楊志軍，毛 磊

(1.云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省教育廳 教育科學(xué)研究院，云南 昆明 650223)

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和業(yè)務(wù)流量不斷增加，服務(wù)器需要具備更加強(qiáng)大的運(yùn)算能力，才能保證網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和服務(wù)效率。因此對(duì)于使用單一服務(wù)器的接入控制協(xié)議而言，服務(wù)器的內(nèi)存、處理器很容易到達(dá)瓶頸[1]。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，感知層對(duì)高密集站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳送，這對(duì)感知層的接入控制協(xié)議要求較高[2]?；谳喸?xún)接入機(jī)制的MAC協(xié)議，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)中有著廣泛應(yīng)用[3-5]，傳統(tǒng)的輪詢(xún)系統(tǒng)大多采用單服務(wù)器接入控制方式(single server access control mechanism，SSACM)[6,7]，由于單臺(tái)服務(wù)器的運(yùn)算能力是有限的，在業(yè)務(wù)量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較高，吞吐量較小，顯然不能滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?。解決這類(lèi)問(wèn)題有兩種方法：一是為服務(wù)器配置高性能的硬件設(shè)備；二是多服務(wù)器并發(fā)處理方式[8-11]。但是由于硬件擴(kuò)展成本較高，通過(guò)提升硬件性能并不能從根本上解決這個(gè)問(wèn)題，只有采用多服務(wù)器才能滿(mǎn)足大量用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的需要，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡[12,13]。

針對(duì)上述單服務(wù)器輪詢(xún)接入?yún)f(xié)議的缺陷，本文將多服務(wù)器并發(fā)處理的方式應(yīng)用到輪詢(xún)接入?yún)f(xié)議中，旨在實(shí)現(xiàn)輪詢(xún)系統(tǒng)的負(fù)載均衡，提高輪詢(xún)系統(tǒng)的服務(wù)效率和吞吐量。多個(gè)服務(wù)器調(diào)度時(shí)，使用同步控制的方式實(shí)現(xiàn)服務(wù)器在站點(diǎn)之間的輪詢(xún)，然后利用輪詢(xún)多址系統(tǒng)理論和排隊(duì)論對(duì)系統(tǒng)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均時(shí)延等性能進(jìn)行了近似分析，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 輪詢(xún)接入控制協(xié)議

1.1 背景知識(shí)及相關(guān)工作

MAC協(xié)議是構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)底層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，主要用來(lái)解決多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享同一鏈路或資源時(shí)，信道資源如何分配和劃分的問(wèn)題。一般分為隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)MAC協(xié)議和輪詢(xún)?cè)L問(wèn)MAC協(xié)議。在設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，主要考慮能耗、時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)效率等因素?；谳喸?xún)接入控制方式的MAC協(xié)議，是一種非競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議，其時(shí)延和公平性較好，因此在WSN中有著廣泛應(yīng)用。根據(jù)節(jié)點(diǎn)占用信道的時(shí)間，輪詢(xún)接入控制協(xié)議主要分為完全、門(mén)限和限定3種。完全服務(wù)協(xié)議[14]是指，當(dāng)節(jié)點(diǎn)占用信道時(shí)，只有在發(fā)送完所有數(shù)據(jù)后才會(huì)釋放信道；門(mén)限服務(wù)協(xié)議是指，當(dāng)節(jié)點(diǎn)占用信道時(shí)，只發(fā)送當(dāng)前時(shí)刻節(jié)點(diǎn)內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；限定服務(wù)協(xié)議是指，當(dāng)節(jié)點(diǎn)占用信道時(shí)，只發(fā)送K(K≥1)個(gè)信元。3種協(xié)議有各自的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景，其中完全服務(wù)協(xié)議用戶(hù)的平均等待時(shí)延和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)較低，適用于高優(yōu)先級(jí)或者實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)。門(mén)限服務(wù)協(xié)議和限定服務(wù)協(xié)議公平性較好，適用于普通業(yè)務(wù)。

