兩種異構CSMA/CA機制OSTS/BSTS無線傳感網(wǎng)絡公平性、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(WPAN)而設計的低成本、低功耗、低速率的短距離無線通信新標準,為無線傳感器網(wǎng)絡提供了一種很好的解決方案。本文針時異構、非飽和無線網(wǎng)絡,提出了兩種新的CSMA/CA機制:OSTS/BSTS機制;異構節(jié)點數(shù)據(jù)到達率不同,其各自獲取的吞吐量不同,由此分析獲得異構網(wǎng)絡節(jié)點的公平性。OSTS/BSTS機制最大的特點是異構節(jié)點被賦予了公平的機會來訪問信道,不存在優(yōu)先權等級的問題。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,結合隊列理論模型來分析異構節(jié)點的延時量、吞吐量、傳輸概率等特性,以獲取網(wǎng)絡實時性、公平性理論模型,并采用NS-2仿真工具對分析結果進行了仿真。
關鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡;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)絡系統(tǒng)。由于應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)絡設計的首要目標就是節(jié)省能量,其次,對于具體的應用,公平性、實時性、吞吐量等參數(shù)也是無線傳感器網(wǎng)絡設計中重要的性能指標,而媒體接入控制(Media Access Contml,MAC)協(xié)議的設計是整個WSN設計的重要環(huán)節(jié)。IEEE802.15.4協(xié)議是針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡的無線通信技術標準,也是無線傳感器網(wǎng)絡的工業(yè)界標準。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,其應用早已經(jīng)由軍事國防領域擴展到環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療健康、工商服務、反恐抗災等諸多領域,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。在許多場合,可依靠這種低成本的無線通信網(wǎng)絡實現(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,提出兩種實時性、公平性較高的無線傳感器網(wǎng)絡競爭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網(wǎng)絡的實時性、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和傳感技術的發(fā)展,IEEE 802.15.4標準的建立,無線傳感器網(wǎng)絡應用幾乎涉及到了我們生活的方方面面,在目標入侵監(jiān)測、目標跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察、生物醫(yī)療、搶險救災以及工業(yè)加工過程的監(jiān)控等領域都有很好的應用。無線傳感器網(wǎng)絡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。我們針對于實際應用,提出了非均勻網(wǎng)絡的實時性、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。
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