基于隊列理論CSMA／CA機制的無(wú)線(xiàn)傳感器異構機制

摘要：自從IEEE 802．15．4標準發(fā)布以來(lái)，基于低功耗、低速率傳輸的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用幾乎涉及到現實(shí)生活的方方面面；但是關(guān)于這個(gè)標準的CSMA／CA機制大部分都是基于均勻、飽和的傳感器網(wǎng)絡(luò )應用。文中針對非飽和、帶緩存的無(wú)線(xiàn)傳感器異構網(wǎng)絡(luò )，提出了一種新的異構的CSMA／CA機制OSTS。該機制采用2個(gè)馬爾可夫鏈來(lái)分別表示異構節點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)信道的過(guò)程、一個(gè)宏觀(guān)馬爾可夫鏈來(lái)表達信道狀態(tài)轉移，且結合M／G／1／K隊列理論分析數據包傳送的實(shí)時(shí)性能，并相應地改進(jìn)系統的實(shí)時(shí)性。文中最大的特點(diǎn)是兩組非均勻節點(diǎn)被賦予了公平的機會(huì )訪(fǎng)問(wèn)信道，而不存在優(yōu)先權的問(wèn)題。此外，詳細分析了這種機制的數據包傳送時(shí)間，包括數據包到達率、包大小、節點(diǎn)數量、緩存大小等參數
對系統實(shí)時(shí)性的影響；這些分析結果與我們采用NS-2工具仿真的結果十分吻合。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；實(shí)時(shí)性分析；馬爾可夫鏈；CSMMA／CA機制；NS-2仿真；M／G／1／K隊列理論

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信、集成電路、傳感器以及微機電系統(MEMS)等技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，低成本、低功耗、多功能的微型傳感器的大量生產(chǎn)成為可能。這些傳感器在微小體積內通常集成了信息采集、數據處理和無(wú)線(xiàn)通信等多種功能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)就是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電通信形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域里被監測對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。由于微型傳感器的體積小、重量輕，有的甚至可以像灰塵一樣在空氣中浮動(dòng)，因此，人們又稱(chēng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為“智能塵埃”，將它散布于四周以實(shí)物感知物理世界的變化。異構性是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )一個(gè)非常重要的特征，眾多因素決定了異構性是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )內在、泛在的特征。文中根據火場(chǎng)監控應用的實(shí)時(shí)性需要，針對傳輸火場(chǎng)環(huán)境下的溫度及濕度這兩個(gè)異構數據包到sink節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳感器異構網(wǎng)絡(luò )，基于隊列理論分析其網(wǎng)絡(luò )傳輸的實(shí)時(shí)性特征，提出了一種新的CSMA／CA機制OSTS(一次獲得信道，只傳一個(gè)數據包機制)，以此分析及提高系統監控性能。

1 建立模型
隨著(zhù)IEEE802．15．4標準的發(fā)布，無(wú)線(xiàn)傳感器的應用取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其應用早已經(jīng)由軍事國防領(lǐng)域擴展到環(huán)境監測、交通管理、醫療健康、工商服務(wù)、反恐抗災等諸多領(lǐng)域，使人們在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下都能夠獲取大量翔實(shí)可靠的信息，最終成為一種“無(wú)處不在”的傳感技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的性能優(yōu)勢使得其應用幾乎涉及到我們生活的方方面面；但是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )依然在很多方面存在缺陷，諸如使用電池供電引起節能的需求，公平性、實(shí)時(shí)性、吞吐量的有待提高等等。
針對于實(shí)際應用，提出了異構網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性要求，詳細、綜合分析兩種不同性質(zhì)的數據包以公平的機會(huì )訪(fǎng)問(wèn)信道的時(shí)間性能，找到合適參數以減少數據包訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間、提高實(shí)時(shí)性要求。
在提出OSTS機制，建立分析模型之前，先作出如下的假設：假設信標指數為4，所以每個(gè)包都能在同一個(gè)超幀傳送完；數據包的接受確認可以無(wú)需通過(guò)ACK來(lái)執行；為了避免成功獲取信道的節點(diǎn)永久占用信道，參與競爭的所有節點(diǎn)而不僅僅是傳送節點(diǎn)將其backoff計數器降為最小值；傳完一個(gè)數據包后，信道為空的概率μ0與任何時(shí)刻信道為空的概率P0不相等；系統中存在2種節點(diǎn)，節點(diǎn)個(gè)數分別為N1和N2，到達節點(diǎn)的流量滿(mǎn)足泊松(Poisson)過(guò)程且數據包到達率分別為λ1和λ2；參與競爭的數據包都是每個(gè)隊列的首數據包，那么可以簡(jiǎn)化競爭機制，即只考慮參與競爭的數據包。這樣，采用3個(gè)馬爾可夫鏈模型來(lái)描述，其中兩個(gè)半馬爾可夫鏈分別表示兩種數據包訪(fǎng)問(wèn)信道的過(guò)程，如圖1所示，這個(gè)鏈是的改進(jìn)；一個(gè)宏觀(guān)馬爾可夫鏈表示信道的狀態(tài)，如圖2所示。