現(xiàn)階段對(duì)輪詢(xún)接入控制協(xié)議的研究，主要還是集中在區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)[15]和服務(wù)器調(diào)度方式[16]上。文獻(xiàn)[17]中提出了一種使用兩個(gè)服務(wù)器同步控制(dual server synchronization control strategy，DSSCS)的負(fù)載均衡策略，在一定程度上提高了系統(tǒng)的服務(wù)效率，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求較多時(shí)，仍然不能解決系統(tǒng)效率低的問(wèn)題。文獻(xiàn)[18]提出一種基于忙閑隊(duì)列的輪詢(xún)控制協(xié)議，根據(jù)隊(duì)列中有無(wú)顧客將隊(duì)列分為忙隊(duì)列和空閑隊(duì)列，每次輪詢(xún)時(shí)，服務(wù)器只訪(fǎng)問(wèn)忙隊(duì)列，提高了系統(tǒng)的服務(wù)效率，但在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和業(yè)務(wù)量較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延仍然較高。上述輪詢(xún)機(jī)制，雖然在一定程度上改善了系統(tǒng)的性能，但并沒(méi)有改變單臺(tái)服務(wù)器的限制，其數(shù)據(jù)處理方式仍然比較單一。本文提出的多服務(wù)器接入?yún)f(xié)議，突破了傳統(tǒng)單服務(wù)器輪詢(xún)接入控制協(xié)議的局限，擴(kuò)展了輪詢(xún)接入?yún)f(xié)議的內(nèi)容，有效提高了輪詢(xún)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

1.2 MPACP協(xié)議

多服務(wù)器輪詢(xún)接入控制協(xié)議(multi-server polling access control protocol，MPACP)由N個(gè)站點(diǎn)，S個(gè)服務(wù)器組成，如圖1所示。服務(wù)器按完全服務(wù)方式對(duì)各個(gè)站點(diǎn)提供服務(wù)，即只有正在接受服務(wù)的站點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)需要被發(fā)送，服務(wù)器才切換到下一個(gè)站點(diǎn)繼續(xù)提供服務(wù)。多個(gè)服務(wù)器調(diào)度時(shí)，可以同時(shí)參加站點(diǎn)的服務(wù)器的最大數(shù)量是1或S。聲明：在任何給定時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)服務(wù)器可以為站點(diǎn)提供服務(wù)的服務(wù)器利用策略稱(chēng)為1×N，也可以叫作異步控制策略；所有S個(gè)服務(wù)器可以同時(shí)參加站點(diǎn)的服務(wù)器利用策略稱(chēng)為S×N，也可稱(chēng)為同步控制策略，當(dāng)S=1時(shí)，兩種策略明顯重合。本文使用同步控制策略實(shí)現(xiàn)多個(gè)服務(wù)器的接入，S個(gè)服務(wù)器同時(shí)為站點(diǎn)提供服務(wù)，服務(wù)完成后同時(shí)離開(kāi)。

圖1 MPACP模型

在該協(xié)議中，多個(gè)服務(wù)器同時(shí)為站點(diǎn)提供服務(wù)指的是：當(dāng)站點(diǎn)中有大量數(shù)據(jù)或訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求等待處理時(shí)，將其分割成不同的塊，然后發(fā)送到多臺(tái)服務(wù)器上進(jìn)行處理，以此來(lái)降低用戶(hù)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均等待時(shí)延；或者是將單個(gè)大負(fù)載分發(fā)到多個(gè)服務(wù)器上分別處理，然后將每臺(tái)服務(wù)器的處理結(jié)果合并后返回給用戶(hù)。

多服務(wù)器輪詢(xún)接入控制協(xié)議的這種結(jié)構(gòu)對(duì)每一個(gè)客戶(hù)來(lái)說(shuō)都是透明的，從客戶(hù)角度來(lái)說(shuō)，客戶(hù)看不到真正提供服務(wù)的多個(gè)服務(wù)器，只能看到一個(gè)虛擬的服務(wù)器。當(dāng)用戶(hù)提出發(fā)送請(qǐng)求后，首先將請(qǐng)求包傳遞給虛擬服務(wù)器，然后虛擬服務(wù)器將請(qǐng)求包中的目標(biāo)MAC地址轉(zhuǎn)換為選定服務(wù)器的MAC地址后，將用戶(hù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)出去，服務(wù)器處理后將用戶(hù)的請(qǐng)求結(jié)果返回給用戶(hù)。多服務(wù)器輪詢(xún)接入機(jī)制的工作流程如圖2所示。

