楊軍

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628000）

引言：基于當(dāng)前提出的時隙集合理論，可以依據(jù)其退避狀態(tài)指數(shù)以及相關(guān)的參數(shù)，得到較為合理的時隙分配方案，再結(jié)合該方案完成時隙數(shù)的分配，這種方法比較適用于密集場景。在CSMA/CA 協(xié)議的演進(jìn)過程中，可以逐步完成模型的建立。通過相關(guān)研究證明，該機制具有一定的先進(jìn)性，可以起到提升傳輸效率和命中率的作用，確保分配時隙處于一個公平的環(huán)境中，從根本上緩解數(shù)據(jù)發(fā)送延遲的問題，提高整體的運行效率。

一、綜合概述

近年來，隨著科技的進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍越來越廣，在眾多領(lǐng)域中都可以看到它的身影，并受到了業(yè)界的密切關(guān)注，成為解決現(xiàn)有問題的有效方案。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成，包括眾多的構(gòu)件，每一個構(gòu)件都發(fā)揮著各自的作用，缺一不可，例如：感知節(jié)點、路由節(jié)點以及用戶控制端等。以感知節(jié)點為例，其主要的功能是負(fù)責(zé)收集有效信息，將周圍的信息全部收納其中，之后再進(jìn)行篩選。當(dāng)完成信息收集工作后，會將這些信息傳輸?shù)睫D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。在整個過程中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點主要起到的是信息傳輸?shù)淖饔?，除此之外，自身也可以承?dān)收集信息的任務(wù)，確保信息的時效性與完整性。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后會繼續(xù)進(jìn)行傳送，將其發(fā)給匯聚節(jié)點，以此類推，最后完成閉環(huán)操作，最后數(shù)據(jù)包將會到達(dá)用戶端，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果及時反饋給用戶。

現(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟與科技的發(fā)展，工業(yè)無線傳感器得到了較快的發(fā)展，無論是設(shè)備數(shù)量還是使用性能都得到了提升，在這樣的背景下，傳統(tǒng)的協(xié)議已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段的無線傳感器使用要求，必須要進(jìn)行優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)以低功耗的優(yōu)點和低成本的優(yōu)勢獲得了業(yè)界的好評與關(guān)注，工業(yè)應(yīng)用場景的改變對整體網(wǎng)絡(luò)要求也更加嚴(yán)格，在實際使用中，必須要保證網(wǎng)絡(luò)的實時性[1]?；谶@樣的前提，IEEE802.15.4 協(xié)議的出現(xiàn)與應(yīng)用為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)營造了更加安全的環(huán)境，可以確保低復(fù)雜度以及滿足低消耗的要求，以此來提高無線連接標(biāo)準(zhǔn)。從目前的情況來看，該協(xié)議已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了各個場景中，例如：工業(yè)監(jiān)測以及現(xiàn)場安全控制等內(nèi)容。在實際應(yīng)用中，該協(xié)議明確規(guī)定超幀結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)時間的分割，將其分為若干時隙，并且每個時隙在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方面都有著嚴(yán)格的要求，只能允許一個設(shè)備來完成。

二、工作原理

工業(yè)無線傳感器在實際的運行中是依靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來實現(xiàn)的,該設(shè)備在使用中主要負(fù)責(zé)的是對超幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，在管理的過程中完成節(jié)點分配時隙的工作。想要對時隙分配機制有所了解，必須要先掌握超幀工作原理，超幀是連續(xù)的，在超幀階段如果設(shè)備未能成功找到時隙，需要繼續(xù)等待，獲取重新競爭的機會。值得注意的是，超幀從某種層面進(jìn)行劃分可以分為兩個階段，一種是活躍期；另一種就是非活躍期。當(dāng)位于非活躍期時，可以完成簇間或者是簇內(nèi)的有效交流。與非活躍期相比，活躍期存在不同的傳輸數(shù)據(jù)手段，分別是CAP（競爭接入階段）和CFP（競爭避免階段）。其中，CAP 階段可以完成對所有設(shè)備的共享，確保設(shè)備使用的可靠性。超幀結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1 所示。

從圖1 中我們大概可以得出超幀的工作路徑，通常是由一個信標(biāo)幀出發(fā)，在途徑中包括了活躍期以及超幀非活躍期，前文已經(jīng)對非活躍和活躍進(jìn)行了介紹，詳細(xì)描述如下：

首先，競爭接入階段。在處于該階段時，時隙實際上是被全部設(shè)備共享的，可以最大限度提升信息的利用率，當(dāng)幾個設(shè)備同時進(jìn)行工作時，由于時隙只能針對某一個設(shè)備，因此就會出現(xiàn)沖突的情況，從而激活CSMA/CA 機制。

其次，競爭避免階段。當(dāng)進(jìn)入競爭避免階段，運行中的設(shè)備需要進(jìn)行申請才能完成相關(guān)操作，主要是向協(xié)調(diào)器發(fā)出申請[2]。在該階段，可以劃分成若干個GTS，將一個GTS 再進(jìn)行劃分，就可以得到不同的時隙，換句話說，GTS 的構(gòu)成是由眾多時隙組成的。在實際應(yīng)用中，具體的組成數(shù)目要依照現(xiàn)實情況來確定，主要是要看設(shè)備的申請狀況。通常情況下，位于該階段時隙一般不會太多，為了確保數(shù)據(jù)包傳送的質(zhì)量，可以將時隙數(shù)控制在7 個以內(nèi)，由此可以得出GTS 總數(shù)通常會小于7。但是因為處于CFP 階段，存在很多可能性和較大的不穩(wěn)定性，因此具體的時隙數(shù)目可以結(jié)合情況適當(dāng)調(diào)整。

