基于IEEE 802．15．4 CSMA／CA機制的無(wú)線(xiàn)非均勻傳感網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性能分析

摘要：自從IEEE802．15．4標準發(fā)布以來(lái)，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，而這個(gè)標準的CSMA／CA機制性能分析大部分都是基于均勻、飽和的傳感器網(wǎng)絡(luò )。針對非均勻、非飽和的CSMA／CA機制，提出了一種離散的性能評估方法，采用兩個(gè)半馬爾可夫鏈來(lái)分別表達兩組節點(diǎn)的訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程、一個(gè)宏觀(guān)馬爾可夫鏈來(lái)表達信道狀態(tài)。最大的特點(diǎn)是兩組節點(diǎn)被賦予了公平的機會(huì )來(lái)訪(fǎng)問(wèn)信道，而不存在優(yōu)先權的問(wèn)題?；谶@個(gè)模型，分析了不飽和、無(wú)ACK的IEEE 802．1．5．4信標使能訪(fǎng)問(wèn)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)數量等參數對系統實(shí)時(shí)性的影響，并且這些分析結果與采用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；CSMA／CA機制；NS-2

無(wú)線(xiàn)傳感器采用大量的傳感器節點(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。它具有成本低、節點(diǎn)密集、低功耗、自組織以及無(wú)線(xiàn)部署等特點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以使人們在任何時(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)。其目前已廣泛應用于農業(yè)種植、智能建筑物、醫療監控、智能交通等領(lǐng)域，尤其是一些災后重建、惡劣環(huán)境、突發(fā)事件監控等安防領(lǐng)域。本文根據火場(chǎng)監控應用的實(shí)時(shí)性需要，針對傳輸溫度及濕度這兩個(gè)非均勻變量數據包的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，分析其無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳輸的實(shí)時(shí)性特征，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)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，機制內在的性能優(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。我們針對于應用實(shí)際，提出了非均勻網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性要求，在詳細、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)間性能的同時(shí)，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；為了節能，節點(diǎn)在backoff階段處于休眠而不是idle狀態(tài)；節點(diǎn)在成功傳送、訪(fǎng)問(wèn)失敗、達到最大重傳次數后，等待兩個(gè)baekoff時(shí)隙之后進(jìn)入休眠狀態(tài)：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降為最小值；系統中存N在個(gè)節點(diǎn)，其中兩種節點(diǎn)個(gè)數分別為N1和N2，到達節點(diǎn)的流量滿(mǎn)足Poisson過(guò)程且數據包到達率分別為λ1、λ2。節點(diǎn)的訪(fǎng)問(wèn)機制可采用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)鏈是參考文獻的改進(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。