基于IEEE 802．15．4 CSMA／CA機制的無線非均勻傳感網(wǎng)絡實時性能分析

摘要：自從IEEE802．15．4標準發(fā)布以來，低功耗、低速率傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/無線">無線傳感器網(wǎng)絡的應用幾乎涉及到現(xiàn)實生活的方方面面，而這個標準的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。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，采用兩個半馬爾可夫鏈來分別表達兩組節(jié)點的訪問過程、一個宏觀馬爾可夫鏈來表達信道狀態(tài)。最大的特點是兩組節(jié)點被賦予了公平的機會來訪問信道，而不存在優(yōu)先權的問題。基于這個模型，分析了不飽和、無ACK的IEEE 802．1．5．4信標使能訪問機制的數(shù)據(jù)包傳送時間，包括數(shù)據(jù)包到達率、包大小、節(jié)點數(shù)量等參數(shù)對系統(tǒng)實時性的影響，并且這些分析結果與采用NS-2工具仿真的結果十分吻合。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；實時性分析；馬爾可夫鏈；CSMA／CA機制；NS-2

無線傳感器采用大量的傳感器節(jié)點覆蓋檢測區(qū)域，通過無線通信方式形成一個一跳或者多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。它具有成本低、節(jié)點密集、低功耗、自組織以及無線部署等特點。無線傳感網(wǎng)絡技術可以使人們在任何時間、任何地點和任何環(huán)境下，實時、精確地獲取被監(jiān)控物體或被監(jiān)控變量的狀態(tài)。其目前已廣泛應用于農(nóng)業(yè)種植、智能建筑物、醫(yī)療監(jiān)控、智能交通等領域，尤其是一些災后重建、惡劣環(huán)境、突發(fā)事件監(jiān)控等安防領域。本文根據(jù)火場監(jiān)控應用的實時性需要，針對傳輸溫度及濕度這兩個非均勻變量數(shù)據(jù)包的無線傳感器網(wǎng)絡，分析其無線傳感器網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性特征，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IEEE802．15．4標準的發(fā)布，無線傳感器的應用取得突飛猛進的發(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；但是無線傳感器網(wǎng)絡依然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、實時性、吞吐量的有待提高等等。我們針對于應用實際，提出了非均勻網(wǎng)絡的實時性要求，在詳細、綜合分析兩種不同性質的數(shù)據(jù)包以公平的機會訪問信道的時間性能的同時，找到合適參數(shù)以減少數(shù)據(jù)包訪問時間、提高實時性要求。
在建立分析模型之前，先作出如下的假設：假設信標指數(shù)為4，所以每個包都能在同一個超幀傳送完；數(shù)據(jù)包的接受確認可以無需通過ACK來執(zhí)行；為了節(jié)能，節(jié)點在backoff階段處于休眠而不是idle狀態(tài)；節(jié)點在成功傳送、訪問失敗、達到最大重傳次數(shù)后，等待兩個baekoff時隙之后進入休眠狀態(tài)：為了避免成功獲取信道的節(jié)點永久占用信道，參與競爭的所有節(jié)點而不僅僅是傳送節(jié)點將其backoff降為最小值；系統(tǒng)中存N在個節(jié)點，其中兩種節(jié)點個數(shù)分別為N1和N2，到達節(jié)點的流量滿足Poisson過程且數(shù)據(jù)包到達率分別為λ1、λ2。節(jié)點的訪問機制可采用3個馬爾可夫鏈模型來描述，其中兩個半馬爾可夫鏈分別表示兩種數(shù)據(jù)包訪問信道的過程，如圖1所示，這個鏈是參考文獻的改進；一個宏觀馬爾可夫鏈表示信道的狀態(tài)，如圖2所示。