无线传感器网络的Mac协议实现

文摘

内部IEEE 802.15.4是一个重要的标准提供服务低速率无线个人区域网络(LRWPAN)。内部IEEE 802.15.4提供了一个灵活的MAC协议,提供服务为数据传输提供了良好的效率通过调整其参数根据不同的应用程序的特征。本标准在本研究工作中,一些限制是解释和改善交通效率的优化提出了MAC层。实现细节仔细好几块通信系统的建模。协议的实现是通过使用硬件描述语言(VHDL)的语言。分析给出了一个完整的理解的行为MAC协议关于补偿延迟、数据丢失概率,拥塞概率,槽有效性和交通分配终端。两个概念提出和测试来提高效率的CSMA / CA内部IEEE 802.15.4 MAC层提供服务的机制。为主,我们动态地调整补偿指数()根据队列级别的每个节点。其次,我们不同的数量连续clear channel评估(CCA)数据包传输。我们还表明,槽增强的MAC协议提供的补偿可以大大避免未使用的插槽。 The results show the significant improvements expected by our approach among the IEEE 802.15.4 MAC standards. Synthesis results show also hardware performances of our proposed architecture.

1。介绍

内部IEEE 802.15.4标准提供服务在越来越多地使用各种各样的嵌入式无线传感和控制应用程序。这个标准(1是独特的设计来满足低速率无线个人区域网络的需求,使无线传感器网络(WSN)的应用程序。轮采用多个域监测工业、医疗、或环境的世界。事实上,他们添加功能来调查对象和信息交流。传感器网络试图引入低能耗的MAC协议。MAC层的传感器节点提供了一个模块的消费者数量的能量。尤其是内部访问通道,IEEE 802.15.4 MAC协议提供服务使用CSMA / CA算法和有一个高概率发生碰撞和重传。内部的802.15.4信标提供服务启用模式让许多碰撞。如果发生碰撞,CSMA / CA算法执行传输操作。然而,在网络,传输操作能耗高。

许多文学的贡献一直专注于提高MAC协议,以减少能源消耗和提高网络生命时间。的研究思路的提出2]表明,延长网络生存期明显可以应用分布式聚类方法,负载平衡的优势。另一种方法来减少数据传输以节约能源的数量提出了(3]。建议的解决方案的基本思想是防止不必要的醒来的节点通过唤醒时间根据收集的信息从它的邻居。工作/节点睡眠调度策略也在利用(4]。它利用节点的依赖性减少所需工作抽样和数据传输和证明这样的减少必然会节约能源。提出策略引用下面是基于减少数据传输的数量。为了实现这一目标,需要补充节点之间交换信号作用包。在本文中,我们演示的重要性不仅减少数据传输也重新传输计数造成的CSMA / CA的行为过程。因此,MAC协议可以保证节能需求通过最小化拥塞概率,倒扣延迟,和重传。

我们的建议解决方案的实施的细节增强算法的一个通道访问内部IEEE 802.15.4 LRWPAN提供服务公开。该算法认为一个单一的中央控制器的星形网络拓扑结构,称为锅协调员,在每个节点的跳。访问信道,每个节点设置默认值(倒扣指数)和连续波(竞争窗口)。在交通转移动态地修改这些参数取决于队列状态和传输速度。所以倒扣在总网络延迟是显著降低。我们的重点是提出一种硬件描述语言(VHDL)算法为数据传输开发内部IEEE 802.15.4 MAC协议提供服务。发达算法模拟和验证在星型拓扑有多个发射器和一个接收器。我们评估后表现的MAC协议CSMA / CA算法的增强的条件下。

的行为提出了CSMA / CA算法模拟然后使用Xilinx ISE再次合成和模拟。采用FPGA由于其并行体系结构和实现的灵活性。FPGA是半导体器件包含可编程逻辑组件和可编程的互联。这方面提供了一个简单的配置的硬件结构的优势。它还提供了用户的机会形成自己的结构在一个FPGA处理一个特定的应用程序获得最佳性能。

论文的结构组织如下:部分2描述了一些内部IEEE 802.15.4。提供服务的特点部分3解释了MAC协议规范。部分4给了CSMA / CA算法的细节。节5,我们介绍相关工作的概述。本节确定一些问题在当前标准和文献中提出了建议解决方案。部分6描述了建议解释内部改进MAC协议的IEEE 802.15.4。提供服务节7我们给不同的功能块的细节描述和交互的CSMA / CA算法。节8从不同的场景,我们的仿真结果,解释和评价。介绍了部分硬件的结果9。最后,部分10总结了纸和给未来工作愿景。

