摘要：自從IEEE 802．15．4標準發布以來，基于低功耗、低速率傳輸的無線傳感器網絡的應用幾乎涉及到現實生活的方方面面；但是關于這個標準的CSMA／CA機制大部分都是基于均勻、飽和的傳感器網絡應用。文中針對非飽和、帶緩存的無線傳感器異構網絡，提出了一種新的異構的CSMA／CA機制OSTS。該機制采用2個馬爾可夫鏈來分別表示異構節點訪問信道的過程、一個宏觀馬爾可夫鏈來表達信道狀態轉移，且結合M／G／1／K隊列理論分析數據包傳送的實時性能，并相應地改進系統的實時性。文中最大的特點是兩組非均勻節點被賦予了公平的機會訪問信道，而不存在優先權的問題。此外，詳細分析了這種機制的數據包傳送時間，包括數據包到達率、包大小、節點數量、緩存大小等參數
對系統實時性的影響；這些分析結果與我們采用NS-2工具仿真的結果十分吻合。
關鍵詞：無線傳感器網絡；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(MEMS)等技術的飛速發展和日益成熟，低成本、低功耗、多功能的微型傳感器的大量生產成為可能。這些傳感器在微小體積內通常集成了信息采集、數據處理和無線通信等多種功能。無線傳感器網絡(WSN)就是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網絡系統，其目的是協作的感知、采集和處理網絡覆蓋區域里被監測對象的信息，并發送給觀察者。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。異構性是無線傳感器網絡一個非常重要的特征，眾多因素決定了異構性是無線傳感器網絡內在、泛在的特征。文中根據火場監控應用的實時性需要，針對傳輸火場環境下的溫度及濕度這兩個異構數據包到sink節點的無線傳感器異構網絡，基于隊列理論分析其網絡傳輸的實時性特征，提出了一種新的CSMA／CA機制OSTS(一次獲得信道，只傳一個數據包機制)，以此分析及提高系統監控性能。

1 建立模型
隨著IEEE802．15．4標準的發布，無線傳感器的應用取得突飛猛進的發展，其應用早已經由軍事國防領域擴展到環境監測、交通管理、醫療健康、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。無線傳感器網絡的性能優勢使得其應用幾乎涉及到我們生活的方方面面；但是無線傳感器網絡依然在很多方面存在缺陷，諸如使用電池供電引起節能的需求，公平性、實時性、吞吐量的有待提高等等。
針對于實際應用，提出了異構網絡的實時性要求，詳細、綜合分析兩種不同性質的數據包以公平的機會訪問信道的時間性能，找到合適參數以減少數據包訪問時間、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：假設信標指數為4，所以每個包都能在同一個超幀傳送完；數據包的接受確認可以無需通過ACK來執行；為了避免成功獲取信道的節點永久占用信道，參與競爭的所有節點而不僅僅是傳送節點將其backoff計數器降為最小值；傳完一個數據包后，信道為空的概率μ0與任何時刻信道為空的概率P0不相等；系統中存在2種節點，節點個數分別為N1和N2，到達節點的流量滿足泊松(Poisson)過程且數據包到達率分別為λ1和λ2；參與競爭的數據包都是每個隊列的首數據包，那么可以簡化競爭機制，即只考慮參與競爭的數據包。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據包訪問信道的過程，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，如圖2所示。

首先，考慮OSTS機制的節點訪問信道的馬爾可夫過程。每次參與競爭的數據包，無論是哪種類型的節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據包訪問信道的過程，而圖1的實線過程表示一種節點的實際訪問過程，虛線過程表示另一種數據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階段計數器大小，backoff計數器大小，重傳計數器大小。任何一個節點獲得信道之后，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點的競爭信道的過程，即一次獲得信道，只傳一個數據包機制(One Service a Time Scheme)。

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

其次，從信道的狀態來看，兩種數據包的訪問信道的狀態轉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據包，那么直接轉移到idle狀態的轉移概率：式(8)表示任何一個節點都沒有新數據包，處于idle狀態的概率；式(9)～(11)分別表示任何一種節點在訪問失敗、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據包，那么重新轉移到競爭傳送狀態的轉移概率。