圖2 MPACP工作流程

2 MPACP系統(tǒng)分析

一個(gè)輪詢(xún)系統(tǒng)的性能，主要從系統(tǒng)內(nèi)用戶(hù)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、平均循環(huán)周期、平均時(shí)延等方面來(lái)衡量，前兩者是一階特性，后一個(gè)是二階特性。相同負(fù)載下，隊(duì)長(zhǎng)、周期、時(shí)延越小，說(shuō)明系統(tǒng)的性能越好，服務(wù)效率越高。根據(jù)基本輪詢(xún)系統(tǒng)的分析方法和排隊(duì)理論，我們對(duì)多服務(wù)器輪詢(xún)機(jī)制的特征參數(shù)進(jìn)行解析，分析方法和結(jié)果如下所示。

2.1 系統(tǒng)工作條件

由于數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)的業(yè)務(wù)量或者是用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求隨機(jī)性和不確定性較大，情況非常復(fù)雜，為了能對(duì)系統(tǒng)的性能做出正確的評(píng)估，仿真實(shí)驗(yàn)又不失一般性，在本文中考慮具有如下特征的多服務(wù)器輪詢(xún)接入機(jī)制：

(2)系統(tǒng)內(nèi)，站點(diǎn)數(shù)量等于N(N≥1)，服務(wù)器數(shù)量等于S(S≥1)。

(4)輪詢(xún)順序是服務(wù)器按升序索引訪(fǎng)問(wèn)每一個(gè)站點(diǎn)，訪(fǎng)問(wèn)完站點(diǎn)N之后，服務(wù)器返回站點(diǎn)1。

(6)系統(tǒng)是對(duì)稱(chēng)的：所有站點(diǎn)都是相同的，所有服務(wù)器的行為都是相同的，服務(wù)器按照數(shù)據(jù)到達(dá)的先后順序?yàn)槠涮峁┓?wù)(first come first serve，F(xiàn)CFS)。

2.2 隨機(jī)變量和概率母函數(shù)

為分析系統(tǒng)的狀態(tài)變量，定義以下隨機(jī)變量：

vi(n)：服務(wù)器對(duì)i號(hào)站點(diǎn)中的信元進(jìn)行完全服務(wù)所耗費(fèi)的時(shí)間。

ui(n)：服務(wù)器從i號(hào)站點(diǎn)切換到i+1號(hào)站點(diǎn)的時(shí)間。

μj(ui)：ui(n)時(shí)間內(nèi)進(jìn)入j號(hào)站點(diǎn)的信元數(shù)。

ηj(vi)：vi(n)時(shí)間內(nèi)進(jìn)入j號(hào)站點(diǎn)的信元數(shù)。

設(shè)tn時(shí)刻，S個(gè)服務(wù)器同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)i號(hào)站點(diǎn)并提供服務(wù)，當(dāng)服務(wù)器處理完該站點(diǎn)存儲(chǔ)器內(nèi)的信元后轉(zhuǎn)去查詢(xún)i+1號(hào)站點(diǎn)，i+1號(hào)站點(diǎn)在tn+1時(shí)刻接受服務(wù)。ξi(n)表示tn時(shí)刻，i號(hào)站點(diǎn)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)的信元數(shù)，則tn時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)變量可表示為{ξ1(n),ξ2(n),…,ξi(n),…,ξN(n)}。通過(guò)分析可知，tn+1時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)只與tn時(shí)刻有關(guān)，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，即站點(diǎn)數(shù)量是有限的，該系統(tǒng)的狀態(tài)變量構(gòu)成馬爾可夫過(guò)程，并且在Nλβ

(1)

定義πi(x1,x2,…,xi,…,xN)的概率母函數(shù)為

(2)

tn+1時(shí)刻，服務(wù)器為i+1號(hào)站點(diǎn)提供服務(wù)，由此可得

(3)