2。IEEE 802.15.4的概述

2.1。设备类型

两种不同类型的设备中定义一个内部IEEE 802.15.4网络提供服务。全功能设备(FFD)支持的协议的无线传感器网络的标准定义。减少功能设备(RFD)为有限的功能提供了低成本和复杂性。通常用于网络边缘设备的功耗非常低。

当使用星型拓扑结构,独特的中央FFD设备定义和操作盘协调员。这协调员将管理整个网络,所有的数据必须通过它传播给任何目的地。结果是,它需要更多的内存和权力。

2.2。内部IEEE 802.15.4无线个域网关系提供服务

内部IEEE 802.15.4是IEEE的一部分家庭提供服务的标准为物理和MAC层无线个人区域网(WPANs)。重点区域内部IEEE 802.15.4是低数据率WPANs提供服务,较低的复杂度和严格的能耗要求。成本效益的标准设计,低功耗,干扰小的技术。

这种技术作用于相同的2.4 GHz ISM波段WiFi,蓝牙,WiMax。根据环境和权力用于传输,IEEE 802.15.4的无线设备预计将在10到75米。无线个域网联盟是一群400多家成员公司,维护和发布技术标准。ZigBee无线个域网联盟是一个注册商标。IEEE定义了物理和介质访问层,而无线个域网联盟定义网络和应用程序层。集团认识到,不同无线技术的共处在同一频率可以在网络运营产生重大影响5]。

2.3。MAC层

内部的802.15.4标准定义了数据链路层提供服务(DLL)和物理层(体育)协议支持传感器设备以最小功率消耗和操作在有限的区域。两层提供可靠的网络节点之间的通信通过避免碰撞,提高效率(6]。DLL分为两个子层、介质访问控制(MAC)和逻辑链路控制子层(LLC)。有限责任公司标准化在IEEE 802.2和IEEE 802标准中比较普遍。MAC层上层和PHY层之间提供了一个接口。它负责验证使用承认帧交付。它也负责维护节点同步,控制协会,并选择时间段保证机制。此外,MAC层处理通道采用CSMA / CA的访问机制。CSMA / CA协议是一个重要的信道访问机制,考虑到低数据率内部采用802.15.4。提供服务这种机制评估通道,允许数据包传输条件是否合适(自由活动)。否则,算法应当重新评估特定时间之前通道。 Details of MAC layer characteristics are presented in the following paragraphs.

3所示。内部IEEE 802.15.4 MAC协议提供服务的概述

在下面我们将描述内部IEEE 802.15.4 MAC子层提供服务,因为我们的提议是一个增强。

3.1。IEEE 8.2.15.4 MAC帧

3.1.1。MAC帧结构

见图1在MAC层帧结构定义为MAC协议数据单元(MPDU)封装在数据服务单元的PPDU框架。MPDU定义了MAC层的框架结构。每一帧包括以下基本的字段。(我)MAC头,它包括框架控制域(自由现金流量),持续时间、地址和控制信息序列。自由现金流量是用来通知收件人什么类型的包他刚收到,地址信息是如何存储的。地址字段可以排除或由20个字节根据8帧的类型。(2)可变长度的帧的身体,包含特定于框架的信息类型。(3)一个帧校验序列(FCS)包含一个循环冗余码(CRC) MPDU的校验和。框架结构设计使复杂性降到最低,同时使它们足够健壮的噪声信道上进行传输。每一个协议层增加了结构层特定的页眉和页脚。本标准定义了四个框架结构。(我)信标帧,使用由一个协调器发送信号。(2)数据帧,用于所有传输的数据。(3)帧接收应答帧,用于确认成功。(iv)MAC命令帧,用于处理所有MAC对等实体控制转移。

3.1.2。信标帧

在启用信标模式下,信标传输位置0开始时不使用CSMA / CA。事实上,协调员定期发送信标同步所有附属设备,识别,并宣布超帧结构来管理通信终端设备协调员。超帧的第一部分是开槽和CSMA / CA作为信道访问机制,而第二个是由槽用于特定节点的网络协调器。灯塔包含信息处理领域,超帧规范,GTS字段,等待地址字段,等等。在启用非指标模式,没有灯塔,超帧传输。信道访问基于无槽的CSMA / CA。

