兩種異構(gòu)CSMA／CA機制OSTS／BSTS無線傳感網(wǎng)絡(luò)公平性、實時性分析比較

摘要：IEEE802．15．4作為一種專為低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)而設(shè)計的低成本、低功耗、低速率的短距離無線通信新標(biāo)準，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種很好的解決方案。本文針時異構(gòu)、非飽和無線網(wǎng)絡(luò)，提出了兩種新的CSMA／CA機制：OSTS／BSTS機制；異構(gòu)節(jié)點數(shù)據(jù)到達率不同，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)點的公平性。OSTS／BSTS機制最大的特點是異構(gòu)節(jié)點被賦予了公平的機會來訪問信道，不存在優(yōu)先權(quán)等級的問題。這兩種機制采用兩個半馬爾可夫鏈模型來分別表達兩組節(jié)點的訪問過程，一個宏觀馬爾可夫鏈模型來表達信道狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，結(jié)合隊列理論模型來分析異構(gòu)節(jié)點的延時量、吞吐量、傳輸概率等特性，以獲取網(wǎng)絡(luò)實時性、公平性理論模型，并采用NS-2仿真工具對分析結(jié)果進行了仿真。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(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)點通過無線通信的方式，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)用場景的特殊性和傳感器節(jié)點的能量限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的首要目標(biāo)就是節(jié)省能量，其次，對于具體的應(yīng)用，公平性、實時性、吞吐量等參數(shù)也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中重要的性能指標(biāo)，而媒體接入控制(Media Access Contml，MAC)協(xié)議的設(shè)計是整個WSN設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。IEEE802．15．4協(xié)議是針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)標(biāo)準，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)界標(biāo)準。隨著IEEE802．15．4標(biāo)準的發(fā)布，無線傳感器的應(yīng)用取得突飛猛進的發(fā)展，其應(yīng)用早已經(jīng)由軍事國防領(lǐng)域擴展到環(huán)境監(jiān)測、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，使人們在任何時間、任何地點和任何環(huán)境條件下都能夠獲取大量翔實可靠的信息，最終成為一種“無處不在”的傳感技
術(shù)。在許多場合，可依靠這種低成本的無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)極端條件下的監(jiān)控和測試。筆者根據(jù)火場監(jiān)控應(yīng)用的實際需要，針對傳輸火場環(huán)境下的溫度及濕度這兩個非均勻變量數(shù)據(jù)包到sink節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出兩種實時性、公平性較高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)競爭CSMMCA機制OS TS／BSTS(One Setvice a Time Scheme／Bulk Service a Time Scheme)，分析非飽和無線傳感器異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的實時性、公平性特征，并比較這兩種機制的優(yōu)缺點，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
隨著無線通信、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(biāo)準的建立，無線傳感器網(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、目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察、生物醫(yī)療、搶險救災(zāi)以及工業(yè)加工過程的監(jiān)控等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用大量隨機分布的微型傳感器節(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(luò)系統(tǒng)，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)。同時，無線傳感器網(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、實時性、吞吐量的有待提高等等。我們針對于實際應(yīng)用，提出了非均勻網(wǎng)絡(luò)的實時性、公平性要求，詳細、綜合分析兩種不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)包訪問信道的實時性、公平性，找到合適參數(shù)以提高系統(tǒng)的性能。