摘要：自從IEEE 802．15．4標準發(fā)布以來，基于低功耗、低速率傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/無線傳感器網(wǎng)絡">無線傳感器網(wǎng)絡的應用幾乎涉及到現(xiàn)實生活的方方面面；但是關于這個標準的CSMA／CA機制大部分都是基于均勻、飽和的傳感器網(wǎng)絡應用。文中針對非飽和、帶緩存的無線傳感器異構(gòu)網(wǎng)絡，提出了一種新的異構(gòu)的CSMA／CA機制OSTS。該機制采用2個馬爾可夫鏈來分別表示異構(gòu)節(jié)點訪問信道的過程、一個宏觀馬爾可夫鏈來表達信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移，且結(jié)合M／G／1／K隊列理論分析數(shù)據(jù)包傳送的實時性能，并相應地改進系統(tǒng)的實時性。文中最大的特點是兩組非均勻節(jié)點被賦予了公平的機會訪問信道，而不存在優(yōu)先權(quán)的問題。此外，詳細分析了這種機制的數(shù)據(jù)包傳送時間，包括數(shù)據(jù)包到達率、包大小、節(jié)點數(shù)量、緩存大小等參數(shù)
對系統(tǒng)實時性的影響；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。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；實時性分析；馬爾可夫鏈；CSMMA／CA機制；NS-2仿真；M／G／1／K隊列理論

隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機電系統(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)處理和無線通信等多種功能。無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，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，因此，人們又稱無線傳感器網(wǎng)絡為“智能塵埃”，將它散布于四周以實物感知物理世界的變化。異構(gòu)性是無線傳感器網(wǎng)絡一個非常重要的特征，眾多因素決定了異構(gòu)性是無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)在、泛在的特征。文中根據(jù)火場監(jiān)控應用的實時性需要，針對傳輸火場環(huán)境下的溫度及濕度這兩個異構(gòu)數(shù)據(jù)包到sink節(jié)點的無線傳感器異構(gòu)網(wǎng)絡，基于隊列理論分析其網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性特征，提出了一種新的CSMA／CA機制OSTS(一次獲得信道，只傳一個數(shù)據(jù)包機制)，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(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡的性能優(yōu)勢使得其應用幾乎涉及到我們生活的方方面面；但是無線傳感器網(wǎng)絡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、實時性、吞吐量的有待提高等等。
針對于實際應用，提出了異構(gòu)網(wǎng)絡的實時性要求，詳細、綜合分析兩種不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)包以公平的機會訪問信道的時間性能，找到合適參數(shù)以減少數(shù)據(jù)包訪問時間、提高實時性要求。
在提出OSTS機制，建立分析模型之前，先作出如下的假設：假設信標指數(shù)為4，所以每個包都能在同一個超幀傳送完；數(shù)據(jù)包的接受確認可以無需通過ACK來執(zhí)行；為了避免成功獲取信道的節(jié)點永久占用信道，參與競爭的所有節(jié)點而不僅僅是傳送節(jié)點將其backoff計數(shù)器降為最小值；傳完一個數(shù)據(jù)包后，信道為空的概率μ0與任何時刻信道為空的概率P0不相等；系統(tǒng)中存在2種節(jié)點，節(jié)點個數(shù)分別為N1和N2，到達節(jié)點的流量滿足泊松(Poisson)過程且數(shù)據(jù)包到達率分別為λ1和λ2；參與競爭的數(shù)據(jù)包都是每個隊列的首數(shù)據(jù)包，那么可以簡化競爭機制，即只考慮參與競爭的數(shù)據(jù)包。這樣，采用3個馬爾可夫鏈模型來描述，其中兩個半馬爾可夫鏈分別表示兩種數(shù)據(jù)包訪問信道的過程，如圖1所示，這個鏈是的改進；一個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機制的節(jié)點訪問信道的馬爾可夫過程。每次參與競爭的數(shù)據(jù)包，無論是哪種類型的節(jié)點包都有公平的機會訪問信道，所以只需要考慮任意一種類型的數(shù)據(jù)包訪問信道的過程，而圖1的實線過程表示一種節(jié)點的實際訪問過程，虛線過程表示另一種數(shù)據(jù)包也在同時參與訪問信道，但是并不是真正傳送，僅描述它們的一種并行的公平的競爭關系。定義S(t)(S∈(0，…，m))，C(t)(C∈(-2，…，Wi-1))，r(t)(r∈(0，…，r))分別為在時刻的backoff階段計數(shù)器大小，backoff計數(shù)器大小，重傳計數(shù)器大小。任何一個節(jié)點獲得信道之后，就開始傳送其隊列中的首包，傳送該包完成后重新參與其他的節(jié)點的競爭信道的過程，即一次獲得信道，只傳一個數(shù)據(jù)包機制(One Service a Time Scheme)。

根據(jù)圖1馬爾可夫鏈的鏈式規(guī)則，可以得到關于各個狀態(tài)間的關系式(1)～(4)。其中式(1)表示節(jié)點獲得了新包，隨機選擇backoff計數(shù)器后進行退避過程的轉(zhuǎn)移概率；式(2)表示節(jié)點不論信道的狀態(tài)，都以概率1遞減其backoff計數(shù)器的轉(zhuǎn)移慨率；式(3)表示節(jié)點在任意一個CCA發(fā)現(xiàn)信道忙后進入下一個backoff階段的轉(zhuǎn)移概率；式(4)表示達到最大backoff階段后節(jié)點選擇下一次重傳的轉(zhuǎn)移概率。

其次，從信道的狀態(tài)來看，兩種數(shù)據(jù)包的訪問信道的狀態(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)點在訪問失敗、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)表示任何一個節(jié)點都沒有新數(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)點在訪問失敗、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)移到競爭傳送狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率。