信标帧格式如图2。

3.2。通信协议

无线个域网网络中的数据传输机制支持两种操作模式:有或没有信标模式下启用。选择的操作模式是潘协调员。节点之间进行通信的数据包,无线个域网MAC协议可以使用GTS(保证时间槽)和CSMA协议。在GTS的方案中,它使用TDMA协议减少空闲监听,大大降低能源消耗。

当设备希望启用非指标模式传输数据,它只是传送数据帧,使用无槽的CSMA / CA,协调员。协调承认成功接收的数据传递一个可选的确认帧。交易已经完成。

当设备希望传输数据到一个协调员在灯塔启用模式中,它首先侦听网络信标。信标时发现,设备同步的超帧结构。在适当的时候,设备传输数据帧,使用开槽CSMA / CA,协调员。协调器可能承认成功接收的数据传递一个可选的确认帧。这些序列在图3。

3.2.1之上。非指标启用模式

在非指标启用模式下,周期性信标帧的生成是禁用的。因此,设备简单地传送数据帧使用无槽的CSMA / CA协调员。只锅协调员负责处理设备协会/分解。启用非指标模式的优势,对WSN应用程序需求,是它很容易就让可伸缩性和自组织。然而,非指标启用模式并不提供任何保证交付数据帧,特别在一定期限。

3.2.2。灯塔启用模式

灯塔启用模式使得内部IEEE 802.15.4协议提供服务足够灵活,能够执行各种各样的应用程序的需要。它有能力提供保证实时性能的网络。这种模式提供了分配/释放时段的可能性在一个超帧,称为保证时段(gts),提供可预测的最小服务保证。

启用了信标模式使用灯塔是定期发送的协调员来识别其平移和同步节点与它相关联的。内部指引同步机制在IEEE 802.15.4使网络能够提供服务工作在一个可控的工作周期取得更好的能源效率比非指标启用模式。在信标使模式的情况下,被认为是一个超帧格式。的描述后的超帧结构提出了一个段落。

每个超帧由信标帧定界。信标间隔(BI)定义了连续两个信号之间的时间,包括一个活跃的时期,可选地,一个不活跃的时期。超帧分为16个同样大小的时间段,在这期间允许帧传输。在活动期间(如果它存在的话),所有节点可以进入睡眠模式,从而节约能源。

3.2.3。工作周期

在设计网络的MAC层高度重视能源以来被认为降低功耗提出了一种无线传感器网络中关键的资源。S-MAC,麦迪,U-MAC OD-MAC是基于工作周期的MAC协议,可以指定睡眠和唤醒的时间框架内的网络节点(7]。内部IEEE 802.15.4提供提供服务也为节能机制。此功能只有在信标使模式时,薄熙来(macBeaconOrder)是不同的(macSuperframeOrder)(所以< BO)。它使睡眠/觉醒机制以来在WSN节点不需要保持清醒。他们可能操作在短时间内收集到的发送或接收数据。这种机制允许设备在睡眠时间节省电力。潘协调员是唯一的设备可能需要一直保持活跃,如果管理许多集群的节点;在这种情况下应该是主要动力。

根据标准,典型的应用程序内部IEEE 802.15.4设备预计运行提供服务工作周期很低(低于1%)。如果工作周期没有正确设置(例如,太短),它可能会增加传输延迟。因为睡眠时间数据可能要等到下一个超帧的活跃部分开始传播,这一次可以计算超帧持续时间之间的比例和信标间隔有关薄熙来,所以通过以下方程: 在哪里macBeaconOrder(BO)的值给协调员必须发送信标帧的时间间隔。macSuperframeOrder(所以)给活动部分超帧的长度,其中包括信标帧。

3.3。超帧结构

超帧结构如图4。由两个信标传输超帧是有界的。它由两部分组成,一个活跃的部分和一个不活跃的部分。的活跃部分超帧应分为16个等距的插槽,这被称为超帧槽。灯塔间隔的长度(BI)和超帧持续时间(SD)是由两个薄所以MAC属性。灯塔间隔定义整个超帧的长度定义如下:BI =基本超帧持续时间* 2波符号为0≤BO≤14。

