兩種異構CSMA／CA機制OSTS／BSTS無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )公平性、實(shí)時(shí)性分析比較

摘要：IEEE802．15．4作為一種專(zhuān)為低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(WPAN)而設計的低成本、低功耗、低速率的短距離無(wú)線(xiàn)通信新標準，為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )提供了一種很好的解決方案。本文針時(shí)異構、非飽和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，提出了兩種新的CSMA／CA機制：OSTS／BSTS機制；異構節點(diǎn)數據到達率不同，其各自獲取的吞吐量不同，由此分析獲得異構網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的公平性。OSTS／BSTS機制最大的特點(diǎn)是異構節點(diǎn)被賦予了公平的機會(huì )來(lái)訪(fǎng)問(wèn)信道，不存在優(yōu)先權等級的問(wèn)題。這兩種機制采用兩個(gè)半馬爾可夫鏈模型來(lái)分別表達兩組節點(diǎn)的訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程，一個(gè)宏觀(guān)馬爾可夫鏈模型來(lái)表達信道狀態(tài)轉換過(guò)程，結合隊列理論模型來(lái)分析異構節點(diǎn)的延時(shí)量、吞吐量、傳輸概率等特性，以獲取網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性、公平性理論模型，并采用NS-2仿真工具對分析結果進(jìn)行了仿真。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；公平性分析；馬爾可夫鏈；CSMA／CA機制；NS-2仿真；M／G／1／K隊列理論

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由大量具有特定功能的傳感器節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式，相互傳遞信息，協(xié)同的完成特定功能的自組織的網(wǎng)絡(luò )系統。由于應用場(chǎng)景的特殊性和傳感器節點(diǎn)的能量限制，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的首要目標就是節省能量，其次，對于具體的應用，公平性、實(shí)時(shí)性、吞吐量等參數也是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計中重要的性能指標，而媒體接入控制(Media Access Contml，MAC)協(xié)議的設計是整個(gè)WSN設計的重要環(huán)節。IEEE802．15．4協(xié)議是針對低速無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準，也是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的工業(yè)界標準。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)。在許多場(chǎng)合，可依靠這種低成本的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現極端條件下的監控和測試。筆者根據火場(chǎng)監控應用的實(shí)際需要，針對傳輸火場(chǎng)環(huán)境下的溫度及濕度這兩個(gè)非均勻變量數據包到sink節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，提出兩種實(shí)時(shí)性、公平性較高的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )競爭CSMMCA機制OS TS／BSTS(One Setvice a Time Scheme／Bulk Service a Time Scheme)，分析非飽和無(wú)線(xiàn)傳感器異構網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性、公平性特征，并比較這兩種機制的優(yōu)缺點(diǎn)，以此提出參數優(yōu)化方案并提高系統監控性能。

1 建立模型
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信、微電子機械制造技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，IEEE 802．15．4標準的建立，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用幾乎涉及到了我們生活的方方面面，在目標入侵監測、目標跟蹤、環(huán)境監測、戰場(chǎng)偵察、生物醫療、搶險救災以及工業(yè)加工過(guò)程的監控等領(lǐng)域都有很好的應用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用大量隨機分布的微型傳感器節點(diǎn)覆蓋檢測區域，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成一個(gè)一跳或者多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，使人們在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境下，實(shí)時(shí)、精確地獲取被監控物體或被監控變量的狀態(tài)。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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。我們針對于實(shí)際應用，提出了非均勻網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性、公平性要求，詳細、綜合分析兩種不同性質(zhì)的數據包訪(fǎng)問(wèn)信道的實(shí)時(shí)性、公平性，找到合適參數以提高系統的性能。