首先，考慮OSTS機制的節點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)信道的馬爾可夫過(guò)程。每次參與競爭的數據包，無(wú)論是哪種類(lèi)型的節點(diǎn)包都有公平的機會(huì )訪(fǎng)問(wèn)信道，所以只需要考慮任意一種類(lèi)型的數據包訪(fǎng)問(wèn)信道的過(guò)程，而圖1的實(shí)線(xiàn)過(guò)程表示一種節點(diǎn)的實(shí)際訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程，虛線(xiàn)過(guò)程表示另一種數據包也在同時(shí)參與訪(fǎng)問(wèn)信道，但是并不是真正傳送，僅描述它們的一種并行的公平的競爭關(guān)系。定義S(t)(S∈(0，…，m))，C(t)(C∈(-2，…，Wi-1))，r(t)(r∈(0，…，r))分別為在時(shí)刻的backoff階段計數器大小，backoff計數器大小，重傳計數器大小。任何一個(gè)節點(diǎn)獲得信道之后，就開(kāi)始傳送其隊列中的首包，傳送該包完成后重新參與其他的節點(diǎn)的競爭信道的過(guò)程，即一次獲得信道，只傳一個(gè)數據包機制(One Service a Time Scheme)。

根據圖1馬爾可夫鏈的鏈式規則，可以得到關(guān)于各個(gè)狀態(tài)間的關(guān)系式(1)～(4)。其中式(1)表示節點(diǎn)獲得了新包，隨機選擇backoff計數器后進(jìn)行退避過(guò)程的轉移概率；式(2)表示節點(diǎn)不論信道的狀態(tài)，都以概率1遞減其backoff計數器的轉移慨率；式(3)表示節點(diǎn)在任意一個(gè)CCA發(fā)現信道忙后進(jìn)入下一個(gè)backoff階段的轉移概率；式(4)表示達到最大backoff階段后節點(diǎn)選擇下一次重傳的轉移概率。

其次，從信道的狀態(tài)來(lái)看，兩種數據包的訪(fǎng)問(wèn)信道的狀態(tài)轉移情況可以直觀(guān)地從圖2中宏觀(guān)馬爾可夫鏈看出，并且得到式(5)～(11)。其中式(5)～(7)分別表示任何一種節點(diǎn)在訪(fǎng)問(wèn)失敗、最后一次重傳的沖突傳送、每次重傳的成功傳送，若緩存中沒(méi)有其他數據包，那么直接轉移到idle狀態(tài)的轉移概率：式(8)表示任何一個(gè)節點(diǎn)都沒(méi)有新數據包，處于idle狀態(tài)的概率；式(9)～(11)分別表示任何一種節點(diǎn)在訪(fǎng)問(wèn)失敗、最后一次重傳的沖突傳送、每次重傳的成功傳送，若緩存中還有其他數據包，那么重新轉移到競爭傳送狀態(tài)的轉移概率。