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对802.11/802.15.4共存的区分空闲信道评估的改进
Alex King and and James Brown and Utz Roedig
英国兰开斯特大学
计算与通信学院
{a.king4, j.l.brown, u.roedig}@lancaster.ac.uk
摘要—设备共享相同的频率域，但使用不同的通信协议，这普遍是物联网的一个重要问题。IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4协议都应用在在家庭自动化、 医疗卫生和工厂自动化等应用。在这些情况下，已经知道802.11网络对802.15.4网络有较强的干扰，能显著降低其性能。我们表明，反应空闲信道评估 (CCA) 是对这种退化的一个大贡献。然而，正如我们在这篇论文中显示，它是有益于识别干扰类型时执行空闲信道评估，因为这使我们能够在处理采用不同的策略占领媒体。我们的工作主要研究了基于 802.15.4 标准的低功耗介质访问控制 (MAC) 协议。在这些协议中，空闲信道评估被应用在发射机中进行信道评估选择，以及在接收机的功率传输效率检测。我们现在提出的协议模块称为区分空闲信道评估 (DCCA)，使我们能够定制根据性质的繁忙通道干扰的网络类型的反应。我们评估 DCCA Maxfor MTMCM5000MSP 平台上的 ContikiMAC 协议执行。实验表明 DCCA能使 802.15.4 网络在 802.11 网络干扰下的吞吐量提高十倍。
索引词：无线传感网络，WIFI，802.15.4，CCA
Ⅰ.介绍
物联网是依赖于网络的无处不在的设备；比如作为执行器和传感器。包括 IEEE 802.11 (WiFi) 和 IEEE 802.15.4 的无线协议允许这种连通性，并且部署已经共同为目的的家庭自动化、 卫生保健和工业自动化，并允许对消费者设备进行互联网访问。
由于这些协议的预期用途的性质，托管是共同的地方，并提出了其共存的问题。这种共处可以产生干扰，导致802.15.4 网络性能退化，但在大多数情况不是亦然。这共存问题是众所周知的，最近几年很多人都试图减轻这种干扰而提出许多方法。然而，现有的解决方案是往往不可行或需要相当大的硬件改装，因此实现共存仍是物联网进一步发展的障碍。在本文中，我们采用基于 IEEE 802.15.4的有效能量介质访问控制 (MAC) 协议用于硬件改造从而改善共存的空闲信道评估 (CCA) 机制。
无线 mac 层协议的核心部分是CCA机制，该机制由发射机确定信道是否正在进行传输，或者是否已另一个节点使用。大多数的收发器执行空闲信道评估使用简单的能量检测，允许节点以确定如果通道被阻塞或不是，但不能确定阻塞信号所源自的网络类型。因此，无论目前占领信道的是哪种类型的网络，所有成功的空闲信道评估采用相同的反应。然而，正如我们将在本文中显示，传输源的类型可能需要不同的响应，以确保良好的网络性能。
IEEE 802.15.4 普遍采用电池对节点供电。为了节约能源，每个节点传输机只有在传输信息和定期监听输入传输才会激活。接收器使用空闲信道评估来检测潜在的传入传输，当CCA失败或者有信号在信道时持续监听。如不能辨出信源的空闲信道评估检查，一个单一的策略必须申请所有检测到的信号并不造成可能的网络性能最佳。
在本文中，我们描述称为区分空闲信道评估 (DCCA)，这可以检测出具体的干扰网络类型。DCCA 使用发送者和接收者都是低功耗 MAC 协议用于构造 IEEE 802.15.4 网络。 DCCA 机制实验，我们使用知名的 ContikiMAC [1] 协议和配备 CC2420 收发器的节点 Maxfor MTM-CM5000MSP （TelosB 副本）。我们通过实验显示，现有的CCA机制对IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 网络的共存没有很大的作用。尔后我们提供使用新颖的 DCCA 机制性能评价表明，网络吞吐量，数据包接收速率，以及能量消耗都能带来显著提升
本文的具体贡献是：
·DCCA 描述 ︰ 描述新型构造块的服务必须与 IEEE 802.11 网络共存的低功耗 IEEE 802.15.4 mac 层协议。
·DCCA 评价 ︰ 性能增益的 DCCA 量化使用 ContikiMAC Maxfor MTMCM5000MSP 平台上。