活跃的时期被定义如下:SD =基本超帧持续时间* 2所以符号为0≤≤BO≤14。

如果是=薄⟹SD = BI然后超帧总是活跃。如果博= 15,锅在所谓的非指标使运营模式不使用超帧结构。在这种情况下,所以的价值将被忽略。

3.3.1。不活跃的部分

活动期间持续时间取决于SD和BI参数。为了节约能源,节点可以进入一个低功率(睡眠)模式在不活跃的部分。节约能源可以通过实施大型活动时期,然而,增加通信延迟。因此,薄熙来,所以是平衡的关键参数的实时性能和节约能源内部IEEE 802.15.4基于网络提供服务。睡眠部分也是可选的,它使用网络,节点不需要清醒。

3.3.2。活跃的部分

内部IEEE 802.15.4标准修复这期间提供服务960符号(对应于一个象征4比特)。这个值对应于15.36毫秒,假设2.4 GHz频段的250 kbps。的活跃部分超帧包含的焦点访问期间(CAP)和争用空闲时间(CFP)。

(1)帽子。帽,数据传输的任何设备应当遵循的成功执行开槽CSMA / CA机制。两个数据传输模型中定义帽,间接为下行数据传输和上行数据直接传输。争用访问期间(CAP)长度计算由以下方程:

然而,一个最小长度的限制aMinCAPLength(440)符号必须保证和仍然是基于竞争希望访问其它网络设备或新设备加入网络。一个例外最低不得住宿的临时增加信标帧长度需要执行GTS维护。

(2)CFP。争用空闲时间(CFP)时期,通道保留,可以使用专门的保留节点。因为随机存取不适合实时周期交通,CFP时期所使用的是可选的,低延迟应用程序或应用程序需要特定的数据带宽。事实上,它被激活要求从一个节点到锅协调员分配时间槽根据节点的要求。在收到该请求后,潘协调员检查是否有足够的资源,如果可能的话,分配请求的时段。这些时段被称为保证时段(gts),构成了CFP。他们总是放置在活跃的超帧从一个插槽边界后帽。如果可用的资源是不够的,GTS请求失败。相应的节点发送数据帧在帽。

GTS技术是基于轮询,由一个集中的点协调员。每个节点可以分配到两个gts(一个用于接收和一个用于传输)。锅协调员可能分配最多七GTS同时,和一个GTS可能占领多个超帧槽。gts分配应位于CFP占据相邻的位置。因此,CFP应当在活跃部分动态地增加或减少取决于所有当前现有的gts的总长度。TDMA机制应用在使用GTS管理。

4所示。CSMA / CA

避碰的载波监听多路访问(CSMA / CA)是广泛用于无线网络由于其简单性和性能效率。已经采用的介质访问控制协议等标准IEEE 802.11无线局域网络(无线局域网),内部IEEE 802.15.3, IEEE 802.15.4无线个人区域网络提供服务(WPANs)。CSMACA变异采用这些标准提供鲁棒性与不稳定的信道条件和能力高于其他随机存取算法(7]。

开槽CSMA / CA应当首先初始化注,连续波,是。的是应的值初始化为macMinBE。然后,开槽CSMA / CA定位下一个倒扣的边界。应当推迟一随机数完整的补偿时间。接下来,它要求PHY执行CCA。最后要开始一段倒扣边界。详细,倒扣柜台到期后(达到零),节点必须执行两个clear channel评估(cca)在传输之前。两个CCA操作确保预防潜在的碰撞。发生传播如果cca都是成功的(感觉通道空闲)。如果通道评估是忙,MAC子层增加了注和是1、确保是应当不超过macMaxBE。它还应当重置连续波2。如果该值注小于或等于macMaxCSMABackoffs,开槽CSMA / CA算法应当回到步骤2图5(随机时间)。如果该值的注大于macMaxCSMABackoffs,开槽CSMA / CA算法终止与一个通道访问失败状态。如果空闲信道评估,有槽的MAC子层CSMA / CA系统应确保竞争窗口已经过期之前开始传播。为此,MAC子层应当首先减量连续波,然后确定它是否等于0。如果它不等于0,割缝CSMA / CA算法应当返回步骤3在图5。如果= 0,MAC子层应当开始传播的框架下一个倒扣的边界周期(8]。表1显示范围和默认值是。

