工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)密集場(chǎng)景中的演進(jìn)型時(shí)隙分配機(jī)制分析

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(shí)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(shí)隙分配方案，再結(jié)合該方案完成時(shí)隙數(shù)的分配，這種方法比較適用于密集場(chǎng)景。在CSMA/CA 協(xié)議的演進(jìn)過(guò)程中，可以逐步完成模型的建立。通過(guò)相關(guān)研究證明，該機(jī)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(shí)隙處于一個(gè)公平的環(huán)境中，從根本上緩解數(shù)據(jù)發(fā)送延遲的問(wèn)題，提高整體的運(yùn)行效率。

一、綜合概述

近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍越來(lái)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(wèn)題的有效方案。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成，包括眾多的構(gòu)件，每一個(gè)構(gòu)件都發(fā)揮著各自的作用，缺一不可，例如：感知節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及用戶控制端等。以感知節(jié)點(diǎn)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(huì)將這些信息傳輸?shù)睫D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)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(shí)效性與完整性。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后會(huì)繼續(xù)進(jìn)行傳送，將其發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，以此類推，最后完成閉環(huán)操作，最后數(shù)據(jù)包將會(huì)到達(dá)用戶端，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果及時(shí)反饋給用戶。

現(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，工業(yè)無(wú)線傳感器得到了較快的發(fā)展，無(wú)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(wú)法滿足現(xiàn)階段的無(wú)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(diǎn)和低成本的優(yōu)勢(shì)獲得了業(yè)界的好評(píng)與關(guān)注，工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的改變對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)要求也更加嚴(yán)格，在實(shí)際使用中，必須要保證網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性[1]?；谶@樣的前提，IEEE802.15.4 協(xié)議的出現(xiàn)與應(yīng)用為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)營(yíng)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(lái)提高無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)。從目前的情況來(lái)看，該協(xié)議已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了各個(gè)場(chǎng)景中，例如：工業(yè)監(jiān)測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)安全控制等內(nèi)容。在實(shí)際應(yīng)用中，該協(xié)議明確規(guī)定超幀結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間的分割，將其分為若干時(shí)隙，并且每個(gè)時(shí)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(gè)設(shè)備來(lái)完成。

二、工作原理

工業(yè)無(wú)線傳感器在實(shí)際的運(yùn)行中是依靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,該設(shè)備在使用中主要負(fù)責(zé)的是對(duì)超幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，在管理的過(guò)程中完成節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙的工作。想要對(duì)時(shí)隙分配機(jī)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(shí)隙，需要繼續(xù)等待，獲取重新競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)。值得注意的是，超幀從某種層面進(jìn)行劃分可以分為兩個(gè)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(shí)，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(jìng)爭(zhēng)接入階段）和CFP（競(jìng)爭(zhēng)避免階段）。其中，CAP 階段可以完成對(duì)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(gè)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(duì)非活躍和活躍進(jìn)行了介紹，詳細(xì)描述如下：

首先，競(jìng)爭(zhēng)接入階段。在處于該階段時(shí)，時(shí)隙實(shí)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(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行工作時(shí)，由于時(shí)隙只能針對(duì)某一個(gè)設(shè)備，因此就會(huì)出現(xiàn)沖突的情況，從而激活CSMA/CA 機(jī)制。