值得注意的是，在設(shè)備數(shù)量集中的工業(yè)場景中，在實際的應(yīng)用環(huán)節(jié)由于節(jié)點較為密集，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量加大，呈現(xiàn)出急劇增長的趨勢，因此在該工業(yè)場景中對IEEE802.15.4 的性能要求也是非常高的，要求極為嚴(yán)苛?，F(xiàn)階段，在密集網(wǎng)絡(luò)場景中，因為許多節(jié)點形成的數(shù)據(jù)包想要完成傳輸都需要通過CAP 來實現(xiàn)，在此階段傳輸可以確保數(shù)據(jù)包百分百的傳輸率，但是沖突也是不可避免的。通過相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的CSMA/CA 機制存在一定的滯后性，在面對密集節(jié)點場景時，經(jīng)常會發(fā)生節(jié)點數(shù)據(jù)滯后和延時發(fā)送的情況，有時還會出現(xiàn)吞吐量過低的現(xiàn)象。

三、針對密集場景的CSMA/CA 協(xié)議

在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)先級設(shè)立的途徑可以建立一種效率較高且適應(yīng)性較強的GTS 調(diào)度方法。該方法具有一定的先進(jìn)性，需要通過建模的方法來完成，借助優(yōu)先級狀態(tài)，完成建模工作，除此之外，還要考慮到CAP 階段所必備的靈活性?；诖耍岢隽艘环N應(yīng)用范圍更廣和適用性更強的WIA-PA 超幀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是建立在回溯法的基礎(chǔ)上，利用最優(yōu)確定性完成調(diào)度計算，通過該理論可以有效解決現(xiàn)存的問題，獲取最大調(diào)度解的成功率。另外，以此作為前提還可以得出時分多址調(diào)度的基本算法，但是這種方法存在一定的弊端，那就是沒有對時隙分配的原則和公平性進(jìn)行有效分析，采用此種方法有可能會導(dǎo)致節(jié)點餓死的情況。通過經(jīng)驗的總結(jié)，相關(guān)學(xué)者針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征和工業(yè)密集場景的要求，在前面一系列研究結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了一種較為科學(xué)的演進(jìn)型時隙分配模式和算法，這種方法更能適應(yīng)現(xiàn)階段的發(fā)展需求，并對經(jīng)典CSMA/CA 協(xié)議進(jìn)行演進(jìn)，增強CSMA/CA 協(xié)議的適應(yīng)性，促使其可以更好為密集場景服務(wù)。

AAA 算法也叫做自適應(yīng)分配算法，自推行以來取得了較大的成績，受到了相關(guān)學(xué)者的青睞，就目前的應(yīng)用情況來看，已經(jīng)取得了不小的進(jìn)展。前文已經(jīng)大體介紹了傳統(tǒng)算法的不足，而自適應(yīng)分配是建立在傳統(tǒng)算法基礎(chǔ)上的一種新型算法，適應(yīng)性比較強，可以滿足密集型場景的需求。自適應(yīng)分配其工作原理是依托數(shù)據(jù)包的當(dāng)前狀態(tài)（退避狀態(tài)）以及超幀階段能夠分配到的最大時隙數(shù)，將這兩種參數(shù)作為參照而產(chǎn)生的一種較為科學(xué)的時隙競爭分配策略。采用該方法可以極大限度滿足設(shè)備的應(yīng)用要求，確保數(shù)據(jù)包的傳輸效率[3]。AAA 算法具有較大的優(yōu)勢，可以讓等待時間相對久的節(jié)點取得更多的時隙，在競爭機會平等的條件下，讓得到的時隙數(shù)目變得更多,從這一點上就可以看出采用AAA 算法的公平性與合理性，確保時隙分配可以更加高效，為后續(xù)工作的推行提供充足保障。AAA 算法是建立在傳統(tǒng)CSMA/CA 算法理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化升級，結(jié)合現(xiàn)階段的使用現(xiàn)狀，增加了一定的功能，采用的是一種較為公平和合理的超幀時隙分配手段，這種方法可以極大限度保證時隙分配的效率與質(zhì)量，并且還可以將其應(yīng)用到密集網(wǎng)絡(luò)中，來解決現(xiàn)存的問題，提升系統(tǒng)的性能。因為在實際工作中，如果系統(tǒng)節(jié)點等待時間超過了一定的數(shù)值，就會導(dǎo)致大量沒有處理的數(shù)據(jù)包積累，影響數(shù)據(jù)的傳輸結(jié)果和時效性，這些數(shù)據(jù)包如果無法在較短的時間內(nèi)處理完成，就會降低信息的可靠性，造成滯后問題。但是通過AAA 算法的應(yīng)用，可以讓等待時間較長的系統(tǒng)節(jié)點分配到更多的時隙，確保獲得的時隙數(shù)量能夠與等待時間成正比,保障時隙分配的合理性，確保更多的數(shù)據(jù)發(fā)送，從而可以有效避免節(jié)點餓死的情況產(chǎn)生。

結(jié)論：綜上所述，近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)頻繁出現(xiàn)在大眾視野，應(yīng)用范圍越來越廣，并得到了業(yè)界的密切關(guān)注，但是從發(fā)展現(xiàn)狀看，傳統(tǒng)的應(yīng)用協(xié)議已經(jīng)不能滿足密集場景的需求，急需進(jìn)行革新。隨著無線通信的發(fā)展，相信在未來相關(guān)的研究將會越來越多。基于這樣的背景，對傳統(tǒng)的協(xié)議進(jìn)行完善和改進(jìn)，讓其可以滿足現(xiàn)階段的無線傳感器使用要求，更加貼合網(wǎng)絡(luò)密集場景的應(yīng)用需求，具有一定的現(xiàn)實意義，可以繼續(xù)推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的長效、穩(wěn)定發(fā)展。