此外,在CSMA / CA模式基于确认内部IEEE 802.15.4支持可选的重传方案提供服务。当启用了重发,接收者节点必须发出一个积极的确认后接收数据帧。如果确认没有(正确地)接收到发送方,启动重新传输,除非达到的最大值。在这种情况下,数据帧被删除。最大重传重试可以设置0到7之间的默认值3。如果发生碰撞,CSMA / CA算法执行传输操作。所以它是非常重要的减少传输计数。BP的时期,称为补偿期间,等于80位或0.32 ms。英国石油公司必须结合每个超帧的开始。所有CSMA / CA操作必须对齐也与英国石油(BP)的时期。 Prior to transmission the node must ensure if there is sufficient time left in the CAP for the transmission and any consecutive acknowledgments packets, if positive feedback option is selected.

对无槽的CSMA / CA算法是一样的割缝CSMA / CA除了缺乏CCA的一步。工作提出了只考虑槽内部CSMA / CA的IEEE 802.15.4。提供服务然而,该算法可以很容易地用于无槽的算法的情况下,因为他们的基本操作是相似的。

5。相关工作

内部现在802.15.4是一个提供服务关键技术发展的无线传感器网络(网络)。因此,许多研究在这一领域已经出现。表演通常是通过仿真验证行为。许多这样的研究研究了CSMA / CA机制的性能并提出了不同的补偿算法。鉴于作者的一些工作概况及相关命题的总结在以下段落。

在大多数研究工作,内部改进IEEE 802.15.4 MAC协议提供服务的性能评估,与现有的方法相比,使用仿真工具NS2等OPNET,或者OMNET。文献[9)提供了一个密集的调查所做的工作发现各种内部人员在IEEE 802.15.4 / ZigBee标准提供服务,和许多的作品指出,这种网络的局限性是MAC不可靠的问题。本文的作者解释的不可靠性问题的根源,发现他们起源于CSMA / CA的MAC协议,这是无法有效地管理竞争信道访问。他们列出了可能的解决方案,可以减少不可靠等问题预定义的参数设置和自适应机制。工作了,(10)旨在比较三种不同的算法推导最优设置内部的802.15.4传感器网络提供服务以保证应用程序的可靠性要求以最小的能源消耗。考虑算法采取不同的方法,即离线计算,基于模型的适应,计量的适应。在文献[11)的研究倒扣指数(是)管理内部的CSMA / CA 802.15.4进行提供服务。本研究显示以下:BEs确定补偿期设备的数量应当等待访问通道。功耗需求CSMA / CA使用更少的喜神贝斯选择相同的喜神贝斯的概率增加一些设备。因此,等待相同数量的补偿时间可以发生。这种低效率会降低系统性能在拥挤场景通过引进更多的碰撞。然后,重要的是小心谨慎当修改参数设置。工作了(12]研究了各种参数对网络吞吐量的影响。它已经表明,高超帧命令提供更好的网络吞吐量比低超帧命令。另一方面,低所以,薄熙来值降低平均延误情况下提供高负载。同时,增加macMinBE将导致相对较低的网络吞吐量显著提高成功概率但更有效的避碰。此外,一个叫做EBA-802.15.4MAC算法,增强了割缝CSMA / CA算法的性能在13]。这一命题的目的是解决问题的访问。事实上,节点不选择补偿指数随机标准但他们所选择的值,可10 - 50%的实际补偿延迟随机选中的节点。通过应用这种想法,碰撞是最小化,因为两个节点的概率选择相同的补偿期间将很低。此外,Koubaa et al。8)进行了模拟评价的影响不同的配置参数,包括macMinBE/macMaxBE信标模式操作的性能,内部IEEE 802.15.4 MAC和观察到提供服务的丢包率灯塔启用网络可以减少成本的增加数据包延迟通过增加macMinBE/macMaxBE值。此外,Bhat [14观察到,在饱和条件下在信标使网络超过4个节点,增加macMinBE/macMaxBE分别值从3/5到4/6,提高了网络吞吐量。