其次，競(jìng)爭(zhēng)避免階段。當(dāng)進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)避免階段，運(yùn)行中的設(shè)備需要進(jìn)行申請(qǐng)才能完成相關(guān)操作，主要是向協(xié)調(diào)器發(fā)出申請(qǐng)[2]。在該階段，可以劃分成若干個(gè)GTS，將一個(gè)GTS 再進(jìn)行劃分，就可以得到不同的時(shí)隙，換句話說(shuō)，GTS 的構(gòu)成是由眾多時(shí)隙組成的。在實(shí)際應(yīng)用中，具體的組成數(shù)目要依照現(xiàn)實(shí)情況來(lái)確定，主要是要看設(shè)備的申請(qǐng)狀況。通常情況下，位于該階段時(shí)隙一般不會(huì)太多，為了確保數(shù)據(jù)包傳送的質(zhì)量，可以將時(shí)隙數(shù)控制在7 個(gè)以內(nèi)，由此可以得出GTS 總數(shù)通常會(huì)小于7。但是因?yàn)樘幱贑FP 階段，存在很多可能性和較大的不穩(wěn)定性，因此具體的時(shí)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(chǎng)景中，在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)節(jié)由于節(jié)點(diǎn)較為密集，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量加大，呈現(xiàn)出急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因此在該工業(yè)場(chǎng)景中對(duì)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(chǎng)景中，因?yàn)樵S多節(jié)點(diǎn)形成的數(shù)據(jù)包想要完成傳輸都需要通過(guò)CAP 來(lái)實(shí)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(guò)相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的CSMA/CA 機(jī)制存在一定的滯后性，在面對(duì)密集節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)滯后和延時(shí)發(fā)送的情況，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)吞吐量過(guò)低的現(xiàn)象。

三、針對(duì)密集場(chǎng)景的CSMA/CA 協(xié)議

在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)先級(jí)設(shè)立的途徑可以建立一種效率較高且適應(yīng)性較強(qiáng)的GTS 調(diào)度方法。該方法具有一定的先進(jìn)性，需要通過(guò)建模的方法來(lái)完成，借助優(yōu)先級(jí)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?，提出了一種應(yīng)用范圍更廣和適用性更強(qiáng)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(jì)算，通過(guò)該理論可以有效解決現(xiàn)存的問(wèn)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(shí)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(méi)有對(duì)時(shí)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(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)餓死的情況。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，相關(guān)學(xué)者針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征和工業(yè)密集場(chǎng)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(shí)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(duì)經(jīng)典CSMA/CA 協(xié)議進(jìn)行演進(jìn)，增強(qiáng)CSMA/CA 協(xié)議的適應(yīng)性，促使其可以更好為密集場(chǎng)景服務(wù)。

AAA 算法也叫做自適應(yīng)分配算法，自推行以來(lái)取得了較大的成績(jī)，受到了相關(guān)學(xué)者的青睞，就目前的應(yīng)用情況來(lái)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(qiáng)，可以滿足密集型場(chǎng)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(shí)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(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)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(shì)，可以讓等待時(shí)間相對(duì)久的節(jié)點(diǎn)取得更多的時(shí)隙，在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)會(huì)平等的條件下，讓得到的時(shí)隙數(shù)目變得更多,從這一點(diǎn)上就可以看出采用AAA 算法的公平性與合理性，確保時(shí)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(jí)，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(shí)隙分配手段，這種方法可以極大限度保證時(shí)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(lái)解決現(xiàn)存的問(wèn)題，提升系統(tǒng)的性能。因?yàn)樵趯?shí)際工作中，如果系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)等待時(shí)間超過(guò)了一定的數(shù)值，就會(huì)導(dǎo)致大量沒(méi)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(shí)效性，這些數(shù)據(jù)包如果無(wú)法在較短的時(shí)間內(nèi)處理完成，就會(huì)降低信息的可靠性，造成滯后問(wèn)題。但是通過(guò)AAA 算法的應(yīng)用，可以讓等待時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分配到更多的時(shí)隙，確保獲得的時(shí)隙數(shù)量能夠與等待時(shí)間成正比,保障時(shí)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(diǎn)餓死的情況產(chǎn)生。

結(jié)論：綜上所述，近年來(lái)，無(wú)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(lái)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(chǎng)景的需求，急需進(jìn)行革新。隨著無(wú)線通信的發(fā)展，相信在未來(lái)相關(guān)的研究將會(huì)越來(lái)越多。基于這樣的背景，對(duì)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(wú)線傳感器使用要求，更加貼合網(wǎng)絡(luò)密集場(chǎng)景的應(yīng)用需求，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，可以繼續(xù)推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)效、穩(wěn)定發(fā)展。