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

吞吐量、传输率、延时量与网络的节点个数、节点分布、数据包到达率、数据包长度、缓存容量、MAC参数等因素有关。通过NS-2仿真软件来验证数据包的实时性能。参考文献所述的仿真搭建仿真平台。所有节点都分布在以sink节点为圆心、半径为5 m的圆内；每个节点都在彼此的传输范围内，节点的传输距离为11 m；每个节点都能侦听到其他节点的传输，也就是说不存在隐藏终端。网络中存在两种节点，数量分别为N1和N2，其数据包到达率分别为λ1和λ2。仿真参数如表1示，MAC的参数选取backoff计数器的初始值为23；baekoff阶段值为m=5；重传计数器为r=3；数据包的长度L=5为个baekoff大校

首先，分析OSTS／BSTS机制的延时性能。如文献中所述，取R=λ1／λ2，以其作为性能分析度量的基准，并把节点数目的比例作为度量系统非均匀度即非对称度的度量，也就是说，系统的最大非均匀度即最大非对称度是两种节点的数目相当如N1=5，N2=5和N1=23，N2=12，而系统的最小非均匀度是两种节点的数目相差最大如N1=23，N2=2。从图3中得到：1)随着节点数的增加，数据包的平均delay增加；2)随着队列长度的增加，delay会增加；3)相同节点数量不同的分布，R<1时，异构程度增加，delayr增加，如图3b、3c；R>1时，异构程度增加，delay降低，如图3b、3c；在R=1时，也就是两种节点的数据包到达率相同，总的数据包数λ1N1+λ2N2在不同的节点组成情况下相等，所有的delay值相同，并且delay达到最大值。OSTS机制和BSTS机制在K=1时的时间性能是相同的；随着异构程度的增加，也就是说在相同的节点组成情况下数据包到达率的差值减少，OSTS的实时性比BSTS的实时性好；而数据包到达率的差值增加，即异构程度降低，OSTS的实时性要差于BSTS机制。这样，根据节点的分布情况，为了提高系统的实时性，合适地选择异构机制很重要。

再来分析系统的公平性。对于异构网络，公平性也是网络的一个重要性能，如果节点在访问信道的过程中，公平性较差，有些节点总是占据很小的带宽，那么这些节点在竞争过程中获得信道的机会就会很少，系统获取这些节点的信息量就很少，这样不利于系统的正常运行。前面的分析可以得知，每种节点的吞吐量占整个吞吐量的比例可以用来衡量公平性，那么这两种节点在数据包到达率相同的情况下应该是公平传输数据包的，而在数据到达率不同时，就看哪种机制的吞吐量更加均匀分布在两种节点间，哪种机制就显示出更好的公平性。在分析公平性的同时，可以比较OSTS／BSTS机制的公平性和其他相似的非优先级异构机制如Ramaehandran机制，Sarmiento机制等的公平性比较，如图4(b)所示。

从图4(a)中可以看出，在数据包到达率差异较大时，BSTS机制的公平性比其他几种机制的公平性要高；在数据包到达率差异较小时，OSTS机制的公平性比其他几种机制的公平性要高。例如，BSTS机制中节点N1和节点N2的吞吐量在lnR=-2时分别为0．099 8和0．123 8，在lnR=-1．5时的吞吐量分别为0．102 0和0．124 3。那么BSTS的带宽分布在lnR=-2时为0．899 2／1，在lnR=-1．5时为0．924 1／1，这个带宽分布比Sarmiento机制在lnR：一2时为0．872 l／1，在lnR=-1．5时为0．924 1／1，Ramaehandran机制在InR=-2时为0．869 3／1，在lnR=-1．5时为0．889 2／1这两种情况的公平性要高。同时，传输率也可以用来评价公平性，如图4(b)所示，各种机制的传输率分析与吞吐量的分析相似。

4 结论

文中提出了两种新的IEEE 802．15．4 CSMA／CA访问机制OSTS／BSTS，这两个机制采用了两个半马尔可夫链和一个宏观马尔可夫链模型，联合队列模型详细分析了系统的实时性、公平性。在有限节点数和理想信道的情况下，分析了OSTS／BSTS机制在非均匀的数据包到达率和非饱和条件下各个数据包访问信道的时间性能，并且提出了这两种机制与其他非优先等级机制的公平性比较，通过NS-2仿真验证了分析结果，发现我们的分析与仿真的结果是很吻合的。本文最大的特点是，数据包之间没有优先权的限制，所有包都有公平的机会访问信道，无论是同一种节点还是不同种节点之间，这是与先前分析非均匀网络等中性能仅是各个节点性能的简单代数相加最大的区别。