本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于ieee802.15.4標準的區(qū)分優(yōu)先級的csma/ca的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

zigbee作為一種無線通信技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的重要技術(shù)，在智能電網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，zigbee的基礎(chǔ)協(xié)議ieee802.15.4是在低速率、大范圍的應(yīng)用需求之下產(chǎn)生的低速無線個域網(wǎng)標準通信協(xié)議。以其低成本、低功耗、低復(fù)雜度和具備自組織網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的不二選擇。對它進行深入地探究并根據(jù)實際需求對它進行改進和優(yōu)化成為當下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個熱點，具有重要的研究意義。

載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免(csma/ca)算法是zigbee的媒體訪問控制(mac)層的協(xié)議層核心算法。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會周期性地向感應(yīng)節(jié)點發(fā)送信標幀。如果網(wǎng)絡(luò)中存在數(shù)據(jù)包需要傳送，而同一時間信道只允許一個設(shè)備使用其進行數(shù)據(jù)傳輸，于是有傳輸需求的設(shè)備需要通過csma/ca算法來競爭，以獲取信道的使用權(quán)。有傳輸需求的設(shè)備會監(jiān)測當前的無線信道的狀態(tài)，當信道為空閑時，這些設(shè)備會產(chǎn)生一個隨機的退避時間，從而避免所有設(shè)備同時發(fā)出數(shù)據(jù)而產(chǎn)生碰撞；如信道當前為忙，則設(shè)備會持續(xù)監(jiān)測信道，直到監(jiān)測到信道為空閑，再開始用csma/ca算法來競爭信道。

ieee802.15.4中規(guī)定的csma/ca算法包涵三個關(guān)鍵變量，分別為：nb(numberofbackoffs)、cw(contentwindowlength)和be(backoffexponent)。其中nb表示的是當接入現(xiàn)有信道時，執(zhí)行csma/ca算法時退避的次數(shù)。cw為競爭窗口長度，表示在傳輸數(shù)據(jù)前需要進行信道檢測的次數(shù)。be為退避指數(shù)，決定進行信道檢測之前節(jié)點需要等待的退避周期的數(shù)量。

在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，由于csma/ca算法的三個主要參數(shù)變化規(guī)則較為簡單，造成算法出現(xiàn)一些局限性，標準的csma/ca算法不能滿足復(fù)雜多樣的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求，其次，在組網(wǎng)、數(shù)據(jù)路由、數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)實體協(xié)作等方面的技術(shù)難度隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模而呈指數(shù)級上升，網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)耗時、通信延遲、丟包率等也會極速惡化。

為了改善其性能，近年大批研究者開始改進該算法。文獻“黃穎.ieee802_15_4時隙csma_ca算法性能研究[d].西安電子科技大學(xué)，2010.”采用離散馬爾科夫鏈模型研究時隙csma/ca算法，通過數(shù)學(xué)分析和仿真實驗來確定算法不同參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。文獻“劉劍飛，張富官，王蒙軍，等.一種zigbee網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)退避機制[j].電力信息與通信技術(shù)，2016，13(1)：19-23.”提出了pnl_ls算法，計算出一種負載指數(shù)來反映當時的信道負荷狀況，并且根據(jù)當時的信道負荷狀況來預(yù)測下一次的be初始值，雖然改善了網(wǎng)絡(luò)性能，但沒有對不能區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級的問題進行改進。文獻“喬冠華，毛劍琳，郭寧，等.基于業(yè)務(wù)區(qū)分的ieee802.15.4mac協(xié)議分析及改進[j].計算機科學(xué)，2014，41(10)：149-153.”提出的pjnl_asdb算法，采用根據(jù)信道負荷動態(tài)改變退避窗口值來區(qū)分不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級的方法，來改進標準算法，但是只調(diào)節(jié)了一個參數(shù)競爭窗口(cw)，仍有較大改進空間。為了滿足業(yè)務(wù)多樣性的要求和在大數(shù)據(jù)量下數(shù)據(jù)的可靠傳輸，提出一種新型基于優(yōu)先級的csma/ca優(yōu)化方法迫在眉睫。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，當有設(shè)備要進行數(shù)據(jù)傳輸時，需要通過ieee802.15.4csma/ca算法來競爭信道。本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有標準csma/ca算法的缺陷，提出一種基于優(yōu)先級的csma/ca優(yōu)化方法。在能滿足不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)的同時，調(diào)整了傳輸時延，增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減小了丟包率，對整個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：首先，采用結(jié)合網(wǎng)絡(luò)狀況設(shè)定不同競爭窗口方法來區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級，此外，基于信道負荷狀況來自適應(yīng)初始化退避指數(shù)(be)，具體步驟如下：

