无线传感器网轮询接入控制平均查询周期分析.pdf

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1、第３７卷第１１期仪器仪表学报Ｖｏｌ３７Ｎｏ１１２０１６年１１月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＮｏｖ．２０１６无线传感器网轮询接入控制平均查询周期分析何敏，官铮，保利勇，葛建洪（云南大学信息学院昆明６５００００）摘要：在ＩＥＥＥ８０２．１１ＰＣＦ机制的基础上，结合休眠状态，采用概率母函数和嵌入马尔可夫链的方法对具有休眠的限定Ｋ＝１轮询服务系统进行了数学建模分析，对系统一阶特性量即平均查询周期进行了精确解析，从理论上分析了休眠对系统的影响，克服了在分析无线传感网络性能

2、时，忽略休眠状态而仅依靠实验和能耗模型进行性能分析的不足。仿真分析了节点的能耗与休眠等特性，验证了理论分析的正确性，引入休眠因子使查询周期的计算误差从４％下降到接近０％，表明休眠状态在分析模型中不应被忽略。关键词：轮询；休眠机制；概率母函数；无线传感器网络；平均查询周期中图分类号：ＴＰ３９３ＴＨ８９文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：５１０．９９ＭｅａｎｃｙｃｌｉｃｐｅｒｉｏｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｏｌｌｉｎｇａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓＨｅＭｉｎ，ＧｕａｎＺｈｅ

3、ｎｇ，ＢａｏＬｉｙｏｎｇ，ＧｅＪｉａｎｈｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＹｕｎｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５００００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎＩＥＥＥ８０２．１１ＰＣＦｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄＫ（Ｋ＝１）ｐｏｏｌｉｎｇｓｅｒｖｉｃｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｌｅｅｐｍｅｃｈａｎｉｓｍｅｍｐｌｏｙｉｎｇｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄＭａｒｋｏｖｃｈａｉｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｐ

4、ｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ，ａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｄｅｄｕｃｅｓｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｏｎｅｏｒｄｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｉ．ｅ．ｍｅａｎｃｙｃｌｉｃｐｅｒｉｏｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｌｅｅｐｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ，ｗｈｉｃｈｏｖｅｒｃｏｍｅｓｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｏｆｏｎｌｙｅｍｐｌｏｙｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ＆ｅｎｅ

5、ｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｍｏｄｅｌａｎｄｉｇｎｏｒｉｎｇｓｌｅｅｐｉｎｇｓｔａｔｕｓｗｈｅｎａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅａｃｃｅｓｓｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｓｌｅｅｐｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｎｏｄｅｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｗｉｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎ

6、ｇｔｈｅｓｌｅｅｐｉｎｇｆａｃｔｏｒ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｍｅａｎｃｙｃｌｉｃｐｅｒｉｏｄｉｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ４ｐｅｒｃｅｎｔｔｏａｌｍｏｓｔｚｅｒｏ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｓｌｅｅｐｓｔａｔｕｓｓｈｏｕｌｄｎｏｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄｉｎｍｏｄｅｌａｎａｌｙｓｉｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｌｉｎｇ；ｓｌｅｅｐｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ（ＷＳＮ）；ｍｅａｎｃｙｃｌｉｃ

7、ｐｅｒｉｏｄ网络分布和能量模型进行了详细分析，但该类节点可以１引言通过太阳能或热能进行充电，因此对节能要求不高；文献［５］采用超帧方式减少轮询帧数量，提升了高负载下轮询方式具有无竞争及服务质量（ｑｕａｎｔｉｔｙｏｆ的系统性能，但并没有考虑节点的空闲能耗。ＩＥＥＥ８０２．ｓｅｒｖｉｃｅ，ＱｏＳ）保障等优点，一直是通信网络尤其是无线１１在基于竞争的信道接入方式中增加了可选项点协调通信网络中一种重要的ＭＡＣ层调度控制方式。伴随着功能（ｐｏｉｎｔｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＰＣＦ），为具有时间限制［７］无

8、线传感器网络（ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ＷＳＮ）及物联的数据提供ＱｏＳ保障。ＰＣＦ机制基于轮询控制，虽然网的迅速发展，轮询又被用于接入控制方式的改进。但也有功率管理，但站点需要在关联请求中标示节能模式，［１］在ＷＳＮ中，节点大多通过电池供电，能量有限，而旁听并保持同一功率管理模式直到与接入点（ａｃｃｅｓｓｐｏｉｎｔ，［２６］产生大量无用能耗，因此，需要引入节能或休眠