基于重传的802.15.4收集MAC层丢包率研究

（1.常熟理工学院 打算机科学与工程学院，江苏 常熟215500；2.湖北第二师范学院 打算机学院，湖北 武汉430205）

摘 要：为了降落802.15.4网络数据帧的丢包率，剖析了基于重传机制的丢包率问题，提出MAC层节点事情过程的数学模型，并剖析推导了节点紧张事情状态的稳态概率；然后对数据帧重传概率和丢包率进行数学剖析；末了通过实验比较了MAC层参数minBE、NB和网络环境参数、N、BER对重传概率和丢包率的影响。
结果表明，与无重传机制的数据传输性能比较，节点丢包率均匀降落了88.9%，模型准确反响了节点的数据传输特点，均衡的参数支配有效地提高了数据传输成功率，理论研究为802.15.4标准的运用供应了参考。

中图分类号：TN926

文献标识码：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.029

中文引用格式：程宏斌，王晓喃，王海军，等. 基于重传的802.15.4网络MAC层丢包率研究[J].电子技能运用，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.

0 弁言

低功耗、低繁芜度和短间隔通信是无线传感网络协议设计的紧张指标。
IEEE 802.15.4协议是无线传感网运用中采取的一个很成功的标准，其优化研究和实际运用受到学术界和工业界的广泛关注[1-4]。
由于网络中数据传输无线信道的噪声和信道竞争采取时隙/非时隙载波监听多址接入/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA/CA)算法以便共享，因此，802.15.4媒体接入掌握(Media Access Control，MAC)层数据传输可靠性问题(如碰撞征象、丢包问题和重传机制)成为802.15.4网络须要优化的主要方面之一。

文献[5-9]通过构建802.15.4 MAC协议的模型分别研究了数据发送、数据丢包、数据碰撞和数据传输的冲突等性能问题， 但是所提出的模型都有待进一步改进。
本文重点研究节点在基于重传的数据传输过程中的状态转换动态过程，设计一个基于802.15.4协议的节点事情过程数学模型，然后研究协议参数和网络参数对数据帧碰撞、重传和丢包的影响。

1 基于重传的丢包率

随着IEEE 802.15.4在无线传感网的广泛运用，实时可靠的MAC层数据传输成为评估802.15.4 MAC协议性能的主要指标。
而数据帧碰撞严重影响数据帧发送成功率，以是减少MAC层数据帧碰撞征象和降落丢包率成为优化协议的一个主要方法。

为理解决碰撞造成的数据包丢弃问题，在MAC协议中采取数据帧重传机制，基于重传的丢包率是在数据帧的重传次数达到最大重传次数值后仍发送失落败的概率。
基于重传的机制可以一定程度降落数据帧的丢包率。

2 MAC建模

在基于信标使能的802.15.4网络中，采取超帧周期定时的节点事情周期中，通过合理设计节点的事情状态转换过程，能够优化数据帧的丢包征象。
节点事情的超帧周期包含休眠期与生动期两部分。
个中生动期可以分为信标期、退避等待期和数据传输期。
为了降落数据帧发送的碰撞概率，规定网络节点在以下状态及时进入休眠，以便改进数据传输性能：(1)退避等待期如果节点退却撤退了最大的退避次数仍旧传输失落败。
(2)生动期内网络节点没有传输任务后进入休眠期。
(3)按照超帧周期规定生动期结束后进入休眠期。
设网络中各个节点的非饱和负载到达过程相互独立，服从泊松过程(速率为)。
由于节点事情过程是一个动态的离散过程，以是下面利用二维马尔科夫链对节点的事情状态建模，模型如图1所示。

图1中，单个独立节点按照超帧周期安排节点的事情状态，H、A、E和D分别是节点休眠状态、节点退却撤退等待状态、节点信道监测状态和节点传输数据状态。
概率h和r分别表示节点两次信道检讨失落败的概率。
而Ai，k表示节点第i次检讨信道为不空闲后第k个时隙的等待状态(i∈[0，maxNB]，k∈[0,Wi-1])。
maxNB是节点退避等待轮数NB的极限值。
每轮退避等待的韶光区间逐步加长，以减少信道冲突征象，节点第一轮退避等待的韶光区间W0=2minBE，其第i次退避等待的韶光区间Wi为W0 2i，maxBE-minBE≤i≤maxBE，minBE和maxBE为退却撤退指数的最大、最小值。
g1是节点发送一个数据帧后没有任务的概率，g2表示节点休眠期结束后仍没有发送任务的概率，参考文献[1]的打算，Tservice为单位数据包的均匀做事韶光。