步驟1，當攜帶不同優(yōu)先級標記的數(shù)據(jù)到達后，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)狀況，通過初始化競爭窗口(cw)區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級，若為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，上一次數(shù)據(jù)傳輸成功時，cw設(shè)置為cwh1，上一次數(shù)據(jù)傳輸失敗時，cw設(shè)置為cwh2，cwh1為1，cwh2為2；若為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，cw設(shè)置為cwl，cwl為2；退避次數(shù)(nb)均設(shè)置為0；

步驟2，基于網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)調(diào)整退避指數(shù)(be)；

步驟3，掃描時隙邊界，根據(jù)調(diào)整后的退避指數(shù)(be)，在[0，2^be-1]區(qū)間內(nèi)隨機取一個整數(shù)，隨機退避對應(yīng)整數(shù)個時隙；

步驟4，在時隙邊界處進行信道檢測，當信道檢測為空時，跳轉(zhuǎn)到步驟5，當信道檢測不為空時，跳轉(zhuǎn)到步驟6；

步驟5，退避窗口(cw)減1，判斷cw是否為0，若為0，則競爭信道成功，允許設(shè)備接入信道，若不為0，跳轉(zhuǎn)到步驟4；

步驟6，判斷數(shù)據(jù)優(yōu)先級，若為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，cw設(shè)置為cwh1，退避次數(shù)(nb)加1，be設(shè)為min(be+1，macmaxbe)；若為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，cw設(shè)置為cwl為2，退避次數(shù)(nb)加1，be設(shè)為min(be+1，macmaxbe)；判斷nb是否大于最大退避次數(shù)限制(默認值為4)，若大于上限，則競爭信道失敗，向上層報錯，若不大于上限，則跳轉(zhuǎn)到步驟4。

所述高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的競爭窗口(cw)會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負荷狀況而自適應(yīng)調(diào)整。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況指數(shù)來反映網(wǎng)絡(luò)負荷，當發(fā)生一次業(yè)務(wù)分組傳輸時，統(tǒng)計信道檢測為忙碌的次數(shù)和信道檢測的總次數(shù)，將所述忙碌次數(shù)與所述信道檢測總次數(shù)的比值定義為網(wǎng)絡(luò)狀況指數(shù)，網(wǎng)絡(luò)狀況指數(shù)小于0.5定義為低負荷，大于等于0.5定義為高負荷。

所述基于網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)調(diào)整退避指數(shù)(be)，具體包括：

當pn＜0.5時，網(wǎng)絡(luò)狀況較好；

當pn≥0.5時，網(wǎng)絡(luò)狀況較差，因此需要劃分多種情況來準確確定網(wǎng)絡(luò)狀況；

若上一次傳輸成功：

若上一次傳輸失敗：

其中，退避指數(shù)be的初始值為3，pn表示網(wǎng)絡(luò)狀況指數(shù)，be--表示退避指數(shù)減1，be++表示退避指數(shù)加1，ceil[3*be/2]表示取不小于3*be/2的最小整數(shù)值。

be值的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍為[macminbe，macmaxbe]，若調(diào)整后be值小于macminbe，則設(shè)為macminbe，若be值大于macmaxbe，則設(shè)為macmaxbe，macminbe為1，macmaxbe為6。

通過本發(fā)明的策略，區(qū)分出不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級，使高優(yōu)先級數(shù)據(jù)不僅能更快接入信道，而且擁有較高的吞吐量和較低的丟包率，此外，本發(fā)明提出方案針對不同網(wǎng)絡(luò)狀況進行了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，調(diào)整了數(shù)據(jù)傳輸時延后，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低了丟包率。

