無線傳感器網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、吞吐量等參數也是無線傳感器網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)域網絡的無線通信技術標準，也是無線傳感器網絡的工業(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絡實現(xiàn)極端條件下的監(jiān)控和測試。筆者根據火場監(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據包到sink節(jié)點的無線傳感器網絡，提出兩種實時性、公平性較高的無線傳感器網絡競爭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，提出了非均勻網絡的實時性、公平性要求，詳細、綜合分析兩種不同性質的數據包訪問信道的實時性、公平性，找到合適參數以提高系統(tǒng)的性能。
文中的分析建立在我們前期的工作基礎上，其分析模型和假設都如前所述，且狀態(tài)轉移概率表達式都如文獻所示的式(1—11)，這里不再贅述，只是列出了模型的示意圖，如圖1、圖2(a)、圖2(b)所示。如前所述，OSTS機制指的是在競爭信道過程中，獲取信道的節(jié)點傳送其緩存中的一個數據包，傳送完該數據包后，重新參與競爭信道以傳送其緩存中其他數據包；而BSTS機制指的是在競爭信道過程中，一旦獲取信道節(jié)點將其緩存中的所有數據包一次性傳送完成，然后直接進入休眠狀態(tài)。
對于圖2(a)所示的OSTS機制，在文獻中已經詳細說明了其狀態(tài)轉移特征，這里不加贅述。對于BSTS機制來說，一次傳完所有的數據包，可以理解為數據包的長度由原來的變成了(表示緩存的容量)，這樣，可以不用考慮緩存中的隊列的分布，那么，文獻中的表達式(5)～(11)中的μ0可以設置為1，即節(jié)點在成功傳送完成數據包后、訪問失敗后、傳送失敗后直接進入休眠狀態(tài)，那么，表達式(9)～(11)可以省略，而表示式(5)～(8)可以寫成：
這樣，在計算BSTS機制的公平性、延時特征時，可以不必考慮隊列信息，文獻中的式(13)～(15)中μ0設置為1，P0可以簡單記為(1-λ1／KL)(1-λ2／KL)，而文獻中的式(16)～(17)可以表示為：
2 性能分析
從上面的模型及其狀態(tài)轉移概率可知，這些概率實際上都是與信道的操作點有關，如文獻、描述，這些操作點參數決定了OSTS／BSTS機制的性能特征：公平性、延時性能。對于OSTS機制的實時性能分析與文獻、中的分析相同如式(23)～(24)，BSTS機制的實時性能分析只需將文獻式(23)中L變成了KL就行了，無需考慮計算隊列部分的延時，如式(7)所示。
對于異構網絡公平性的定義，可以參照文獻中所述：異構網絡中每個節(jié)點獲得的長期穩(wěn)定吞吐量為整個網絡吞吐量的1／N(N為整個網絡中節(jié)點總數)，這說明該網絡為公平網絡，而節(jié)點獲得的穩(wěn)定吞吐量不為總吞吐量的1／N，說明網絡為不公平網絡。以吞吐量和傳輸率為衡量網絡公平性能的指標：
其中，吞吐量指標中的每一項為下面所示：
3 實驗驗證
從上面的表達式(7)～(8)和文獻中的表達式(24)可以看出，OSTS／BSTS機制的吞吐量、傳輸率、延時量與網絡的節(jié)點個數、節(jié)點分布、數據包到達率、數據包長度、緩存容量、MAC參數等因素有關。通過NS-2仿真軟件來驗證數據包的實時性能。參考文獻所述的仿真搭建仿真平臺。所有節(jié)點都分布在以sink節(jié)點為圓心、半徑為5 m的圓內；每個節(jié)點都在彼此的傳輸范圍內，節(jié)點的傳輸距離為11 m；每個節(jié)點都能偵聽到其他節(jié)點的傳輸，也就是說不存在隱藏終端。網絡中存在兩種節(jié)點，數量分別為N1和N2，其數據包到達率分別為λ1和λ2。仿真參數如表1示，MAC的參數選取backoff計數器的初始值為23；baekoff階段值為m=5；重傳計數器為r=3；數據包的長度L=5為個baekoff大小。