在[15),提出了内部IEEE 802.15.4协议提供服务以满足低延迟和低能耗需求的无线应用程序。内部评估IEEE 802.15.4割缝CSMA / CA提供服务信道访问机制,一种实用、准确的离散马尔可夫链模型,它可以动态地代表提出了不同的网络负载。通过计算稳态概率分布的马尔可夫链评估公式吞吐量,能源消耗和访问延迟。进一步研究影响性能的参数包括数据包到达率、初始补偿指数和最大补偿号码是解释说。扩展非饱和交通状况可以发现在16]。他们的分析探讨,为饱和网络,最好选择一个大指数延迟补偿以减少所需的能量/有用的。另一方面,对不饱和网络,一个非常小的节能可以通过设置较小的补偿值。在[17),作者提出了一个简单的程序的动态适应内部IEEE 802.15.4网络提供服务的几个关键参数。在这个过程中,内部的802.15.4参数修改提供服务作为现有交通状况的函数。本文研究了两个关键的内部IEEE 802.15.4 MAC子层提供服务的动态优化参数,超帧的顺序和补偿指数。标准定义了超帧命令参数,但没有提到如何确定。此外,所以被定义为一个动态适应网络环境,尤其是交通负荷。在这方面,提出了技术,实现,和模拟。它调整焦点访问期间的大小根据实际流量负载的重新配置所以。他们还研究了碰撞和访问堵塞问题,提出了一个政策来避免它们。工作(18]建议修改的协调功能,允许网络来处理高流量负载,从而为其客户提供大大改善了性能。内部在这个工作中,作者认为802.15.4网络提供服务在信标使运营模式与开槽CSMA / CA。模拟提出了证明相当大的性能提升可以通过简单的改变网络的操作参数。

上述研究工作突出问题由于默认的MAC参数设置建议的标准本身。不同的解决方案来提高信道访问机制的性能,特别设置的动态值参数的机制。大部分的想法是由NS仿真器(NS2)或其他类似的实现环境。在我们的工作中,我们提出了调制通道访问CSMA / CA算法内部IEEE 802.15.4 LRWPAN使用硬件描述语言(VHDL)语言提供服务以减少传输延迟,丢失的数据包,拥塞概率。然后,验证我们的提议是由验证改进机制,模拟各种场景的表演也给出硬件性能的合成算法开发。

6。建议的解释

一个传感器网络由传感器节点放置监控物理现象。每个节点定义了一个无线设备在传感、通信、和计算能力。

由于WSN节点是由nonrechargeable电池供电,网络生命时间是有限的。为了提高节能和提高网络的生命周期,有必要改善功能,比如通信协议、访问通道机制和路由。特别是,割缝CSMA / CA机制在信标使模式改进克服很多问题可能导致严重的性能下降。有关网络和交通参数退化因素,正如所料,在某些情况下,这些参数构成严重限制这类网络吞吐量和分组延迟。这项工作的目的是分析这些问题和他们的影响和建议修改的CSMA / CA算法提供改善交通表演。

在本文中,我们提出一个原创作品,在实施修改后的MAC协议是基于硬件描述语言(VHDL)的环境。我们的工作是特别关注学习自适应补偿指数(是)管理内部的CSMA / CA 802.15.4。提供服务喜神贝斯的价值可能导致相同的BEs不同节点的选择。由于这些节点可能等待相同数量的补偿槽。这往往会导致系统性能的退化拥挤场景,由于更多的碰撞。本文解决了当前的问题,提出一种自适应机制的实现补偿指数管理、基于队列长度标准。因此,当一个节点的队列大小增加了一个固定的队列级别,参数是将减少获得更短的补偿。所以,队列大小之前检查每个传输和值是根据解释的伪代码1。

结果的实现,倒扣延迟是减少和潜在的减少数据包的碰撞。结果表明网络流量的改善性能和显示硬件性能。

在这项工作中,我们采用星型拓扑结构。我们注意到,我们的算法可以利用其他拓扑通过添加一些辅助功能,如路由算法。四个传感器节点的MAC协议的分析。网络协调器连接到其他三个节点通过无线渠道在2.4 GHz。其他传感器节点收集信息并将其发送到网络协调器。一般的无线个域网规范考虑我们的工作如表所示2。

7所示。硬件描述语言(VHDL)建模的CSMA / CA协议

硬件描述语言(VHDL)(高速硬件描述语言)在IEEE定义的工具创建的电子系统,因为它支持开发、验证、合成和测试硬件设计,硬件设计的通信数据,和维护,修改,和采购的硬件。它是一种常见的语言用于电子产品设计和开发原型。仿真分析后,硬件特征可以从合成操作。