附圖說明

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進一步說明。

圖1是本發(fā)明的基于優(yōu)先級csma/ca優(yōu)化方法流程圖

圖2是本方案搭建的區(qū)分優(yōu)先級節(jié)點的馬爾科夫鏈模型圖

圖3是本方案搭建的區(qū)分優(yōu)先級信道的馬爾科夫鏈模型圖

圖4是通過建模得到的不同優(yōu)先級信道接入概率比較圖

圖5是ns2仿真兩種方案在丟包率上比較圖

圖6是通過建模得到的不同優(yōu)先級吞吐量比較圖

圖7是ns2仿真兩種方案在吞吐量上比較圖

圖8是通過建模得到的不同優(yōu)先級時延比較圖

圖9是ns2仿真兩種方案在時延上的比較圖

圖10是通過建模得到的不同be值的吞吐量比較圖

圖11是通過建模得到的不同be值的時延比較圖

具體實施方式

以下通過具體實施方式對本發(fā)明作進一步的描述。

本發(fā)明提出的一種基于優(yōu)先級的csma/ca優(yōu)化方法，流程圖如圖1。首先，當攜帶不同優(yōu)先級標記的數(shù)據(jù)到達后，采取結(jié)合網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整的競爭窗口(cw)的方式來區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級。若為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，上一次數(shù)據(jù)傳輸成功時，cw設(shè)置為cwh1，上一次數(shù)據(jù)傳輸失敗時，cw設(shè)置為cwh2，cwh1為1，cwh2為2；若為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，cw設(shè)置為cwl，cwl為2；退避次數(shù)(nb)均設(shè)置為0。

此外，再通過劃分多種數(shù)據(jù)傳輸時的網(wǎng)絡(luò)負荷狀況來調(diào)整退避指數(shù)(be)。首先，將信道檢測為忙碌次數(shù)和信道檢測總次數(shù)的比值定義為網(wǎng)絡(luò)狀況指數(shù)，網(wǎng)絡(luò)狀況指數(shù)小于0.5定義為低負荷，大于等于0.5定義為高負荷。在調(diào)整be值(初始為3)時，處于低負荷網(wǎng)絡(luò)狀況時，若上一次發(fā)送數(shù)據(jù)成功，則be自減；上一次發(fā)送失敗，則be自加。處于高負荷狀況時，若上一次發(fā)送成功，且成功次數(shù)大于3，則be取不小于3*be/2的最小整數(shù)值，否則be自減；若上一次發(fā)送失敗，失敗次數(shù)小于3，be值不變，失敗次數(shù)大于3，網(wǎng)絡(luò)負荷達到最大，采用曲線擬合方式預(yù)測be值。曲線擬合預(yù)測策略如下：

首先假設(shè)預(yù)測be的方程為

be＝a0+a1x+a2x²

x為預(yù)測第x次be值，a0，a1，a2為三個參數(shù)，下面是計算參數(shù)公式。

其中，xi為數(shù)據(jù)包第i次發(fā)送成功，yi為第i個數(shù)據(jù)包發(fā)送成功be值。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體步驟如下：

步驟1，當攜帶不同優(yōu)先級標記的數(shù)據(jù)到達后，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)狀況，通過初始化競爭窗口(cw)區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級，若為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，上一次數(shù)據(jù)傳輸成功時，cw設(shè)置為cwh1，上一次數(shù)據(jù)傳輸失敗時，cw設(shè)置為cwh2，cwh1為1，cwh2為2；若為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，cw設(shè)置為cwl，cwl為2；退避次數(shù)(nb)均設(shè)置為0；

步驟2，基于網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)調(diào)整退避指數(shù)(be)；

步驟3，掃描時隙邊界，根據(jù)調(diào)整后的退避指數(shù)(be)，在[0，2^be-1]區(qū)間內(nèi)隨機取一個整數(shù)，隨機退避對應(yīng)整數(shù)個時隙；

