无线网络CSMA/CA机制优化研究(3)
图1.4 有时隙的CSMA/CA算法流程
CSMA/CA虽然在无线传感器网络传输中能有效避免冲突的发生，但它也同样存在一些问题。当网络忙碌时，每个节点都会进入退避状态，碰撞的概率大大增加，导致时延增大同时吞吐率下降。此外，当一个节点成功传输后，它很有可能再次竞争到传输的机会，而其它节点不得不再次等待甚至放弃，导致丢包率增大。为了解决上述问题，研究人员提出了许多优化的算法[2-8]。需要注意的是这些都是在单包接收机制下的优化，并不适用于这篇文章对多包接收的研究，然而这些优化方法可以给我们一些启示。在文献[2]和[3]中都提到了这样一种情况：第一次CCA检测信道空闲，第二次CCA检测信道时由于遇到数据或确认帧（ACK）而显示忙碌。这样的话节点又要重新运行原算法直至出现两次成功的CCA，这无疑是对资源的浪费。但文献[2]和[3]提出的优化方案不尽相同，文献[2]中引入了优先级机制，高优先级的包初始时CW=1，这意着它只需要进行1次CCA检测，即使检测忙碌BE也不会增加，从而是高优先级的包在竞争过程中占据较大优势；相反对于低优先级的包来说，初始化时CW=3，当CCA2检测到信道忙碌时它通过延迟一个时隙进行CCA3检测来判断CCA2是否遇到ACK，这样就能有效缓解上述的情况。文献[3]引入了FN和SN两个参数，在CCA2检测忙碌时用来判断是否是ACK引起，如果是则解决方案和[2]相同，如果不是则直接进入下一个退避周期，并没有重置CW和增加NB。除了对CCA机制的优化，也有人对退避机制进行改进。文献[4]中引入了Dcaax用来减少因信道正在进行的传输导致的冗余退避，具体来讲退避计数器范围由0~2BE-1变为Dcaax~Dcaax+2BE-1，其中Dcaax是预计接下来忙碌的退避周期数。此外文献[4]还提出一个优化的冲突避免机制，主要是改变BE增加或减少的触发条件。BE增加的情况有两种，一是当连续CCA检测信道忙碌次数达到最大退避次数macMAXCSMABackoffs时，二是当节点没能收到ACK时；当包成功传输后BE会减少。文献[5]中计算了节点在网络中发生冲突的概率Pc，并据此确定退避的范围从0到 ,其中Wmax是802.15.4中的最大退避间隔。当估计的冲突概率Pc较大时，退避的周期就较大，反之则保持一个较小的退避周期，因此，Pc的估计准确度是影响这个算法的关键。文献[6]中同样涉及概率的计算，与之前的两类优化不同的是，它采用了改变物理层的频率的方法。当数据发生碰撞后，它首先采用CSMA/CA算法，如果碰撞情况依然很严重时，就使用变频率节点选取算法。具体来讲，先利用贝叶斯公式计算当接收端收到数据后各个发送节点发出数据的概率，并根据这个概率选择可变频的节点和分配相应的频率，等待一段时间后判断是否传输成功，如果失败则继续上述的步骤。这个方法中的变频思想非常新颖，下面提到的另一种方法同样是具有启发性的。文献[7]提出了一种动态调整传输数据帧长度的算法，称作DA-CSMA/CA算法。文中认为当传输相同数据量时，发送较长的数据帧比发送较短的数据帧对信道的利用率更高。关于动态调整的文章还有很多，比如文献[8]中提出的动态调整MAC参数的算法。MAC参数的调整可以影响能耗、可靠性以及时延。文献[8]中提出的适应性接入参数调整ADAPT通过分析现在的信道状态来改变MAC参数，进而来满足应用要求的可靠性。文中用投递率来量化可靠性，也就是终端准确收到的信息数与节点发送的信息数的比值，不可靠的情况可能来源于信道的竞争，也可能来自于信道错误。为了控制竞争，ADAPT为投递率设置了两个阈值，较低的阈值是为了预防投递率低于要求值，较高的阈值是为了避免过多的能耗。对于错误控制，ADAPT同样设置了一个阈值，一旦投递率低于这个值就会触发错误控制机制。这样就能在满足可靠性要求的前提下尽量降低能耗和时延。