首先，分析OSTS／BSTS機制的延時性能。如文獻中所述，取R=λ1／λ2，以其作為性能分析度量的基準，并把節(jié)點數目的比例作為度量系統(tǒng)非均勻度即非對稱度的度量，也就是說，系統(tǒng)的最大非均勻度即最大非對稱度是兩種節(jié)點的數目相當如N1=5，N2=5和N1=23，N2=12，而系統(tǒng)的最小非均勻度是兩種節(jié)點的數目相差最大如N1=23，N2=2。從圖3中得到：1)隨著節(jié)點數的增加，數據包的平均delay增加；2)隨著隊列長度的增加，delay會增加；3)相同節(jié)點數量不同的分布，R<1時，異構程度增加，delayr增加，如圖3b、3c；R>1時，異構程度增加，delay降低，如圖3b、3c；在R=1時，也就是兩種節(jié)點的數據包到達率相同，總的數據包數λ1N1+λ2N2在不同的節(jié)點組成情況下相等，所有的delay值相同，并且delay達到最大值。OSTS機制和BSTS機制在K=1時的時間性能是相同的；隨著異構程度的增加，也就是說在相同的節(jié)點組成情況下數據包到達率的差值減少，OSTS的實時性比BSTS的實時性好；而數據包到達率的差值增加，即異構程度降低，OSTS的實時性要差于BSTS機制。這樣，根據節(jié)點的分布情況，為了提高系統(tǒng)的實時性，合適地選擇異構機制很重要。
再來分析系統(tǒng)的公平性。對于異構網絡，公平性也是網絡的一個重要性能，如果節(jié)點在訪問信道的過程中，公平性較差，有些節(jié)點總是占據很小的帶寬，那么這些節(jié)點在競爭過程中獲得信道的機會就會很少，系統(tǒng)獲取這些節(jié)點的信息量就很少，這樣不利于系統(tǒng)的正常運行。前面的分析可以得知，每種節(jié)點的吞吐量占整個吞吐量的比例可以用來衡量公平性，那么這兩種節(jié)點在數據包到達率相同的情況下應該是公平傳輸數據包的，而在數據到達率不同時，就看哪種機制的吞吐量更加均勻分布在兩種節(jié)點間，哪種機制就顯示出更好的公平性。在分析公平性的同時，可以比較OSTS／BSTS機制的公平性和其他相似的非優(yōu)先級異構機制如Ramaehandran機制，Sarmiento機制等的公平性比較，如圖4(b)所示。
從圖4(a)中可以看出，在數據包到達率差異較大時，BSTS機制的公平性比其他幾種機制的公平性要高；在數據包到達率差異較小時，OSTS機制的公平性比其他幾種機制的公平性要高。例如，BSTS機制中節(jié)點N1和節(jié)點N2的吞吐量在lnR=-2時分別為0．099 8和0．123 8，在lnR=-1．5時的吞吐量分別為0．102 0和0．124 3。那么BSTS的帶寬分布在lnR=-2時為0．899 2／1，在lnR=-1．5時為0．924 1／1，這個帶寬分布比Sarmiento機制在lnR：一2時為0．872 l／1，在lnR=-1．5時為0．924 1／1，Ramaehandran機制在InR=-2時為0．869 3／1，在lnR=-1．5時為0．889 2／1這兩種情況的公平性要高。同時，傳輸率也可以用來評價公平性，如圖4(b)所示，各種機制的傳輸率分析與吞吐量的分析相似。
4 結論
文中提出了兩種新的IEEE 802．15．4 CSMA／CA訪問機制OSTS／BSTS，這兩個機制采用了兩個半馬爾可夫鏈和一個宏觀馬爾可夫鏈模型，聯(lián)合隊列模型詳細分析了系統(tǒng)的實時性、公平性。在有限節(jié)點數和理想信道的情況下，分析了OSTS／BSTS機制在非均勻的數據包到達率和非飽和條件下各個數據包訪問信道的時間性能，并且提出了這兩種機制與其他非優(yōu)先等級機制的公平性比較，通過NS-2仿真驗證了分析結果，發(fā)現(xiàn)我們的分析與仿真的結果是很吻合的。本文最大的特點是，數據包之間沒有優(yōu)先權的限制，所有包都有公平的機會訪問信道，無論是同一種節(jié)點還是不同種節(jié)點之間，這是與先前分析非均勻網絡等中性能僅是各個節(jié)點性能的簡單代數相加最大的區(qū)別。