步驟4，在時隙邊界處進行信道檢測，當信道檢測為空時，跳轉(zhuǎn)到步驟5，當信道檢測不為空時，跳轉(zhuǎn)到步驟6；

步驟5，退避窗口(cw)減1，判斷cw是否為0，若為0，則競爭信道成功，允許設(shè)備接入信道，若不為0，跳轉(zhuǎn)到步驟4；

步驟6，判斷數(shù)據(jù)優(yōu)先級，若為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，cw設(shè)置為cwh1，退避次數(shù)(nb)加1，be設(shè)為min(be+1，macmaxbe)；若為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，cw設(shè)置為cwl為2，退避次數(shù)(nb)加1，be設(shè)為min(be+1，macmaxbe)；判斷nb是否大于最大退避次數(shù)限制(默認值為4)，若大于上限，則競爭信道失敗，向上層報錯，若不大于上限，則跳轉(zhuǎn)到步驟4。

所述高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的競爭窗口(cw)會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負荷狀況而自適應(yīng)調(diào)整。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況指數(shù)來反映網(wǎng)絡(luò)負荷，當發(fā)生一次業(yè)務(wù)分組傳輸時，統(tǒng)計信道檢測為忙碌的次數(shù)和信道檢測的總次數(shù)，將所述忙碌次數(shù)與所述信道檢測總次數(shù)的比值定義為網(wǎng)絡(luò)狀況指數(shù)，網(wǎng)絡(luò)狀況指數(shù)小于0.5定義為低負荷，大于等于0.5定義為高負荷。

所述基于網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)調(diào)整退避指數(shù)(be)，具體包括：

當pn＜0.5時，網(wǎng)絡(luò)狀況較好。

當pn≥0.5時，網(wǎng)絡(luò)狀況較差，因此劃分多種情況來準確確定網(wǎng)絡(luò)狀況。

若上一次傳輸成功：

若上一次傳輸失?。?/p>

其中，退避指數(shù)be的初始值為3，pn表示網(wǎng)絡(luò)狀況指數(shù)，be--表示退避指數(shù)減1，be++表示退避指數(shù)加1，ceil[3*be/2]表示取不小于3*be/2的最小整數(shù)值。

be值的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍為[macminbe，macmaxbe]，若調(diào)整后be值小于macminbe，則設(shè)為macminbe，若be值大于macmaxbe，則設(shè)為macmaxbe，macminbe為1，macmaxbe為6。

根據(jù)本發(fā)明提出技術(shù)方案步驟，建立馬爾科夫鏈模型并進行分析。

首先建立節(jié)點馬爾科夫鏈模型，如圖2，假設(shè)ieee802.15.4的網(wǎng)絡(luò)模型為只有1個協(xié)調(diào)節(jié)點單跳星型網(wǎng)絡(luò)拓撲，且所有節(jié)點的偵聽范圍足夠大，故不考慮隱藏節(jié)點問題。

在建模過程中，首先不加入信道負荷的情況，對于高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，進行一次信道檢測，對于低優(yōu)先級業(yè)務(wù)，進行兩次信道檢測。通過建模，在不同優(yōu)先級信道接入概率、吞吐量等方面驗證本發(fā)明區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級策略的有效性后，再在不同退避指數(shù)信道接入概率、吞吐量等方面驗證本發(fā)明根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負荷來調(diào)整be值優(yōu)化方案的正確性。

模型{m(t)，n(t)}表示t時刻的設(shè)備狀態(tài)，其中隨機過程m(t)表示t時刻的退避次數(shù)，隨機過程n(t)表示t時刻的退避時隙。l是數(shù)據(jù)包長度，單位為時隙。設(shè)bi，k是節(jié)點在m(t)＝i，n(t)＝k的穩(wěn)態(tài)概率。穩(wěn)態(tài)概率指節(jié)點在經(jīng)過多步的轉(zhuǎn)移之后，到達某個狀態(tài)的概率值是趨于一個固定的，并且它獨立于系統(tǒng)初始狀態(tài)的概率分布。

考慮高優(yōu)先級情況時，根據(jù)馬爾科夫鏈的規(guī)律，有如下公式成立：

由馬爾科夫鏈歸一性可得

聯(lián)立以上公式可以得到高優(yōu)先級節(jié)點第一次退避時隙結(jié)束后的概率b0，0為：

當信道檢測為空閑狀態(tài)時，高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸概率為γ1，信道檢測為忙的概率為α，則有：