(4)

2.3 平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)

定義系統(tǒng)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)為：tn時(shí)刻，服務(wù)器按照完全服務(wù)規(guī)則對(duì)i號(hào)節(jié)點(diǎn)中的信元進(jìn)行傳輸時(shí)，j號(hào)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)的信元數(shù)，用gi(j)來(lái)表示

(5)

由式(4)、式(5)可得MPACP系統(tǒng)中信元的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)為

(6)

式中：N表示站點(diǎn)數(shù)量，S表示服務(wù)器數(shù)量(N,S≥1)。

2.4 平均等待時(shí)延

通常使用系統(tǒng)中客戶(hù)的平均等待時(shí)延來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，時(shí)延過(guò)大，系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)客戶(hù)都需要等待很長(zhǎng)時(shí)間才能得到服務(wù)，因此系統(tǒng)性能較差。定義系統(tǒng)的平均等待時(shí)延為：信元從進(jìn)入節(jié)點(diǎn)到其開(kāi)始被發(fā)送出去所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。

定義系統(tǒng)的二階偏導(dǎo)為

(7)

由式(4)、式(7)可得

(8)

與單服務(wù)器完全服務(wù)機(jī)制[14]類(lèi)似，MPACP系統(tǒng)的平均等待時(shí)延也由E(wi,1)和E(wi,2)兩部分組成，E(wi,1)表示：服務(wù)器輪詢(xún)到i號(hào)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，緩沖區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)的信元的平均等待時(shí)延；E(wi,2)表示，服務(wù)器為i號(hào)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)期間，到達(dá)i號(hào)節(jié)點(diǎn)的信元的平均等待時(shí)延。由式(6)～式(8)可得

(9)

2.5 系統(tǒng)吞吐量

定義系統(tǒng)吞吐量為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，多服務(wù)器完全輪詢(xún)接入機(jī)制所能處理的信元數(shù)，用T表示。MPACP采用多個(gè)服務(wù)器并發(fā)處理的結(jié)構(gòu)，增大了系統(tǒng)的吞吐量，其計(jì)算方式如下

T=NSλβ

(10)

由文獻(xiàn)[14]可知，SSACM的吞吐量為Nλβ，與其相比，多服務(wù)器系統(tǒng)的吞吐量增大了S倍。說(shuō)明MPACP協(xié)議的負(fù)載能力更大，相同時(shí)間內(nèi)，MPACP處理的信元數(shù)是SSACM的S倍。

2.6 平均查詢(xún)周期

系統(tǒng)平均查詢(xún)周期定義為：服務(wù)器對(duì)所有站點(diǎn)完成一次遍歷所花費(fèi)的時(shí)間，也就是服務(wù)器連續(xù)兩次查詢(xún)同一站點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，用E[θ]表示。平均查詢(xún)周期的計(jì)算大多是根據(jù)平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)與平均循環(huán)周期的關(guān)系推導(dǎo)而出，該方式計(jì)算較為復(fù)雜[15]。本文根據(jù)輪詢(xún)系統(tǒng)的工作機(jī)制，提出一種計(jì)算方法，定義如下：

服務(wù)器對(duì)所有站點(diǎn)完成一次訪(fǎng)問(wèn)所花費(fèi)的時(shí)間由兩部分組成：輪詢(xún)轉(zhuǎn)換所花費(fèi)的總時(shí)間Nγ和為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信元進(jìn)行傳輸所花費(fèi)的總時(shí)間。后一部分，平均而言，在穩(wěn)定狀態(tài)下(由于對(duì)稱(chēng)性和穩(wěn)定性)，必須等于一次遍歷期間到達(dá)的平均總工作量的1/S,而根據(jù)我們的定義，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)MPACP系統(tǒng)的平均總工作量為λtotβ=Nλβ，所以可以得到

(11)

