[发明专利]一种基于IEEE802.15.4的自适应CSMA/CA接入方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络介质访问控制（MAC，Media Access Control）子层处理技术，尤其涉及一种新的IEEE802.15.4标准中的CSMA/CA接入机制优化方法。 

背景技术

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)是一种以数据为中心的网络，大量具有无线通信以及数据处理能力的传感器节点以自组织或多跳的方式构成的一种无线网络。节点通过传感器采集、处理数据并反馈给用户。 

IEEE802.15.4标准主要是针对低速率、低功耗、低成本的低速无线个域网(LR-WPAN，Low Rate-Wireless Personal Area Network)，定义了物理层和数据链路层的协议，该协议非常适合WSN，目前很多WSN研究都是基于该协议标准。IEEE802.15.4协议提供两种工作模式：非信标使能和信标使能。 

非信标使能的网络中节点间没有建立时间同步，因此节点由于空闲侦听造成大量的能量消耗。在信标使能网络中，许多节点通过一个网络协调器(Coordinator)构成一个星型网络。网络协调器的功能是为网络提供基本的定时和中心控制功能，与协调器关联的节点称为一个Device，Device间通信都要通过网络协调器。网络协调器定期发送信标帧来建立网络的时间同步，Device遵循与其关联的网络协调器的时序来定期进行睡眠或工作，这样的工作模式大大降低了能耗。树型的网络拓扑在局部范围内可以看作是星型网络，因此研究星型网络具有重要的现实意义，本发明基于信标使能的星型网络对IEEE802.15.4MAC协议进行改进，并可以扩展到成簇网络中，网络中每个簇都为一个星型拓扑结构单元。 

在基于CSMA/CA的MAC协议中，退避算法的目标是赋予节点适当的退避时间，以正确反映节点附近信道的争用状况。包括IEEE 802.11标准在内的很多无线通信协议都采用二进制指数退避(BEB，Eigenvalue Based Beamforming)算法。图1显示了BEB算法流程。 

该接入方法虽然实现简单，但存在诸多问题： 

首先，它总是有利于前一次数据传输成功的节点短时间内又一次竞争到信道，尤其当网络节点数覆盖密度比较大的情况下，容易使其他节点因抢占不到信道而出现网络中的“饿死”现象，退避延迟也会随着冲突发生的次数的增加逐渐增大；

其次，固定的macMinBE、aMaxBE值，不利于网络的自适应变化。macMinBE的值并不能反映当时网络的传输状况，在CSMA/CA机制开始之后，需要接入信道的节点必须花很多的时间逐步调整退避指数BE，直到调整达到默认的最大值aMaxBE，或者随机选择的退避周期能够满足要求，节点可以接入信道为止。当下一次算法开始后，BE重新恢复默认值，节点极有可能再次发生碰撞并重传数据包直到BE再次达到较高的数值，从而浪费大量的时间和信道资源。造成网络的吞吐量下降，易发生消息碰撞，消息延迟等，网络负载加重。

针对以上BEB算法的固有缺点，近年来对于BEB算法的改进优化比较少见，而BEB算法对于CSMA/CA机制起着极其重要的作用，因此对于BEB的研究有着重大的意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于IEEE802.15.4标准的自适应CSMA/CA的接入方法,是一种对BEB算法的优化方法，在输入业务量比较重的情况下，降低冲突发生概率，尽量减少数据包的重发次数，增加数据成功投递率，提高系统网络吞吐量，同时减少节点接入信道的延迟，降低了网络负载。 

本发明为一种基于IEEE802.15.4的具有自适应调整能力的二进制指数退避BEB算法的优化方法：ABE(Adaptive Backoff Exponential Algorithm)-BEB。本优化方法能够使网络中部分节点根据占用网络流量多少，对CSMA/CA机制中macMinBE参数的默认值进行优化。包括以下三个阶段： 

分析阶段

决策阶段

执行阶段

分析阶段：以分析周期结束后重复执行的阶段为分析阶段，所述分析周期指网络协调器观察分析与其关联的普通节点占用网络流量的持续时间；分析周期开始后，网络协调器计算每个普通节点传来的数据包的总数，为决策阶段提供普通节点的网络信息状况，直到分析周期结束；