[发明专利]一种基于优先级的CSMA/CA优化方法

说明书

本发明公开一种基于优先级的CSMA/CA优化方法，该发明提出了设置业务优先级的方法，使高优先级数据能够减小信道竞争，在调整数据传输时延的同时，更快接入信道，完成数据传输；同时采用结合网络负荷状况自适应调整退避指数的方式，对处在不同网络状况的不同优先级数据传输进行了优化，确保优先级有效性的同时，提高了吞吐量，降低了丢包率，使整个网络性能得到提升。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于IEEE802.15.4标准的区分优先级的CSMA/CA的优化方法。

背景技术

ZigBee作为一种无线通信技术，是物联网实现的重要技术，在智能电网、环境监测等许多领域有着广泛的应用，ZigBee的基础协议IEEE802.15.4是在低速率、大范围的应用需求之下产生的低速无线个域网标准通信协议。以其低成本、低功耗、低复杂度和具备自组织网络的优点成为了无线传感器网络通信的不二选择。对它进行深入地探究并根据实际需求对它进行改进和优化成为当下无线传感器网络研究领域的一个热点，具有重要的研究意义。

载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)算法是ZigBee的媒体访问控制(MAC)层的协议层核心算法。在无线传感器网络中，网络协调器会周期性地向感应节点发送信标帧。如果网络中存在数据包需要传送，而同一时间信道只允许一个设备使用其进行数据传输，于是有传输需求的设备需要通过CSMA/CA算法来竞争，以获取信道的使用权。有传输需求的设备会监测当前的无线信道的状态，当信道为空闲时，这些设备会产生一个随机的退避时间，从而避免所有设备同时发出数据而产生碰撞；如信道当前为忙，则设备会持续监测信道，直到监测到信道为空闲，再开始用CSMA/CA算法来竞争信道。

IEEE802.15.4中规定的CSMA/CA算法包涵三个关键变量，分别为：NB(Number ofBackoffs)、CW(Content Window Length)和BE(BackoffExponent)。其中NB表示的是当接入现有信道时，执行CSMA/CA算法时退避的次数。CW为竞争窗口长度，表示在传输数据前需要进行信道检测的次数。BE为退避指数，决定进行信道检测之前节点需要等待的退避周期的数量。

在实现本发明的过程中，发明人发现，随着无线传感网络的高速发展，由于CSMA/CA算法的三个主要参数变化规则较为简单，造成算法出现一些局限性，标准的CSMA/CA算法不能满足复杂多样的业务数据传输需求，其次，在组网、数据路由、数据融合、网络管理和网络实体协作等方面的技术难度随着网络规模而呈指数级上升，网络的建网耗时、通信延迟、丢包率等也会极速恶化。

为了改善其性能，近年大批研究者开始改进该算法。文献“黄颖.IEEE802_15_4时隙CSMA_CA算法性能研究[D].西安电子科技大学，2010.”采用离散马尔科夫链模型研究时隙CSMA/CA算法，通过数学分析和仿真实验来确定算法不同参数对网络性能的影响。文献“刘剑飞，张富官，王蒙军，等.一种ZigBee网络自适应退避机制[J].电力信息与通信技术，2016，13(1)：19-23.”提出了PNL_LS算法，计算出一种负载指数来反映当时的信道负荷状况，并且根据当时的信道负荷状况来预测下一次的BE初始值，虽然改善了网络性能，但没有对不能区分业务优先级的问题进行改进。文献“乔冠华，毛剑琳，郭宁，等.基于业务区分的IEEE802.15.4MAC协议分析及改进[J].计算机科学，2014，41(10)：149-153.”提出的PJNL_ASDB算法，采用根据信道负荷动态改变退避窗口值来区分不同业务优先级的方法，来改进标准算法，但是只调节了一个参数竞争窗口(CW)，仍有较大改进空间。为了满足业务多样性的要求和在大数据量下数据的可靠传输，提出一种新型基于优先级的CSMA/CA优化方法迫在眉睫。

发明内容