两种异构CSMA／CA机制OSTS／BSTS无线传感网络公平性、实时性分析比较

摘要：IEEE802．15．4作为一种专为低速率无线个人区域网络(WPAN)而设计的低成本、低功耗、低速率的短距离无线通信新标准，为无线传感器网络提供了一种很好的解决方案。本文针时异构、非饱和无线网络，提出了两种新的CSMA／CA机制：OSTS／BSTS机制；异构节点数据到达率不同，其各自获取的吞吐量不同，由此分析获得异构网络节点的公平性。OSTS／BSTS机制最大的特点是异构节点被赋予了公平的机会来访问信道，不存在优先权等级的问题。这两种机制采用两个半马尔可夫链模型来分别表达两组节点的访问过程，一个宏观马尔可夫链模型来表达信道状态转换过程，结合队列理论模型来分析异构节点的延时量、吞吐量、传输概率等特性，以获取网络实时性、公平性理论模型，并采用NS-2仿真工具对分析结果进行了仿真。
关键词：无线传感器网络；公平性分析；马尔可夫链；CSMA／CA机制；NS-2仿真；M／G／1／K队列理论

无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过无线通信的方式，相互传递信息，协同的完成特定功能的自组织的网络系统。由于应用场景的特殊性和传感器节点的能量限制，无线传感器网络设计的首要目标就是节省能量，其次，对于具体的应用，公平性、实时性、吞吐量等参数也是无线传感器网络设计中重要的性能指标，而媒体接入控制(Media Access Contml，MAC)协议的设计是整个WSN设计的重要环节。IEEE802．15．4协议是针对低速无线个人区域网络的无线通信技术标准，也是无线传感器网络的工业界标准。随着IEEE802．15．4标准的发布，无线传感器的应用取得突飞猛进的发展，其应用早已经由军事国防领域扩展到环境监测、交通管理、医疗健康、工商服务、反恐抗灾等诸多领域，使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下都能够获取大量翔实可靠的信息，最终成为一种“无处不在”的传感技
术。在许多场合，可依靠这种低成本的无线通信网络实现极端条件下的监控和测试。笔者根据火场监控应用的实际需要，针对传输火场环境下的温度及湿度这两个非均匀变量数据包到sink节点的无线传感器网络，提出两种实时性、公平性较高的无线传感器网络竞争CSMMCA机制OS TS／BSTS(One Setvice a Time Scheme／Bulk Service a Time Scheme)，分析非饱和无线传感器异构网络的实时性、公平性特征，并比较这两种机制的优缺点，以此提出参数优化方案并提高系统监控性能。

1 建立模型
随着无线通信、微电子机械制造技术和传感技术的发展，IEEE 802．15．4标准的建立，无线传感器网络应用几乎涉及到了我们生活的方方面面，在目标入侵监测、目标跟踪、环境监测、战场侦察、生物医疗、抢险救灾以及工业加工过程的监控等领域都有很好的应用。无线传感器网络采用大量随机分布的微型传感器节点覆盖检测区域，通过无线通信方式形成一个一跳或者多跳的自组织网络系统，使人们在任何时间、任何地点和任何环境下，实时、精确地获取被监控物体或被监控变量的状态。同时，无线传感器网络在很多方面存在缺陷，诸如使用电池供电引起节能的需求，公平性、实时性、吞吐量的有待提高等等。我们针对于实际应用，提出了非均匀网络的实时性、公平性要求，详细、综合分析两种不同性质的数据包访问信道的实时性、公平性，找到合适参数以提高系统的性能。