第二节我们讨论相关的工作。第三节我们描述DCCA机制的目的是为了实现低功耗IEEE802.15.4MAC协议，还将ContikiMAC 作为示例协议。这之后我们在第四节中显示的现有的空闲信道评估机制效率低下和介绍 DCCA。第五节提供DCCA 机制的评价，第六节为本文的总结。
Ⅱ.相关工作
IEEE 802.15.4 和 IEEE 802.11 的相互作用具有广泛的研究，已有大量的技术来减少由于干扰造成的数据包丢失。
切换频道是最直截了当的方法 ︰ 避免完全相邻网络之间的互动。这种方法在 [2] [3]中，作者描述了用技术来检测干扰和切换信道，无论是跨整个网络或只是部分网络。虽然简单，但是这种方法在IEEE 802.11 网络拥塞时是不可行的，因为免费频道的可用性可能会受到限制。
在文献[4] 中，多个报头和前向纠错被分别用于对称和非对称干扰。虽然这个和IEEE802.15.4及IEEE802.11有关，但是这项工作是基于ZigBee网络层的，由嵌入式设备实现。在这项工作中我们关注不同的设备以及能源效率。
文献[5]中的作者修改空闲信道评估机制的无线发射机，以提高IEEE 802.15.4 信号敏感性，从而使其能够避免碰撞。我们的方法是类似的，然而 DCCA 旨在区分什么类型网络的干扰，而不是对任何干扰敏感。此外，我们探索采用DCCA对接收端以及发射端的能量效率和网络性能的影响
文献[6]是第一次开拓专门的突发干扰下的传感器网络责任循环协议。作者评价周期控制协议的功能影响数据包接收速率和吞吐量, 找到数据包列和有效的握手机制导致更高的性能。在我们的工作中,我们关注一个特定的MAC协议和ContikiMAC在干扰下提高性能的方法。我们然后尝试将我们的研究结果推广到类似的 MAC 协议。因为 DCCA 是协议构建模块，在其他 MAC 协议和缓解策略可以建立，我们的工作与现有的干涉缓解技术有点相关但又不太一样。
Ⅲ.前言
在本节中，我们描述了 802.15.4 中使用的低功耗 MAC 协议的运作网络。特别是我们描述 ContikiMAC，这种低功耗 MAC，用作 DCCA 应用实例和我们评价的依据的一个实例。我们还描述了用于我们实验我们测试平台安装程序。
A.802.15.4 低功耗 MAC 协议
IEEE 802.15.4 网络节点是在很多情况下是电池供电的，因此能量高效的 MAC 协议是很有必要的，目的是留下只要可能，在睡眠状态下收发信机正常工作。节点睡眠很长时间之后有一个简短的监听周期，可以检测数据包的传输。监听和睡眠持续时间的比率称为占空比。传入消息的检测方法来延长监听，直到收到完整的数据包。传输机在此监听期间确保成功传输。为减少协议开销，很多 MAC 协议不使用时间同步，为确保发送者和接收者之间的同步提出另一个机制是必要。在许多现有的协议如 ContikiMAC [1]，X-MAC [7] 或 B-MAC [8] 同步是通过传输轨迹相同的数据包被接收器确认所完成的。此过程显示在图 1 中的 ContikiMAC。
传送数据包之前，一个节点通过简单地测量能量进行空闲信道评估。如果测量的能量高于设定的阈值，通道被视为占领然后执行退避算法，并尝试在稍后阶段再传输。空闲信道评估通常也是重复之前传输的数据包的传输线路。
接收机也同样用相同的空闲信道评估机制，用来检测当前是否有传入信息。如果在信道中检测到能量，则确保数据包的接收。
B. ContikiMAC
ContikiMAC 是先前描述的低功耗 MAC 协议类的一个实例。ContikiMAC 操作如图 1 所示，接下来将描述详细的操作。
接收器进行两个空闲信道评估来定期检查信道 (默认情况下每隔 125ms检查一次)，间隔 为0.5ms，用来确定是否另一个节点试图发送数据包。繁忙的信道 (负 CCA) 将提示接收机为后续数据包继续侦听 12.5ms，而空闲的通道 (正 CCA) 将导致接收机休眠以节省能源。ContikiMAC发送机会在接收机在休眠状态下不断的传输相同的数据包，这是为了确保最后能够实现同步。发送机将停止接收确认(ACK),或通过CCA如果检测到碰撞之前执行检查每个数据包传输。CCA检测帧由发送方发送的数据包传输，有两个原因：帮助检测确认,检测是否碰撞。
C．测试平台评价
