计算机和通信网络信道复用和介质接入控制的方式主要有两种：轮询多址和随机多址。轮询系统自从正式的理论研究和建模分析出现以来,被广泛应用于交通信号控制、工业控制、物流货运,尤其是被广泛应用于计算机和通信网络中。基本的轮询系统模型由一个服务台和N个队列组成,服务台依据一定的规则按次序对每一个队列进行操作,最后一个队列操作完毕后又返回第一个队列,继续重复前面的访问服务过程。轮询系统通过这样的控制方式使各个用户能够无竞争地共享系统资源,如计算机和通信网络的信道、带宽、中央处理器(CPU)等。轮询系统的运行过程由各个队列中顾客的到达过程、服务台对各个队列的服务过程以及服务台从上一个队列到下一个队列的查询转换过程构成。根据服务策略的不同,轮询系统可分为完全(Exhaustive)、门限(Gated)和限定(Limited-K)三种不同系统。平均排队队长是描述轮询系统性能的重要指标之一,也就是队列中排队等待服务的顾客数；顾客平均等待时间是描述轮询系统性能的另一个重要指标,也就是从顾客到达系统时刻到开始接受服务时刻之间的时间间隔；此外,查询周期也是一个描述轮询系统性能的重要指标,它是服务台从上一次开始查询服务某个队列到下一次开始查询服务该队列所经历的时间间隔。实际上,当研究轮询系统时,需要达到的最大目标就是能够通过建模分析,求解得到描述系统性能指标的精确表达式。因为有了精确表达式,系统设计者能够更好理解系统的工作特点和运行过程,有助于在有限的系统资源配置下,优化系统性能,提高系统工作效率。随着轮询系统的应用范围和应用领域的拓宽,基本轮询系统被不断改进优化,以满足不断发展的应用需求。对于基本轮询系统,研究人员通过各种方法得到了描述系统性能的精确表达式,而对于优化改进的轮询系统,往往由于分析的难度和复杂性非常地大,许多文献中提出了模型,但多数只采用数值分析方法给出描述系统性能参数的近似解,或通过仿真实验得到模拟结果。本论文介绍了三种不同服务策略轮询系统,即完全、门限和限定(K=1)服务轮询系统的数学模型特点,利用嵌入式马尔可夫链(Imbedded Markov Chain)和概率母函数(Probability Generating Function)分析得到描述系统状态的随机变量的概率母函数,分析求解描述系统性能指标即平均排队队长和平均等待服务时间的精确表达式的新方法。完全服务轮询系统具有平均排队队长和平均等待服务时延小等特点,在需要设计系统平均等待服务时延小的应用场合受到特别关注。本论文提出一个离散时间完全服务两级轮询系统,它有N+1个队列组成,其中包含有一个中心队列,N个普通队列,中心队列和普通队列都采用完全服务策略。每当顺序查询服务一个普通队列之后,服务台便转向查询服务一次中心队列。通过改变查询服务顺序,使系统对中心队列的服务得到优先保证。论文采用嵌入式马尔可夫链和概率母函数方法求解得到描述系统状态的随机变量的概率母函数,并解析出描述这个离散时间完全服务两级轮询系统性能的精确表达式。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)由许多智能传感器节点组成。除了检测环境变化之外,传感器节点还配置有处理器和无线收发器。无线传感器网络一般采用电池供电。有时候,给电池充电很困难,或者节点本身可能就很便宜,充电根本没有必要,所以提高无线传感器网络耗能效率、延长网络寿命很重要,应该全面设计解决网络耗能效率问题。解决的关键问题之一是网络通信的组织,因为无线收发器是主要能耗,无论节点处在发射状态、接收状态还是闲置状态,它们都消耗相当可观的能量。为了减小无线收发器的能耗,唯一的办法是让它完全关闭。然而除了检测环境变化外,节点也需要组成ad hoc网络去传递数据到数据接收器。使无线传感器节点组织网络通信时能量损耗达到最小的方法主要有两类,是通过设计具有周期性睡眠／苏醒调度方式的MAC协议,二是通过硬件电路实现实时唤醒功能后再进行数据通信的方法。本论文提出一种利用硬件电路实现低功耗监听方案降低节点处于睡眠状态时的能耗。传感器节点配置数据收发和低功耗监听两个不同通道。在网络初始化时,每个节点都分配一个不同于它的周围邻居节点的唤醒调。在不需要进行数据通信时,传感器节点只打开低功耗监听通道,而关闭数据收发通道进入半睡眠状态。而当源节点的存储器中有数据需要转发时,它首先发送目标节点的唤醒调,目标节点检测到这个唤醒调,它打开数据收发通道与源节点进行数据通信。唤醒调是由一个个脉冲波形组成,它对接收的电路失真度要求并不高,所以可以采用静态工作点比较低的放大电路。这些唤醒调信号放大后,直接送到数字电路进行识别,所以整个监听通道构成的电路功耗低,而且复杂度低、成本低、响应时间短,所以该监听方案适于无线传感器网络提高能耗效率、降低响应时间。介质访问控制(Medium Access Control)协议的设计是无线传感器节点组织网络通信的另一个关键技术,通过在传感器节点之间分配和共享有限的无线通信资源,构建起无线传感器网络通信系统的底层基础结构。在无线传感器网络中,传感器节点数目非常大,节点之间又通常是协作运行的,无线传感器网络通常会采用分簇(Clustering)算法将众多的传感器节点归为一个个簇,从而把动态自组织的网络变为相对固定的簇结构。本论文应用离散时间完全服务两级轮询模型于分簇式无线传感器网络提高节点通信时的能耗效率。每个簇中的簇首节点就是中心队列,其它节点就是普通队列,簇首节点和普通节点都采用完全服务策略。在逻辑中心的控制下,系统每顺序查询访问一个普通节点,经过一个查询转换时间,便转向查询访问一次簇首节点,使得对簇首节点信息分组的传输得到优先保证。理论分析和实验结果都表明,采用离散时间完全服务两级轮询模型的MAC控制方式,簇首节点的平均等待发送信息分组时间大大减小,这样可以均衡簇中各个节点的发送信息分组时间,避免簇首节点过早用完能量而失效,并且簇首节点和普通节点都采用完全服务策略,有利于各个传感器节点及时发送完存储器中的所有信息分组,很快进入睡眠状态,从而提高传感器节点能耗效率。