工業物聯網密集場景中的演進型時隙分配機制分析

楊軍

（四川信息職業技術學院，四川 廣元 628000）

引言：基于當前提出的時隙集合理論，可以依據其退避狀態指數以及相關的參數，得到較為合理的時隙分配方案，再結合該方案完成時隙數的分配，這種方法比較適用于密集場景。在CSMA/CA 協議的演進過程中，可以逐步完成模型的建立。通過相關研究證明，該機制具有一定的先進性，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境中，從根本上緩解數據發送延遲的問題，提高整體的運行效率。

一、綜合概述

近年來，隨著科技的進步，無線傳感器網絡的應用范圍越來越廣，在眾多領域中都可以看到它的身影，并受到了業界的密切關注，成為解決現有問題的有效方案。傳感器網絡是一個復雜的結構組成，包括眾多的構件，每一個構件都發揮著各自的作用，缺一不可，例如：感知節點、路由節點以及用戶控制端等。以感知節點為例，其主要的功能是負責收集有效信息，將周圍的信息全部收納其中，之后再進行篩選。當完成信息收集工作后，會將這些信息傳輸到轉發節點。在整個過程中，轉發節點主要起到的是信息傳輸的作用，除此之外，自身也可以承擔收集信息的任務，確保信息的時效性與完整性。當轉發節點收到數據包后會繼續進行傳送，將其發給匯聚節點，以此類推，最后完成閉環操作，最后數據包將會到達用戶端，并將數據處理結果及時反饋給用戶。

現階段，隨著經濟與科技的發展，工業無線傳感器得到了較快的發展，無論是設備數量還是使用性能都得到了提升，在這樣的背景下，傳統的協議已經無法滿足現階段的無線傳感器使用要求，必須要進行優化。網絡以低功耗的優點和低成本的優勢獲得了業界的好評與關注，工業應用場景的改變對整體網絡要求也更加嚴格，在實際使用中，必須要保證網絡的實時性[1]。基于這樣的前提，IEEE802.15.4 協議的出現與應用為無線傳感器網絡營造了更加安全的環境，可以確保低復雜度以及滿足低消耗的要求，以此來提高無線連接標準。從目前的情況來看，該協議已經被廣泛應用到了各個場景中，例如：工業監測以及現場安全控制等內容。在實際應用中，該協議明確規定超幀結構可以實現時間的分割，將其分為若干時隙，并且每個時隙在數據發送和接收方面都有著嚴格的要求，只能允許一個設備來完成。

二、工作原理

工業無線傳感器在實際的運行中是依靠網絡協調器來實現的,該設備在使用中主要負責的是對超幀結構進行管理，在管理的過程中完成節點分配時隙的工作。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，超幀是連續的，在超幀階段如果設備未能成功找到時隙，需要繼續等待，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。當位于非活躍期時，可以完成簇間或者是簇內的有效交流。與非活躍期相比，活躍期存在不同的傳輸數據手段，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備的共享，確保設備使用的可靠性。超幀結構示意圖如下圖1 所示。

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

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備共享的，可以最大限度提升信息的利用率，當幾個設備同時進行工作時，由于時隙只能針對某一個設備，因此就會出現沖突的情況，從而激活CSMA/CA 機制。

其次，競爭避免階段。當進入競爭避免階段，運行中的設備需要進行申請才能完成相關操作，主要是向協調器發出申請[2]。在該階段，可以劃分成若干個GTS，將一個GTS 再進行劃分，就可以得到不同的時隙，換句話說，GTS 的構成是由眾多時隙組成的。在實際應用中，具體的組成數目要依照現實情況來確定，主要是要看設備的申請狀況。通常情況下，位于該階段時隙一般不會太多，為了確保數據包傳送的質量，可以將時隙數控制在7 個以內，由此可以得出GTS 總數通常會小于7。但是因為處于CFP 階段，存在很多可能性和較大的不穩定性，因此具體的時隙數目可以結合情況適當調整。

值得注意的是，在設備數量集中的工業場景中，在實際的應用環節由于節點較為密集，會導致數據量加大，呈現出急劇增長的趨勢，因此在該工業場景中對IEEE802.15.4 的性能要求也是非常高的，要求極為嚴苛。現階段，在密集網絡場景中，因為許多節點形成的數據包想要完成傳輸都需要通過CAP 來實現，在此階段傳輸可以確保數據包百分百的傳輸率，但是沖突也是不可避免的。通過相關研究可以發現，傳統的CSMA/CA 機制存在一定的滯后性，在面對密集節點場景時，經常會發生節點數據滯后和延時發送的情況，有時還會出現吞吐量過低的現象。

三、針對密集場景的CSMA/CA 協議

在相關研究的基礎上，通過優先級設立的途徑可以建立一種效率較高且適應性較強的GTS 調度方法。該方法具有一定的先進性，需要通過建模的方法來完成，借助優先級狀態，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。基于此，提出了一種應用范圍更廣和適用性更強的WIA-PA 超幀結構，這種結構是建立在回溯法的基礎上，利用最優確定性完成調度計算，通過該理論可以有效解決現存的問題，獲取最大調度解的成功率。另外，以此作為前提還可以得出時分多址調度的基本算法，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行有效分析，采用此種方法有可能會導致節點餓死的情況。通過經驗的總結，相關學者針對無線傳感器網絡的特征和工業密集場景的要求，在前面一系列研究結果的基礎上提出了一種較為科學的演進型時隙分配模式和算法，這種方法更能適應現階段的發展需求，并對經典CSMA/CA 協議進行演進，增強CSMA/CA 協議的適應性，促使其可以更好為密集場景服務。

AAA 算法也叫做自適應分配算法，自推行以來取得了較大的成績，受到了相關學者的青睞，就目前的應用情況來看，已經取得了不小的進展。前文已經大體介紹了傳統算法的不足，而自適應分配是建立在傳統算法基礎上的一種新型算法，適應性比較強，可以滿足密集型場景的需求。自適應分配其工作原理是依托數據包的當前狀態（退避狀態）以及超幀階段能夠分配到的最大時隙數，將這兩種參數作為參照而產生的一種較為科學的時隙競爭分配策略。采用該方法可以極大限度滿足設備的應用要求，確保數據包的傳輸效率[3]。AAA 算法具有較大的優勢，可以讓等待時間相對久的節點取得更多的時隙，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，為后續工作的推行提供充足保障。AAA 算法是建立在傳統CSMA/CA 算法理論的基礎上進行的優化升級，結合現階段的使用現狀，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量，并且還可以將其應用到密集網絡中，來解決現存的問題，提升系統的性能。因為在實際工作中，如果系統節點等待時間超過了一定的數值，就會導致大量沒有處理的數據包積累，影響數據的傳輸結果和時效性，這些數據包如果無法在較短的時間內處理完成，就會降低信息的可靠性，造成滯后問題。但是通過AAA 算法的應用，可以讓等待時間較長的系統節點分配到更多的時隙，確保獲得的時隙數量能夠與等待時間成正比,保障時隙分配的合理性，確保更多的數據發送，從而可以有效避免節點餓死的情況產生。

結論：綜上所述，近年來，無線傳感器網絡頻繁出現在大眾視野，應用范圍越來越廣，并得到了業界的密切關注，但是從發展現狀看，傳統的應用協議已經不能滿足密集場景的需求，急需進行革新。隨著無線通信的發展，相信在未來相關的研究將會越來越多。基于這樣的背景，對傳統的協議進行完善和改進，讓其可以滿足現階段的無線傳感器使用要求，更加貼合網絡密集場景的應用需求，具有一定的現實意義，可以繼續推動相關產業的長效、穩定發展。