我们在本节中介绍使用的测试平台来演示本文提出的所有的实验。IEEE 802.11 g 接入点和节点放置在两个 IEEE 802.15.4 节点间 （被安排在同一布局中）。D-ITG [9] 流量发生器用于生成可控强度的 WiFi ，干扰同频率的 IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4节点。除了这种可控制的干扰，环境被确认是其他外部的干扰。用 Contiki 3.x 操作系统来仿真EEE 802.15.4 节点，制造上一节中所述的ContikiMAC。发送机不断尝试传输数据包到接收器（传输队列总是包含一个数据包将被传送），只有直到上次传输成功后续的数据包才可以传输。
在每次实验运行成功传输的总数被记录下来，可以说明不同的WiFi干扰强度的吞吐量是多少。此外，传输失败的百分比也要记录下来。如果ContikiMAC传输的信道不能传递数据包就会导致传输失败。一个失败的传输有两个不同的原因。第一，共同国家评估在发射机边检测的干扰执行在这种情况下，传输中止和后退。第一，空闲信道评估在发射机检测的干扰时，传输正好中止或后退。这可能发生在任意的CCA检测数据包的传输中。第二，发送器不接收任何其分组跟踪传输的确认帧。我们记录传输失败原因，更详细的调查传输失败的原因。
D. ContikiMAC优化
检测信道之后，接受完整的数据包，ContikiMAC把供电降低然后把数据从收发器芯片读入到处理器的内存。此后，使用CRC验证，验证数据包完整性。如果数据包被丢弃或者发送机没有收到确认帧那么节点就会进入休眠。因此后续的数据包就不能被接收。
当ContikiMAC操作在一个相对自由环境中这种干扰可以忽略。极少的数据包损坏将最终导致发送机重新传输并使用不同的信道传输。然而，在有较大干扰的环境中接收到损坏的数据包是司空见惯。因此，这种实现的 ContikiMAC 导致网络性能显著下降。
图3显示了描述这种有意义的实验的结果。使用前面描述的实验装置记录不同WiFi干扰强度下的错误率。可以看出，相对温和的干扰 （200 KB/s 的数据传输率） 只有一半的数据包接收没有错误。
Fig. 2
为了使之正确我们修改了 ContikiMAC，天线一直在接收模式直到收到一个有效的数据包 （或发生超时）。这可以确保后续的数据包补偿丢失的数据包。
在本文的其余部分中我们使用此稍加修改的 ContikiMAC 作为我们 DCCA 修改和实用的评价的基础
IV. DCCA:区分空闲信道评估
在本节中我们描述了在 WiFi 干扰下现有的空闲信道评估机制的不足。此后，我们描述了DCCA和讨论如何在802.15.4硬件平台上实现。
- CCA局限（发射机）
为了了解 IEEE 802.11 干扰对 IEEE 802.15.4 通信的影响实验使用前面描述的安装程序 （见第三节）。结果如图4所示。图中所示的是传输成功且收到ACK的百分比。此外，传输失败是由于传输机是负CCA以及确认帧的丢失。
随着干扰强度的增加，传输成功的几率也越来越低。干扰等级高于200KB/s就有超过95%的数据传输失败。不得不指出，即使没有目前的干扰也只有83%的传输都成功。这是由于干扰信号所使用的无线访问也干扰802.15.4传输。
更有趣的是分析传输失败的原因。负的空闲信道评估检查是传输失败最可能的原因。没收到确认是另一个原因，无论是由于传输的数据包或ACK干扰，都贡献不小于12%的错误率。contikimac敏感性的CCA检查是可以把发送操作理解为：CCA检查在每个数据包信道传输之间进行。
每次传输失败（无论是负CCA或者没有收到确认）传输机都会执行随机退避算法。随机选择从一个增加的时间窗口，在网络协议中同时使用。通过增加连续碰撞的时间窗口，减少了多个传输机在同一时间重新传输的可能性。然而，因为WiFi 设备是本质上非传染性的 802.15.4 设备，并有非常不同的定时参数，因此执行后退是不明智的。后退的唯一结果是延迟之前可以尝试重新传输;成功的重传概率不能改善。换句话说，应用 802.15.4 后退时碰撞与 802.11 数据包只降低网络吞吐量但无助于碰撞决议。
我们进行实验来支持这个论点。使用我们前面所述的802.15.4测试平台，传输请求之间有一个随机间隔（0mslt;tlt;500ms）。对于每个不成功传输尝试，记下接下来的15次尝试的结果，让PRR在给定的时间间隔内重传。结果显示在图 5 中，可以看到是后退时间和成功的重传概率相关性很小。
由于后退的时长与重传的成功率不相关，在WiFi干扰下使用后退机制是没有用的。为了最大化吞吐量立即重传可能是更好的策略。然而，当与其他802.15.4网络发生碰撞，后退策略应该是比较有用
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