基于IEEE 802．15．4 CSMA／CA机制的无线非均匀传感网络实时性能分析

摘要：自从IEEE802．15．4标准发布以来，低功耗、低速率传输的无线传感器网络的应用几乎涉及到现实生活的方方面面，而这个标准的CSMA／CA机制性能分析大部分都是基于均匀、饱和的传感器网络。针对非均匀、非饱和的CSMA／CA机制，提出了一种离散的性能评估方法，采用两个半马尔可夫链来分别表达两组节点的访问过程、一个宏观马尔可夫链来表达信道状态。最大的特点是两组节点被赋予了公平的机会来访问信道，而不存在优先权的问题。基于这个模型，分析了不饱和、无ACK的IEEE 802．1．5．4信标使能访问机制的数据包传送时间，包括数据包到达率、包大小、节点数量等参数对系统实时性的影响，并且这些分析结果与采用NS-2工具仿真的结果十分吻合。
关键词：无线传感器网络；实时性分析；马尔可夫链；CSMA／CA机制；NS-2

无线传感器采用大量的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。它具有成本低、节点密集、低功耗、自组织以及无线部署等特点。无线传感网络技术可以使人们在任何时间、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。其目前已广泛应用于农业种植、智能建筑物、医疗监控、智能交通等领域，尤其是一些灾后重建、恶劣环境、突发事件监控等安防领域。本文根据火场监控应用的实时性需要，针对传输温度及湿度这两个非均匀变量数据包的无线传感器网络，分析其无线传感器网络传输的实时性特征，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，机制内在的性能优势使得其应用几乎涉及到我们生活的方方面面；但是无线传感器网络依然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。我们针对于应用实际，提出了非均匀网络的实时性要求，在详细、综合分析两种不同性质的数据包以公平的机会访问信道的时间性能的同时，找到合适参数以减少数据包访问时间、提高实时性要求。
在建立分析模型之前，先作出如下的假设：假设信标指数为4，所以每个包都能在同一个超帧传送完；数据包的接受确认可以无需通过ACK来执行；为了节能，节点在backoff阶段处于休眠而不是idle状态；节点在成功传送、访问失败、达到最大重传次数后，等待两个baekoff时隙之后进入休眠状态：为了避免成功获取信道的节点永久占用信道，参与竞争的所有节点而不仅仅是传送节点将其backoff降为最小值；系统中存N在个节点，其中两种节点个数分别为N1和N2，到达节点的流量满足Poisson过程且数据包到达率分别为λ1、λ2。节点的访问机制可采用3个马尔可夫链模型来描述，其中两个半马尔可夫链分别表示两种数据包访问信道的过程，如图1所示，这个链是参考文献的改进；一个宏观马尔可夫链表示信道的状态，如图2所示。