基于隊(duì)列理論CSMA／CA機(jī)制的無(wú)線傳感器異構(gòu)機(jī)制

摘要：自從IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來(lái)，基于低功耗、低速率傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)">無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用幾乎涉及到現(xiàn)實(shí)生活的方方面面；但是關(guān)于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CSMA／CA機(jī)制大部分都是基于均勻、飽和的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。文中針對(duì)非飽和、帶緩存的無(wú)線傳感器異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種新的異構(gòu)的CSMA／CA機(jī)制OSTS。該機(jī)制采用2個(gè)馬爾可夫鏈來(lái)分別表示異構(gòu)節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)信道的過(guò)程、一個(gè)宏觀馬爾可夫鏈來(lái)表達(dá)信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移，且結(jié)合M／G／1／K隊(duì)列理論分析數(shù)據(jù)包傳送的實(shí)時(shí)性能，并相應(yīng)地改進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。文中最大的特點(diǎn)是兩組非均勻節(jié)點(diǎn)被賦予了公平的機(jī)會(huì)訪問(wèn)信道，而不存在優(yōu)先權(quán)的問(wèn)題。此外，詳細(xì)分析了這種機(jī)制的數(shù)據(jù)包傳送時(shí)間，包括數(shù)據(jù)包到達(dá)率、包大小、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、緩存大小等參數(shù)
對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響；這些分析結(jié)果與我們采用NS-2工具仿真的結(jié)果十分吻合。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；實(shí)時(shí)性分析；馬爾可夫鏈；CSMMA／CA機(jī)制；NS-2仿真；M／G／1／K隊(duì)列理論

隨著無(wú)線通信、集成電路、傳感器以及微機(jī)電系統(tǒng)(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(nèi)通常集成了信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等多種功能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線電通信形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。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，人們又稱無(wú)線傳感器網(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(gòu)性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個(gè)非常重要的特征，眾多因素決定了異構(gòu)性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在、泛在的特征。文中根據(jù)火場(chǎng)監(jiān)控應(yīng)用的實(shí)時(shí)性需要，針對(duì)傳輸火場(chǎng)環(huán)境下的溫度及濕度這兩個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)包到sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，基于隊(duì)列理論分析其網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性特征，提出了一種新的CSMA／CA機(jī)制OSTS(一次獲得信道，只傳一個(gè)數(shù)據(jù)包機(jī)制)，以此分析及提高系統(tǒng)監(jiān)控性能。

1 建立模型
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)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)勢(shì)使得其應(yīng)用幾乎涉及到我們生活的方方面面；但是無(wú)線傳感器網(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(jié)能的需求，公平性、實(shí)時(shí)性、吞吐量的有待提高等等。
針對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求，詳細(xì)、綜合分析兩種不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)包以公平的機(jī)會(huì)訪問(wèn)信道的時(shí)間性能，找到合適參數(shù)以減少數(shù)據(jù)包訪問(wèn)時(shí)間、提高實(shí)時(shí)性要求。
在提出OSTS機(jī)制，建立分析模型之前，先作出如下的假設(shè)：假設(shè)信標(biāo)指數(shù)為4，所以每個(gè)包都能在同一個(gè)超幀傳送完；數(shù)據(jù)包的接受確認(rèn)可以無(wú)需通過(guò)ACK來(lái)執(zhí)行；為了避免成功獲取信道的節(jié)點(diǎn)永久占用信道，參與競(jìng)爭(zhēng)的所有節(jié)點(diǎn)而不僅僅是傳送節(jié)點(diǎn)將其backoff計(jì)數(shù)器降為最小值；傳完一個(gè)數(shù)據(jù)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(tǒng)中存在2種節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為N1和N2，到達(dá)節(jié)點(diǎn)的流量滿足泊松(Poisson)過(guò)程且數(shù)據(jù)包到達(dá)率分別為λ1和λ2；參與競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)包都是每個(gè)隊(duì)列的首數(shù)據(jù)包，那么可以簡(jiǎn)化競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，即只考慮參與競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包訪問(wèn)信道的過(guò)程，如圖1所示，這個(gè)鏈?zhǔn)堑母倪M(jìn)；一個(gè)宏觀馬爾可夫鏈表示信道的狀態(tài)，如圖2所示。

首先，考慮OSTS機(jī)制的節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)信道的馬爾可夫過(guò)程。每次參與競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)包，無(wú)論是哪種類型的節(jié)點(diǎn)包都有公平的機(jī)會(huì)訪問(wèn)信道，所以只需要考慮任意一種類型的數(shù)據(jù)包訪問(wèn)信道的過(guò)程，而圖1的實(shí)線過(guò)程表示一種節(jié)點(diǎn)的實(shí)際訪問(wèn)過(guò)程，虛線過(guò)程表示另一種數(shù)據(jù)包也在同時(shí)參與訪問(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(jìng)爭(zhēng)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(jì)數(shù)器大小，backoff計(jì)數(shù)器大小，重傳計(jì)數(shù)器大小。任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得信道之后，就開(kāi)始傳送其隊(duì)列中的首包，傳送該包完成后重新參與其他的節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)信道的過(guò)程，即一次獲得信道，只傳一個(gè)數(shù)據(jù)包機(jī)制(One Service a Time Scheme)。

根據(jù)圖1馬爾可夫鏈的鏈?zhǔn)揭?guī)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(jié)點(diǎn)獲得了新包，隨機(jī)選擇backoff計(jì)數(shù)器后進(jìn)行退避過(guò)程的轉(zhuǎn)移概率；式(2)表示節(jié)點(diǎn)不論信道的狀態(tài)，都以概率1遞減其backoff計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)移慨率；式(3)表示節(jié)點(diǎn)在任意一個(gè)CCA發(fā)現(xiàn)信道忙后進(jìn)入下一個(gè)backoff階段的轉(zhuǎn)移概率；式(4)表示達(dá)到最大backoff階段后節(jié)點(diǎn)選擇下一次重傳的轉(zhuǎn)移概率。

其次，從信道的狀態(tài)來(lái)看，兩種數(shù)據(jù)包的訪問(wèn)信道的狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況可以直觀地從圖2中宏觀馬爾可夫鏈看出，并且得到式(5)～(11)。其中式(5)～(7)分別表示任何一種節(jié)點(diǎn)在訪問(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(shù)據(jù)包，那么直接轉(zhuǎn)移到idle狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率：式(8)表示任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒(méi)有新數(shù)據(jù)包，處于idle狀態(tài)的概率；式(9)～(11)分別表示任何一種節(jié)點(diǎn)在訪問(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(shù)據(jù)包，那么重新轉(zhuǎn)移到競(jìng)爭(zhēng)傳送狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率。