基于IEEE 802．15．4 CSMA／CA機(jī)制的無(wú)線非均勻傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能分析

摘要：自從IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來(lái)，低功耗、低速率傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/無(wú)線">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，而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CSMA／CA機(jī)制性能分析大部分都是基于均勻、飽和的傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)非均勻、非飽和的CSMA／CA機(jī)制，提出了一種離散的性能評(píng)估方法，采用兩個(gè)半馬爾可夫鏈來(lái)分別表達(dá)兩組節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)過(guò)程、一個(gè)宏觀馬爾可夫鏈來(lái)表達(dá)信道狀態(tài)。最大的特點(diǎn)是兩組節(jié)點(diǎn)被賦予了公平的機(jī)會(huì)來(lái)訪問(wèn)信道，而不存在優(yōu)先權(quán)的問(wèn)題。基于這個(gè)模型，分析了不飽和、無(wú)ACK的IEEE 802．1．5．4信標(biāo)使能訪問(wèn)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)量等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響，并且這些分析結(jié)果與采用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；CSMA／CA機(jī)制；NS-2

無(wú)線傳感器采用大量的傳感器節(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)。它具有成本低、節(jié)點(diǎn)密集、低功耗、自組織以及無(wú)線部署等特點(diǎn)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以使人們?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)。其目前已廣泛應(yīng)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(lǐng)域，尤其是一些災(zāi)后重建、惡劣環(huán)境、突發(fā)事件監(jiān)控等安防領(lǐng)域。本文根據(jù)火場(chǎng)監(jiān)控應(yīng)用的實(shí)時(shí)性需要，針對(duì)傳輸溫度及濕度這兩個(gè)非均勻變量數(shù)據(jù)包的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，分析其無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)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(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，機(jī)制內(nèi)在的性能優(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。我們針對(duì)于應(yīng)用實(shí)際，提出了非均勻網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求，在詳細(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)間性能的同時(shí)，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；為了節(jié)能，節(jié)點(diǎn)在backoff階段處于休眠而不是idle狀態(tài)；節(jié)點(diǎn)在成功傳送、訪問(wèn)失敗、達(dá)到最大重傳次數(shù)后，等待兩個(gè)baekoff時(shí)隙之后進(jìn)入休眠狀態(tài)：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降為最小值；系統(tǒng)中存N在個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中兩種節(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Poisson過(guò)程且數(shù)據(jù)包到達(dá)率分別為λ1、λ2。節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)機(jī)制可采用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)菂⒖嘉墨I(xiàn)的改進(jìn)；一個(gè)宏觀馬爾可夫鏈表示信道的狀態(tài)，如圖2所示。