简化建模阶段是第一次处理之前开发的算法描述系统功能。建模是现实的一种抽象表示。创建系统模型能够推断某些属性系统的行为和作为一个规范的设计过程将导致系统的物理实现,这是符合模型。

在我们的工作中,CSMA / CA的主要模块包含行为CSMA / CA协议。CSMA / CA模块需要一个等待状态时执行该协议。它使用计数器在不同时期通道访问控制。特别是,不得不等待一个节点随机补偿时间之前载体传感和它必须等待竞争窗口槽clear channel评估(CCA)。然后计数器的功能在本系统中实现。等待时间是计算对所使用的时钟速度。CSMA / CA模块与功能模块。首先,CSMA / CA协议交互的模块是一个模型相关的物理层的无线设备。因此,CSMA / CA块连接到一个额外的形体块为了提供适当的形体相关请求的响应。这个扩展模块是有用的控制信道状态。 Secondly, the CSMA/CA system needs a Random Generator module. The Random Generator delivers to the CSMA/CA module a random value of integer from the range of 0 to 255. This random value is used in backoff in Step 2 of CSMA/CA algorithm. To overcome the issue of clock synchronization between various modules, the clock adapter has to be implemented in the main design. Particularly, the transmission block must have a clock speed equal to half of read and write function manager.

图的框图6给出了CSMA / CA模型的概述不同的块匹配。

8。仿真和结果

我们协议的行为有助于更好的理解通过提供一组仿真实验的结果。我们的结果概述这个协议的功能在选定的情况下还限制。

特别是,我们调查协议等协议参数的依赖性是和CCA。我们还检查改进的MAC协议基于槽补偿。我们的研究结果可以用于规划和部署内部IEEE 802.15.4基于传感器网络提供服务与特定的性能要求。

ModelSim设计软件用于仿真分析。我们的模拟测试,我们进行了各种各样的场景显示变化的影响macMinBE价值在不同的性能指标倒扣延迟,交通拥堵,概率下降。在这些模拟,其他CSMA / CA参数保持默认值如表中所述2。结果表明,增加获取macMinBE可以显著降低丢包概率和拥塞概率(图7)。然而,当流量负载的增加,补偿延迟变得很高。结果,未开发的槽的数量变得重要。图8提出了补偿延迟的函数macMinBE参数变化。延迟是一个典型的性能指标,可以考虑。它可以同步的时钟周期数估计的过程指导。根据时钟周期,时间的模拟可以提供。

概率下降、拥塞概率和补偿延迟也研究下CCA数量变化。图9表明,增加的概率显著下降当CCA很高。然而,较低的概率下降时观察到的CCA数量很小。丢包可以由不同等因素造成的macMaxCSMABackoffs和macMaxFrameRetries。在各种价值观的CCA,拥塞概率变量,如图9。这是因为它取决于随机数字补偿技术。我们注意到,这个数字的值macminBE和macmaxBE分别维护,3和5。

图10表明补偿延迟减少当使用低CCA号码。仍然是很重要的测试,如果我们获得一个增强交通状况的行为当考虑CCA数量的动态配置。

在这项工作中,我们实现了一个基于交通状况参数的动态变化。参数是减少macMinBE对于一个节点队列长度超过一个固定的水平,它获得了大量随机的阶段。我们认为,在验证阶段,不同的场景进行数据传输。模拟显示,最好的结果获得了吞吐量下稳定。有变量的交通时,它变得更加难以做出决定,以减少参数;也拥塞概率会增加很大。图11证明了改进获得的动态变化参数的静态设置该参数为应用程序与稳定的流量。改善,可以看到图11是重要的,显示了MAC的动态配置参数值的重要性。模拟表明,概率下降以及模拟减少了15%。

修改的建议下的仿真结果显示,改进算法性能的动态变化的标准的默认设置,暴露出图12。修改方案的性能曲线与前缀标签动态是。修改的确会导致延迟低于标准方案为各种交通负荷。

