无线网络CSMA/CA机制优化研究(2)
介质访问控制协议的设计有两大原则，一是能够构建可以容上千节点进行通信的网络，二是可以公平有效地利用信道。在一个星形网络中，多个节点同时向一个节点发送数据，数据相互之间会产生干扰，它们对于彼此来说都相当于噪声，同时中心节点也不可能同时解调多组数据，因而这些数据都会接收失败。
在无线通信中，除了要尽量避免冲突外，还有其它参数需要考虑。吞吐率是一个重要的因素，它反映了网络中单位时间内正确收到数据包的数量，我们自然希望吞吐率越大越好。能耗则是另一个需要考虑的参数，有时为了提高吞吐率，我们会实时地检测信道，但这也消耗更多的能量，因此更多的协议采用退避的算法，每隔随机的时间再检测一次，这无疑大大减少了能耗。同样为了节能，当一个节点在发送数据时，其它节点的收发器则会关闭电源，直至下次探测到信道空闲。
下面简单介绍一下广泛应用于无线传感器网络的IEEE 802.15.4标准。其中节点可以分成两种，一种是全功能的(FFD)而另一种是缩减功能的(RFD),FFD可以和FFD以及RFD通信，常用作协调器或普通的节点；RFD只能和网络协调器通信，并常位于拓扑结构的末尾。802.15.4支持星形和点对点两种拓扑结构（见图1.1），星形结构中各个发送端的节点只能向中心节点发送数据，而点对点结构则支持各节点间的数据互传。这个标准还支持超帧结构(见图1.2)，在一个信标帧周期中，分为活跃和非活跃两个时段，在活跃时段，也就是一个超帧持续时间长度中，又分为竞争访问时段和非竞争访问时段，顾名思义，所有对信道的竞争都是在竞争访问时段进行的，而在非竞争访问时段中采用时隙保障机制，即在系统分配好的时间段内发送数据。所有节点对信道的竞争都采用带冲突回避的载波监听多路访问（CSMA/CA）算法，节点在退避窗口边缘进行空闲信道评估（CCA），竞争成功（信道空闲）则可以发送数据，反之在下一个超帧到来时继续竞争。
图1.1 网络拓扑结构
图1.2 超帧结构
1.2主要信道接入机制
主要的信道接入机制包括ALOHA和载波监听多路访问（CSMA）[1]。ALOHA协议可以说是最早的无线通信协议，一个节点一旦有数据需要发送则会立即发送到信道上，这样虽然未能避免同时通信，但它提出了一个反馈机制，即通过比较接收数据和发送数据，如果发现不同，则等待一个随机时间后重发，流程见图1.3。载波监听多路访问协议（CSMA）在此基础上提了出来，当一个节点需要发送数据时，都要先监听信道，只有信道空闲时才能发送数据。这和ALOHA协议相比大大减少了冲突的发生，但也不能完全避免，因为存在多个信道同时检测到信道空闲的可能。
图1.3 ALOHA算法流程
在上面提到的CSMA/CA算法中有三个重要参数，竞争窗口宽度，退避指数和退避次数。竞争窗口宽度决定着节点需要连续检测到信道空闲的次数，取较大的值可以有效避免冲突，但也会导致信道的利用率下降。竞争窗口宽度还可以用来建立带有优先级的传输[1]，高优先级的包采用较小的竞争窗口宽度，而低优先级的包采用较大的竞争窗口宽度。退避次数指某个节点竞争失败的次数，当退避次数达到上限时，就会放弃这次传输，以免过大的开销。CSMA/CA中的最大退避范围是按指数增长的，每次节点竞争失败退避指数就会加1，直至加到设定的最大值，同时在初始化时退避次数因节点的电池状态而异。具体算法流程见图1.4。