节点事情过程模型中各个状态的转移概率和稳态概率方程描述如下[9]：

3 基于重传的丢包率剖析

基于上文对数据帧重传概率和基于重传的丢包问题的研究，通过实验来定量剖析802.15.4网络中参数minBE、NB以及、重传概率、误码率和节点数N等网络环境参数对MAC层丢包率的影响，同时也对本文提出的节点传输数据帧的事情过程模型进行评价。

假设为0~100包/s。
NB值为4～6，每轮退避后信道检讨次数CW为2，BE值为2～5。
N为15，信标指数BO值为6，超帧指数SO为4，数据包长L为6时隙。
BI值为9600.0162BO，超帧生动期为9600.0162SO。
吸收信标帧韶光为Tb=0.3 slot。
1 slot韶光值为0.32 ms[2]。
下面剖析802.15.4MAC子层数据帧丢包率性能[12]。

3.1 重传概率

依据节点事情过程模型的数学剖析和推导打算，对节点的数据帧碰撞概率和重传概率进行剖析。
如果多个网络节点同时检测到信道空闲，随后向目的节点传输数据，目的节点发生数据帧碰撞的概率为：p冲突=1－(1－s)N-1，个中s为节点开始传输数据帧的概率，即是D。
节点重传概率可以表示为p重传=p冲突(1-c(m+1)) ，c为节点两次信道监测都劳碌的概率。

图2是数据帧重传概率随数据包到达速率变革的趋势图。
显然，随着的增大，重传概率缓慢地增加。

如图2所示，NB和BE对重传概率影响较小，BE越大重传概率越小，这解释初始退却撤退指数大时，节点检讨信道之前退却撤退等待的韶光稍长，网络节点评估信道状态不空闲的概率稍小，MAC层碰撞概率稍低。
其余，退却撤退次数NB越大时，重传概率越小。
这是由于设置大的NB时节点退却撤退等待的次数增多，其后退等待韶光也相对长些，节点考试测验接入信道的概率降落，信道发生冲突的概率自然减小。

3.2 重传丢包率

图3为基于重传机制的数据帧丢包率随数据帧到达速率的变革趋势。
从图中看出，随着的逐渐增大，数据帧的丢包率逐渐变大，解释节点数据发送负载比较小时MAC层的丢包率很低。
其余，最小退却撤退指数minBE越大，有重传的数据帧丢包率越小，这是由于节点退却撤退等待韶光变长之后，一定程度降落了信道的冲突概率，有重传的丢包率也相应降落。
而后退次数NB越大，数据帧丢包率越小，这解释节点检讨信道前的退避韶光越长，越可能降落信道冲突，丢包征象相应减少。
图3反响出在同等负载环境下，NB对丢包率的影响比BE大。

图4描述了基于重传机制的数据帧丢包率随重传次数的变革趋势。
显然，重传次数越多，丢包率越小，解释多次重传会提高数据帧的成功发送几率，这符合网络节点的事情特点。
而且，重传次数对丢包率的影响较大。

从图5中看出，随着信道误包率的增大，数据帧的丢包率快速的增大。
这解释信道质量对MAC层的影响很大。
其余，图5反响出在同等信道质量状态时，BE 和NB对丢包率的影响不是很大。
例如minBE越小时，节点退却撤退等待韶光相对缩短在一定程度上加重了数据帧的碰撞，增大了数据丢包率。
并且NB越小，数据帧丢包率越大。
这是由于较小的NB减少了节点的退却撤退避让韶光，相应加剧了信道冲突。

图6是有无重传机制的数据帧丢包率比较。
从实验数据看出，相对付无重传机制，有重传机制的丢包率明显低得多，数据帧丢包率降落了88.9%旁边，这解释加入重传过程后，MAC层的数据发送成功概率增加幅度很大，有效提高了信道中数据传输的可靠性。

基于上述重传概率和丢包率性能的剖析，解释802.15.4协议参数对MAC层的数据传输有主要的影响。
基于本文提出的节点事情过程模型能够科学地剖析和配置网络参数，为802.15.4 网络的详细运用供应优化依据。

4 结语

为了提高802.15.4网络数据传输成功率，本文重点剖析基于重传的数据帧丢包问题，研究节点在MAC层传输数据的事情过程。
通过对该过程建模中节点紧张状态的概率剖析，剖析基于重传机制下的丢包率，研究协议参数和网络环境参数对丢包率的影响。
研究表明：提出的模型能精确剖析节点的事情特点和丢包率性能指标，参数的均衡配置能够降落数据帧丢包率。
下一步针对协议的核心退避算法，设计优化策略，深入研究协议的性能和推广运用。

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