补偿机制是基于随机技术,节点有数据帧传输必须等待时间待定,具体取决于随机数获得和其他并发节点。结果是,可以出现在一个超帧的职位空缺虽然有节点等待传输数据。在这种方法中,我们提出一个槽补偿方案,以提高传动效率的动态交通状况。这样做是为了避免未使用的槽的存在监控每一个槽的利用。通道时仍然闲置,剩下的时间只有足够的传输数据帧和CCA执行阶段,节点与FIFO(先进先出)长度超过一个固定的限制直接传给CCA的阶段。几个交通场景进行测试来验证这个提议。仿真表明,这个想法的实现提供了一个更高的交货率和更好的性能在交通优先处理。图13代表倒扣延迟槽后,赔偿。它描述了倒扣延迟,然后交通速度的提高。然而,拥塞概率的增加是不可避免的,在这种情况下,它是唯一的缺陷的补偿方案。注意,拥塞概率增加1%的平均水平(图14)。提议的想法获得的优势相比,这个比例可以接受,可以避免将来的改进建议。利用槽的数量增加了24%。此外,避免了FIFO(先进先出)饱和度和分配流量相等的不同节点代表一个伟大的方式获得了考虑这一建议。

9。硬件性能

对硬件实现,一些结果可以发现:实现时钟频率的估计可以通过寻找关键路径,即最长路径从一个寄存器输出到下一个输入。能源消耗可以通过确定一个操作所需的时间和乘估计功耗。此外,假设可以基于晶体管的数量或门的设计。因此,评估系统硬件的复杂性我们可以显示逻辑布局19]。

CSMA / CA模型可以支持一个操作频率200 MHz自5 ns时钟周期用于仿真。这个操作频率远高于信道比特率。CSMA / CA模块使用逻辑元素总数的3%支持Virtex7。这个百分比显示这个模块集成和可能性的机会添加其他功能的MAC协议。表3总结了规范。

模拟合成操作之后进行许可证验证模块的功能。CSMA / CA是内部刺激对IEEE 802.15.4标准提供服务。图15提出了一个完整的合成为一个场景测试后获得计时图。CSMA / CA的执行模块花371.166 ns,包括补偿时间延迟。合成操作(RTL级)背后的持续时间是更少。这个结果优越性在Xilinx ISE时间约束的影响。“传播”,例如,信号警报开始包传输的传输块将其价值(“1”)后0.553 ns的延迟和时钟信号相比,项目无法在RTL级。我们还说,对于这个场景测试,随机组件需要持续时间4.136 ns。注意随机组件中实现通用的方法来扩展宽度的随机数作为补偿所需的时间间隔。所以,其执行可以使更多的时间如果宽度更高。

信号“pres_d”是用来表示如果有数据等待传输缓冲区。“star_csma”信号表明CSMA / CA过程的开始。可以启动这个过程只在超帧的槽的前沿。如果节点成功执行CSMA / CA机制的信号“传播”指定数据包传输的开始。

10。结论

在未来几年,预计低速率无线个人区域网络(LRWPANs)将用于各种嵌入式应用程序(14),包括家庭自动化、工业传感和控制,环境监测和遥感。传感器网络的拓扑特性和MAC协议配置取决于应用程序的特异性。因此,它是非常困难的所有类型的应用程序提供一个通用的解决方案。在本文中,我们提出并实现了一个MAC访问算法基于CSMA / CA协议内部IEEE 802.15.4 LRWPAN提供服务。该算法主要关注减少补偿延迟,碰撞的概率,并在总网络重传。这个想法是基于动态修改的值是和连续波根据交通状态参数。我们还利用未使用的槽超帧的时间提高效率。

这项工作实现CSMA / CA算法的内部IEEE 802.15.4 MAC协议提供服务保证信息传输的增强。内部实现的协议方面的大多数802.15.4 MAC提供服务的细节和增加了一些修改,以改善交通状况。内部IEEE 802.15.4协议提供服务实现使用VHDL语言完成。发达算法可以用于未来的发展领域的内部IEEE 802.15.4无线数据传输提供服务协议。代码实现了以通用的方式,它允许修改以适应任何其他变化的需求。

为了评估算法的性能,我们已经测试了传输延迟等交通参数的变化,拥塞概率,降低数据包,等等。该算法给出了一个改进大于内部IEEE 802.15.4。提供服务因此,CSMA / CA参数的动态变化,证明了我们的内部增强IEEE 802.15.4 MAC协议提供服务执行内部明显比原来的IEEE 802.15.4 MAC提供服务。

对于未来的工作,我们专注于实现更高效的节能算法通过考虑模糊逻辑方法。这项工作还可以用来比较新的硬件设计无线数据传输的性能。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

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