
[2] KOUBAA A，ALVES M，TOVAR E.A comprehensive simulation study of slotted CSMA/CA for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks[C].Workshop on Factory Communication Systems(WFCS′06)，2006.
[3] ZHENG J，LEE M J.A comprehensive performance study of IEEE 802.15.4[J].Sensor Network Operations，IEEE Press，Wiley Inter Science，2006(4)：218-237.
[4] MILIC J，SHAFI S，MILIC V B.The impact of MAC parameters on the performance of 802. 15. 4 PAN[J].Elsevier Ad hoc Networks Journal，2005，3(5)：509-528.
[5] KOUBAA A，ALVES M，TOVAR E.i-GAME：an implicit  GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4[C].Euromicro Conference on Real-Time Systems(ECRTS′06)，2006.
[6] KOUBAA A，ALVES M，TOVAR E.IEEE 802.15.4：a federating communication protocol for time-sensitive wireless sensor networks[C].Sensor Networks and Configurations：  Fundamentals，Techniques，Platforms，and Experiments，2007.
[7] MISIC J，MISIC V B.Access delay for nodes with finite buffers in IEEE 802.15.4 beacon-enabled PAN with uplink transmissions[J].Computer Communications，2005(28)：1152-1166.