3 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)2.1節(jié)理論分析的條件，在MATLAB2018a平臺(tái)上構(gòu)建多服務(wù)器輪詢(xún)接入控制模型。使用exprnd()函數(shù)生成滿(mǎn)足泊松分布的隨機(jī)序列，用于模擬到達(dá)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信元數(shù)，其均值為λ。假定仿真時(shí)，數(shù)據(jù)通信過(guò)程是理想狀態(tài)，也就是所有的信元都被發(fā)送成功，不會(huì)發(fā)生丟包和重傳的情況。通信過(guò)程中，按時(shí)隙劃分時(shí)間軸。仿真過(guò)程中，需要滿(mǎn)足下面條件：

(1)系統(tǒng)是對(duì)稱(chēng)的：所有隊(duì)列都是相同的，所有服務(wù)器的行為都是相同的；

(2)在每一個(gè)單位時(shí)隙內(nèi)，數(shù)據(jù)按照泊松過(guò)程到達(dá)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間無(wú)限大；

(3)系統(tǒng)在Nλβ

(4)為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，設(shè)置每次實(shí)驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)為10萬(wàn)次以上；

(5)為提高仿真效率，實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，即節(jié)點(diǎn)數(shù)量在5-30個(gè)內(nèi)變化，服務(wù)器數(shù)量在3-10個(gè)內(nèi)變化，數(shù)據(jù)包的到達(dá)率λ的取值為[0.001∶0.001∶0.01]，單位為Mbps。

在該系統(tǒng)中，其初始條件為：在開(kāi)始時(shí)刻，各個(gè)站點(diǎn)內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)需要被發(fā)送，當(dāng)站點(diǎn)提出發(fā)送請(qǐng)求后，S個(gè)服務(wù)器同時(shí)去查詢(xún)第一個(gè)站點(diǎn)，然后按完全服務(wù)方式為其提供服務(wù)。服務(wù)完成后，轉(zhuǎn)去查詢(xún)第二個(gè)站點(diǎn)。以此類(lèi)推，服務(wù)完最后一個(gè)站點(diǎn)后，又開(kāi)始對(duì)第一個(gè)站點(diǎn)提供服務(wù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分為一下幾個(gè)步驟：

步驟1 根據(jù)假定的條件，在MATLAB2018a上構(gòu)建MPACP系統(tǒng)模型；

步驟2 產(chǎn)生滿(mǎn)足泊松分布的數(shù)據(jù)信息；

步驟3 統(tǒng)計(jì)所有的數(shù)據(jù)信息；

步驟4 計(jì)算平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、平均循環(huán)周期、平均等待時(shí)延的實(shí)驗(yàn)值；

步驟5 根據(jù)式(6)～式(11)計(jì)算出理論值，然后與實(shí)驗(yàn)值比較，計(jì)算出相對(duì)誤差；

步驟6 驗(yàn)證模型的正確性；

步驟7 設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件，將MPACP模型與SSACM和DSSCS模型比較，評(píng)價(jià)MPACP模型的優(yōu)越性；

模型仿真過(guò)程中，MPACP模型的控制流程見(jiàn)表1。

表1 MPACP控制流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)量(即數(shù)據(jù)包的到達(dá)率)、服務(wù)器數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，分析系統(tǒng)中用戶(hù)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、平均循環(huán)周期和平均等待時(shí)延的變化規(guī)律，結(jié)果如下所示。

表2是具有固定節(jié)點(diǎn)數(shù)量(λ=0.05,β=4,N=6,γ=2)，服務(wù)器個(gè)數(shù)在2到7之間變化的系統(tǒng)的平均隊(duì)長(zhǎng)和平均循環(huán)周期對(duì)比結(jié)果。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，理論值與實(shí)驗(yàn)值基本一致，誤差保持在較小范圍內(nèi)，說(shuō)明理論分析的可靠性和準(zhǔn)確性。