通過公式可以計算出γ1和α。由于計算過程涉及到非線性方程組，因此本發(fā)明采用不動點迭代法求解。

考慮低優(yōu)先級情況時，根據(jù)馬爾科夫鏈的規(guī)律，有如下公式成立：

聯(lián)立以上公式可以得到低優(yōu)先級節(jié)點第一次退避時隙結(jié)束后的概率b0，0為：

節(jié)點執(zhí)行兩次信道檢測的結(jié)果都為空閑，高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)開始傳輸，其概率為γ2，節(jié)點執(zhí)行一次信道檢測后，信道為閑的概率為α，節(jié)點執(zhí)行兩次信道檢測后，信道為忙的概率為β，則有：

聯(lián)立公式，同樣由不動點迭代法求解出α、β和γ2的值。

為了計算網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時延等參數(shù)，本發(fā)明建立了基于優(yōu)先級的信道的馬爾科鏈模型，假設(shè)有n1個高優(yōu)先級節(jié)點，n2個低優(yōu)先級節(jié)點。如圖3，其中，clear表示初始狀態(tài)，cca表示進行即將進行信道檢測的狀態(tài)，success_h表示高優(yōu)先級傳輸成功的狀態(tài)，success_l表示低優(yōu)先級傳輸成功的狀態(tài)，failure表示傳輸失敗的狀態(tài)。f1表示高優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸成功的概率，f2表示低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸成功的概率，f3表示傳輸失敗的概率，f4表示無數(shù)據(jù)或正在監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)臓顟B(tài)。

只考慮高優(yōu)先級情況時，由于通過csma/ca進行信道競爭，同一時間只能有一個節(jié)點成功傳輸數(shù)據(jù)，所以高優(yōu)先級數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)母怕师?為：

一個節(jié)點都不傳輸時，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)保持自身狀態(tài)的概率α2為：

其余的的情況為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸失敗的概率α3為：

經(jīng)過數(shù)學(xué)分析，符合馬爾科夫鏈各狀態(tài)和為一的規(guī)律。

α1+α2+α3＝1

只分析低優(yōu)先級數(shù)據(jù)時，可以得到低優(yōu)先成功傳輸數(shù)據(jù)的概率β1為：

一個節(jié)點都不傳輸時，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)保持自身狀態(tài)的概率β2為：

其余的的情況為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸失敗的概率β3為：

經(jīng)過數(shù)學(xué)分析，同樣符合馬爾科夫鏈各狀態(tài)和為一的規(guī)律。

β1+β2+β3＝1

以上是分別考慮的情況，當信道中高優(yōu)先級數(shù)據(jù)和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)同時存在時(假設(shè)高優(yōu)先級和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)互不影響)?？紤]高優(yōu)先級數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)那闆r，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)耐瑫r，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)保持自身狀態(tài)或傳輸失敗。其概率f1為：

f1＝α2β1+α2β3

考慮低優(yōu)先級數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)那闆r，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)耐瑫r，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)保持自身狀態(tài)或傳輸失敗。其概率f2為：

f2＝α1β2+α3β2

考慮整個信道維持自身狀態(tài)的情況，即兩種數(shù)據(jù)均維持自身狀態(tài)，其概率f4為：

f4＝α1β1

其余情況均為數(shù)據(jù)傳輸失敗，其概率f3為：

f3＝α1β3+α2β2+α3β1+α3β3

通過數(shù)學(xué)分析，符合馬爾科夫鏈的歸一性。

f1+f2+f3+f4＝1

根據(jù)圖3的馬爾科夫信道模型，把πa、πs1，πs2，πf分別定義即將進行信道檢測(cca)狀態(tài)、高優(yōu)先級數(shù)據(jù)發(fā)送成功狀態(tài)、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)發(fā)送成功狀態(tài)、發(fā)送失敗狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率。穩(wěn)態(tài)概率轉(zhuǎn)換公式如下：

在傳輸過程中，不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)該具有不同的信道接入概率，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信道接入的概率為γ1，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)信道接入的概率為γ2。信道接入概率對比圖如圖4。

在這里，我們把網(wǎng)絡(luò)吞吐量定義為發(fā)送成功的時間與消耗的總時間之比，可以得到吞吐量sq為：

其中nq表示不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)的節(jié)點數(shù)，tk為在信道狀態(tài)為k時逗留的時間，ω為狀態(tài)的集合。

