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

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。

　　文中的分析建立在我们前期的工作基础上，其分析模型和假设都如前所述，且状态转移概率表达式都如文献所示的式(1-11)，这里不再赘述，只是列出了模型的示意图，如图1、图2(a)、图2(b)所示。如前所述，OSTS机制指的是在竞争信道过程中，获取信道的节点传送其缓存中的一个数据包，传送完该数据包后，重新参与竞争信道以传送其缓存中其他数据包；而BSTS机制指的是在竞争信道过程中，一旦获取信道节点将其缓存中的所有数据包一次性传送完成，然后直接进入休眠状态。

对于图2(a)所示的OSTS机制，在文献中已经详细说明了其状态转移特征，这里不加赘述。对于BSTS机制来说，一次传完所有的数据包，可以理解为数据包的长度由原来的变成了(表示缓存的容量)，这样，可以不用考虑缓存中的队列的分布，那么，文献中的表达式(5)～(11)中的μ0可以设置为1，即节点在成功传送完成数据包后、访问失败后、传送失败后直接进入休眠状态，那么，表达式(9)～(11)可以省略，而表示式(5)～(8)可以写成：
　　

这样，在计算BSTS机制的公平性、延时特征时，可以不必考虑队列信息，文献中的式(13)～(15)中μ0设置为1，P0可以简单记为(1-λ1／KL)(1-λ2／KL)，而文献中的式(16)～(17)可以表示为：
　　

2 性能分析

从上面的模型及其状态转移概率可知，这些概率实际上都是与信道的操作点有关，如文献、描述，这些操作点参数决定了OSTS／BSTS机制的性能特征：公平性、延时性能。对于OSTS机制的实时性能分析与文献、中的分析相同如式(23)～(24)，BSTS机制的实时性能分析只需将文献式(23)中L变成了KL就行了，无需考虑计算队列部分的延时，如式(7)所示。
　　

对于异构网络公平性的定义，可以参照文献中所述：异构网络中每个节点获得的长期稳定吞吐量为整个网络吞吐量的1／N(N为整个网络中节点总数)，这说明该网络为公平网络，而节点获得的稳定吞吐量不为总吞吐量的1／N，说明网络为不公平网络。以吞吐量和传输率为衡量网络公平性能的指标：
　　

其中，吞吐量指标中的每一项为下面所示：
　　

3 实验验证

从上面的表达式(7)～(8)和文献中的表达式(24)可以看出，OSTS／BSTS机制的