兩種異構(gòu)CSMA／CA機(jī)制OSTS／BSTS無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)公平性、實(shí)時(shí)性分析比較

摘要：IEEE802．15．4作為一種專為低速率無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)而設(shè)計(jì)的低成本、低功耗、低速率的短距離無(wú)線通信新標(biāo)準(zhǔn)，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種很好的解決方案。本文針時(shí)異構(gòu)、非飽和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，提出了兩種新的CSMA／CA機(jī)制：OSTS／BSTS機(jī)制；異構(gòu)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到達(dá)率不同，其各自獲取的吞吐量不同，由此分析獲得異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的公平性。OSTS／BSTS機(jī)制最大的特點(diǎn)是異構(gòu)節(jié)點(diǎn)被賦予了公平的機(jī)會(huì)來(lái)訪問(wèn)信道，不存在優(yōu)先權(quán)等級(jí)的問(wèn)題。這兩種機(jī)制采用兩個(gè)半馬爾可夫鏈模型來(lái)分別表達(dá)兩組節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)過(guò)程，一個(gè)宏觀馬爾可夫鏈模型來(lái)表達(dá)信道狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程，結(jié)合隊(duì)列理論模型來(lái)分析異構(gòu)節(jié)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(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了仿真。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；公平性分析；馬爾可夫鏈；CSMA／CA機(jī)制；NS-2仿真；M／G／1／K隊(duì)列理論

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的方式，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(tǒng)。由于應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性和傳感器節(jié)點(diǎn)的能量限制，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)就是節(jié)省能量，其次，對(duì)于具體的應(yīng)用，公平性、實(shí)時(shí)性、吞吐量等參數(shù)也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中重要的性能指標(biāo)，而媒體接入控制(Media Access Contml，MAC)協(xié)議的設(shè)計(jì)是整個(gè)WSN設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。IEEE802．15．4協(xié)議是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。隨著IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，無(wú)線傳感器的應(yīng)用取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其應(yīng)用早已經(jīng)由軍事國(guó)防領(lǐng)域擴(kuò)展到環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療健康、工商服務(wù)、反恐抗災(zāi)等諸多領(lǐng)域，使人們?cè)谌魏螘r(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)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)極端條件下的監(jiān)控和測(cè)試。筆者根據(jù)火場(chǎng)監(jiān)控應(yīng)用的實(shí)際需要，針對(duì)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(shù)據(jù)包到sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出兩種實(shí)時(shí)性、公平性較高的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)CSMMCA機(jī)制OS TS／BSTS(One Setvice a Time Scheme／Bulk Service a Time Scheme)，分析非飽和無(wú)線傳感器異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、公平性特征，并比較這兩種機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)，以此提出參數(shù)優(yōu)化方案并提高系統(tǒng)監(jiān)控性能。

1 建立模型
隨著無(wú)線通信、微電子機(jī)械制造技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的建立，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用幾乎涉及到了我們生活的方方面面，在目標(biāo)入侵監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、生物醫(yī)療、搶險(xiǎn)救災(zāi)以及工業(yè)加工過(guò)程的監(jiān)控等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用大量隨機(jī)分布的微型傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋檢測(cè)區(qū)域，通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)一跳或者多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使人們?cè)谌魏螘r(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(jiān)控物體或被監(jiān)控變量的狀態(tài)。同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在很多方面存在缺陷，諸如使用電池供電引起節(jié)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(duì)于實(shí)際應(yīng)用，提出了非均勻網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、公平性要求，詳細(xì)、綜合分析兩種不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)包訪問(wèn)信道的實(shí)時(shí)性、公平性，找到合適參數(shù)以提高系統(tǒng)的性能。