表2 MPACP理論值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差

圖3和圖4是具有固定站點(diǎn)數(shù)量(N=5)，服務(wù)時(shí)間β=10，不同服務(wù)器數(shù)量情況下，系統(tǒng)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均等待時(shí)延的對(duì)比。首先，兩個(gè)圖中，各曲線(xiàn)上，理論值與實(shí)驗(yàn)值基本擬合，說(shuō)明理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)的一致性。然后，從兩個(gè)圖可以分別看出，隨著服務(wù)器數(shù)量的增加，MPACP的平均隊(duì)長(zhǎng)和平均時(shí)延不斷降低，說(shuō)明相同業(yè)務(wù)量情況下，隨著服務(wù)器數(shù)量的增加，系統(tǒng)的服務(wù)效率逐漸提高，使用多服務(wù)器輪詢(xún)接入控制方式可以提高系統(tǒng)的性能。進(jìn)一步分析圖3，在數(shù)據(jù)包的到達(dá)率較小時(shí)，MPACP對(duì)系統(tǒng)平均隊(duì)長(zhǎng)的影響不是很明顯；只有在到達(dá)率較高時(shí)(即高業(yè)務(wù)量情況下)，使用多服務(wù)器才能降低系統(tǒng)的平均隊(duì)長(zhǎng)。這是因?yàn)樵跇I(yè)務(wù)量較小時(shí)，使用單服務(wù)器接入方式就能滿(mǎn)足系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的需求，沒(méi)必要使用多服務(wù)器。對(duì)比圖4發(fā)現(xiàn)，在業(yè)務(wù)量一定時(shí)，MPACP的平均時(shí)延隨著服務(wù)器數(shù)量的增加而降低，當(dāng)服務(wù)器數(shù)量為10個(gè)以上時(shí)，其平均時(shí)延的下降趨勢(shì)逐漸趨于平滑。

圖3 MPACP平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)隨服務(wù)器數(shù)量的變化 (N=5,β=10,γ=1)

圖4 MPACP平均時(shí)延隨服務(wù)器數(shù)量的變化 (N=5,β=10,γ=1)

兩個(gè)圖中，分析S=6，S=10，兩條曲線(xiàn)，即服務(wù)器個(gè)數(shù)取6、10?？梢钥闯?，在不同服務(wù)器下，系統(tǒng)的平均隊(duì)長(zhǎng)和平均時(shí)延變化趨于平穩(wěn)，特別是數(shù)據(jù)包到達(dá)率較小的時(shí)候尤為明顯，這說(shuō)明使用多服務(wù)器并不能無(wú)限提升系統(tǒng)性能，當(dāng)系統(tǒng)性能優(yōu)化到一定程度時(shí)，繼續(xù)增加服務(wù)器數(shù)量不僅不能提升系統(tǒng)性能，反而會(huì)造成資源的浪費(fèi)。結(jié)合式(6)和式(9)也可以發(fā)現(xiàn)，輪詢(xún)系統(tǒng)的性能除了與服務(wù)器數(shù)量有關(guān)，還與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模N和輪詢(xún)轉(zhuǎn)換時(shí)間γ有關(guān)。因此當(dāng)使用MPACP協(xié)議提升系統(tǒng)性能遇到瓶頸時(shí)，可以通過(guò)優(yōu)化站點(diǎn)數(shù)量、降低輪詢(xún)轉(zhuǎn)換時(shí)間和提高服務(wù)器的配置來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。

圖5是不同數(shù)量的服務(wù)器下，系統(tǒng)平均循環(huán)周期的對(duì)比分析。在輪詢(xún)系統(tǒng)中，平均循環(huán)周期是衡量輪詢(xún)系統(tǒng)服務(wù)效率的重要指標(biāo)，相同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和業(yè)務(wù)量情況下，平均循環(huán)周期越小，系統(tǒng)的服務(wù)效率越高。從圖5可以看出，MPACP的平均循環(huán)周期隨著數(shù)據(jù)包到達(dá)率的增加而增大。當(dāng)?shù)竭_(dá)率一定時(shí)，隨著服務(wù)器數(shù)量的增加，系統(tǒng)的平均循環(huán)周期逐漸降低，這說(shuō)明使用MPACP協(xié)議，系統(tǒng)的服務(wù)效率和穩(wěn)定性得到了很大提高。

圖5 MPACP平均循環(huán)周期隨服務(wù)器數(shù)量的變化 (N=5,β=10,γ=1)