高優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的吞吐量s1為：

低優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的吞吐量s2為：

吞吐量比較圖如圖6。

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的性能中，傳輸時延也是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要指標，定義不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在信道中的時延公式如下：

高優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時延t1：

低優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時延t2：

其中slot_time表示的是一個時隙的時延，為0.32s/slot。不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)的時延比較圖如圖8。

根據(jù)本發(fā)明提出技術(shù)方案步驟，使用ns2進行仿真。仿真場景如下。

本發(fā)明采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲進行仿真，包含1個靜止的協(xié)調(diào)器節(jié)點(標號為0)和6個靜止的終端節(jié)點(標號為1～6)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在中心，6個終端節(jié)點分散在周圍。為了增加碰撞概率，本文設(shè)定6個終端節(jié)點在組網(wǎng)后以相同時間間隔和相同速率同時向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包到達方式采用均勻分布，網(wǎng)絡(luò)范圍為50*50，假設(shè)偵聽范圍足夠的大，故不考慮隱藏節(jié)點問題。仿真參數(shù)表如表1。

表1

圖4為通過建模得到的信道接入概率比較圖，數(shù)據(jù)包信道接入概率會隨著節(jié)點數(shù)的增加而降低，這是由于節(jié)點越多，網(wǎng)絡(luò)負荷越大，所以信道接入概率會降低。高優(yōu)先級數(shù)據(jù)信道接入概率明顯高于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)信道接入概率，證明了本發(fā)明所采用區(qū)分優(yōu)先級方案的有效性。

圖6為通過建模得到的不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)吞吐量比較圖，圖7為ns2仿真兩種方案在吞吐量上比較圖，吞吐量仿真的變化趨勢與建模的變化趨勢相同，仿真與理論相符，由于采用了有效的區(qū)分優(yōu)先級方案，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)吞吐量大于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的吞吐量，由于本發(fā)明的根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整be值的優(yōu)化方案，使得本方案的吞吐量高于標準csma/ca算法，對整個網(wǎng)絡(luò)起到了優(yōu)化作用。

圖8為通過建模得到的不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)時延比較圖，圖9為ns2仿真兩種方案在時延上的比較圖，兩張圖中的不同優(yōu)先級時延變化趨勢相同，理論與仿真相符，當節(jié)點數(shù)目增加時，信道負荷變大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延也會增大，區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級后，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸時延比低優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸時延小，保證了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)能夠快速傳輸。本發(fā)明時延略高于初始算法，以微小的時延代價換取了高吞吐量和低丟包率，保證了網(wǎng)絡(luò)的公平性。由于發(fā)明的方案進行了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，使得優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)綜合性能優(yōu)于標準算法，

圖10和圖11分別為通過建模得到的不同be值的吞吐量和時延對比圖，當節(jié)點個數(shù)少時，信道負荷較小，低的be值能使網(wǎng)絡(luò)吞吐量較高，信道時延較低，網(wǎng)絡(luò)性能較好，但是隨著節(jié)點數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)負荷變大，高的be值的網(wǎng)絡(luò)又表現(xiàn)出吞吐量較高，信道時延較低，網(wǎng)絡(luò)性能較好，因此，當網(wǎng)絡(luò)負載較小時，可采用較小be值，當網(wǎng)絡(luò)負載較大時，可以采用較大be值，證明了本發(fā)明設(shè)計的基于網(wǎng)絡(luò)負荷來調(diào)整be值的方案的正確性。

圖5為ns2仿真兩種方案在丟包率上比較圖，隨著信道負荷的增加，丟包率均逐漸增大，本發(fā)明提出方案的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)丟包率始終低于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)丟包率，保證了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的可靠傳輸，同時本發(fā)明提出方案的丟包率明顯低于標準算法的丟包率，對網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化。

本發(fā)明在區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級后，采用基于信道負荷自適應(yīng)調(diào)整be值的方式對整個網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，通過馬爾科夫鏈模型和ns2仿真證明，方案在調(diào)整了傳輸時延后，增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了丟包率，保證整個網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的性能。