新型NPCSMA隨機(jī)多址接入WSN的協(xié)議分析

韓澤軍 丁洪偉 保利勇 何敏 楊志軍

摘 ?要： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）因采用大量廉價(jià)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)并可以感知和處理傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息而備受人們喜愛(ài)。在此，提出一種基于碰撞長(zhǎng)度可變的三時(shí)鐘NP?CSMA提高系統(tǒng)的吞吐率，通過(guò)劃分成功分組發(fā)送時(shí)間1+[a]、碰撞分組發(fā)送時(shí)間[b+a]、空閑分組發(fā)送時(shí)間[a]，利用平均周期法求出吞吐率、碰撞率和空閑率，并用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該理論的準(zhǔn)確性。通過(guò)與其他協(xié)議進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所提協(xié)議的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò); 碰撞長(zhǎng)度可變; 三時(shí)鐘; NP?CSMA; 平均周期法; 隨機(jī)多址接入

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.04?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）15?0017?04

Analysis of a new NP?CSMA random multi?access WSN protocol

HAN Zejun， DING Hongwei， BAO Liyong， HE Min， YANG Zhijun

（School of Information Science and Engineering， Yunnan University， Kunming 650504， China）

Abstract： Wireless sensor network （WSN） is popular because it uses a large number of inexpensive micro sensor nodes， and can sense and process the information of the perceived objects in the transmission network coverage area. In this paper， a three?clock NP?CSMA （non? persistent carrier sense multi?channel access） with variable collision length is proposed to improve the system throughput rate. By dividing the successful packet sending time [1+a]， collision packet sending time [b+a] and idle packet sending time [a]， the throughput rate， collision rate and idle rate are calculated by means of average cycle method， and the accuracy of the theory is verified by simulation experiments. The superiority of this protocol is verified by comparison with other protocols.

Keywords： wireless sensor network; collision length variable; three?clock; NP?CSMA; average cycle method; random multi?access

0 ?引 ?言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集信息采集、處理和傳輸于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，由大量造價(jià)低廉的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成[1?3]，因而，廣受學(xué)者喜愛(ài)。國(guó)內(nèi)外目前主要將其應(yīng)用于醫(yī)療軍事和智能家電等諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)P?CSMA協(xié)議只規(guī)定信息空閑時(shí)[4?6]以[p]概率發(fā)送，信道忙時(shí)，則未說(shuō)明。若持續(xù)偵聽(tīng)信道，即為1堅(jiān)持型P?CSMA（1P?CSMA）[7?9];不偵聽(tīng)信道則為非堅(jiān)持型P?CSMA（NP?CSMA）。1P?CSMA由于持續(xù)偵聽(tīng)信道而能量消耗巨大，不適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，NP?CSMA兼顧非堅(jiān)持CSMA（Non?Persistent CSMA）特性，通過(guò)調(diào)節(jié)[p]概率，可保障在重負(fù)載下依然可以保持較低的碰撞率和較高的吞吐率。本文采用平均周期法對(duì)NP?CSMA協(xié)議進(jìn)行建模，可精確獲得系統(tǒng)吞吐率（[SU]）、碰撞率（[SB]）、空閑率（[SI1]）、信息分組的發(fā)送時(shí)延（[SI2]）等重要參數(shù)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和理論分析，并與其他協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證本協(xié)議的準(zhǔn)確性和優(yōu)越性。

1 ?基于碰撞長(zhǎng)度可變的NP?CSMA接入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的模型描述

所有的系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)均采用新型NP?CSMA[10?12]，該協(xié)議在信道空閑時(shí)，以[p]概率進(jìn)行發(fā)送;在信道忙時(shí)，不再偵聽(tīng)信道，若發(fā)生碰撞，采用截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)后退算法，隨機(jī)后退一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間再重新發(fā)送。本文分別劃分成功、碰撞和空閑的發(fā)送時(shí)間為[1+a]，[b+a]和[a]。圖1為碰撞長(zhǎng)度可變的NP?CSMA協(xié)議系統(tǒng)模型圖。

圖1 ?基于碰撞長(zhǎng)度可變的三時(shí)鐘NP?CSMA隨機(jī)多址協(xié)議模型

為了分析系統(tǒng)性能，對(duì)系統(tǒng)作如下假設(shè)：

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