4.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)MPACP的影響

在實(shí)際通信過(guò)程中，不同的場(chǎng)合需要應(yīng)用不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和感知層高密集節(jié)點(diǎn)的接入，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模成為影響WSN系統(tǒng)性能的重要因素。為分析網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)MPACP協(xié)議的影響，保持網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量不變(即每個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)包的到達(dá)率都為0.004 Mbps)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量在10-30內(nèi)變化，然后對(duì)比3種協(xié)議的平均時(shí)延，其中SSACM表示單服務(wù)器接入控制方式，DSSCS表示雙服務(wù)器同步控制策略，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下3種協(xié)議平均時(shí)延對(duì)比

從圖6的對(duì)比結(jié)果可以看出，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一定時(shí)，MPACP協(xié)議的平均時(shí)延最低。MPACP協(xié)議的平均時(shí)延受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響較小，而SSACM和DSSCS協(xié)議的平均時(shí)延隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而快速增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為30個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，SSACM系統(tǒng)的平均時(shí)延爆炸，已經(jīng)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行，此時(shí)與SSACM和DSSCS協(xié)議相比，MPACP的平均時(shí)延分別降低了72.37%和28.12%左右。

4.2 業(yè)務(wù)量對(duì)MPACP的影響

在網(wǎng)絡(luò)部署成功后，即網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不變，業(yè)務(wù)量是影響網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模固定為10個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包(即業(yè)務(wù)量)的到達(dá)率分別為0.002 Mbps、0.004 Mbps、0.006 Mbps、0.008 Mbps、0.01 Mbps時(shí)，3種協(xié)議的平均時(shí)延、吞吐量變化如圖7、圖8所示。

圖7 不同業(yè)務(wù)量下3種協(xié)議平均時(shí)延對(duì)比

圖8 不同業(yè)務(wù)量下3種協(xié)議吞吐量對(duì)比

從圖7可以看出，3種協(xié)議中，MPACP的平均時(shí)延最小。說(shuō)明MPACP協(xié)議通過(guò)增加服務(wù)器數(shù)量，使用同步控制策略，將業(yè)務(wù)量分擔(dān)到多個(gè)服務(wù)器上分別處理，降低了用戶(hù)的平均等待時(shí)延。具體分析，當(dāng)業(yè)務(wù)量增大時(shí)，MPACP協(xié)議的平均時(shí)延比SSACM減小了1到3倍，比DSSCS減小了50%左右。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量的增加，MPACP的平均時(shí)延變化不大，保持在5 ms左右，MPACP性能較好。

從圖8可以看出，相同業(yè)務(wù)量下，MPACP的模型的吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SSACM和DSSCS，也就是說(shuō)，單位時(shí)間內(nèi)，MPACP能夠傳輸更多的信元數(shù)和服務(wù)更多的用戶(hù)，MPACP協(xié)議的服務(wù)效率更高。隨著業(yè)務(wù)量的增加，SSACM和DSSCS協(xié)議的吞吐量增加較小，這是因?yàn)閱我坏姆?wù)器數(shù)量和數(shù)據(jù)處理方式限制了系統(tǒng)性能提升。這也是SSACM和DSSCS在業(yè)務(wù)量較高時(shí)，平均時(shí)延較大的原因。

5 結(jié)束語(yǔ)

輪詢(xún)代表一類(lèi)調(diào)度控制模型，為系統(tǒng)資源分配提供了一種非競(jìng)爭(zhēng)的訪(fǎng)問(wèn)控制機(jī)制，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛應(yīng)用?；趥鹘y(tǒng)的單服務(wù)器輪詢(xún)控制模型，本文提出使用同步控制方式的多服務(wù)器輪詢(xún)接入控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，提高輪詢(xún)接入?yún)f(xié)議的服務(wù)效率，然后對(duì)其進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)仿真。分析結(jié)果表明，在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和不同業(yè)務(wù)量情況下，MPACP平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均時(shí)延都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SSACM和DSSCS，MPACP響應(yīng)速度較快。使用MPACP協(xié)議，提高了輪詢(xún)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，為物聯(lián)網(wǎng)感知層的接入提供了一種控制方式。下一步工作中，可將多服務(wù)器接入方式擴(kuò)展到區(qū)分優(yōu)先級(jí)的兩級(jí)輪詢(xún)接入控制模型中。