基于时隙CSMA/CA算法的ZigBee信道接入机制的研究

随着无线通信技术和计算机技术的飞速发展，芯片工艺的不断改进，信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，能够在简单的、低成本、低功耗的微型芯片内实现。在无线通信逐渐取代有线通信的过程中，产生了一系列短距离无线通信技术，如Bluetooth、RFID、ZigBee等。在这些技术中，ZigBee技术可以有多种拓扑结构，具有组网灵活，功耗小的技术优势。ZigBee技术作为一种低成本、高可靠性的短距离无线通信技术，被广泛地应用于工业控制、智能家具、智慧交通、军事作战等领域。IEEE802.15.4工作组和ZigBee联盟联合致力于ZigBee协议标准的开发，前者制定了物理层和媒体接入层；后者负责定制了网络层和应用层。ZigBee协议标准的提出为ZigBee技术的发展和研究打下了坚实的基础，也为相关产业提供了新的发展契机。 通过研究ZigBee协议栈，并阅读大量的国内外关于ZigBee信道接入机制的文献，得出CSMA/CA算法仅使用简单的二进制指数退避算法，没有考虑当前网络状况，会导致节点退避时隙长度调整机制不够合理，从而在大容量密集型网络中使用CSMA/CA算法竞争信道时会带来空闲信道虚假检测的问题。同时CSMA/CA参数较多，对研究方法的要求比较高，也增加了对原算法研究改进的难度。 本文使用NS2对CSMA/CA算法进行仿真。研究仿真结果得出BE和NB值的调节能给网络带来基本相同的影响，即二者之间一定存在某种相关性。根据仿真结果利用泰勒公式求出二者之间的关系表达式，将CSMA/CA算法的三个参数变成二个参数，简化了研究的过程，方便研究者对CSMA/CA算法的性能研究和改进。 本文基于参数相关性提出了一种新颖的参数相关性最优退避时隙算法。该算法结合参数(NB，BE)的表达式给出了BE、帧长L与退避时隙wi之间的关系式，它能根据当前网络状况把退避时隙修正到最优值。同时算法还提出了对原算法信道扫描机制的改进——退避时隙结束时不立即进入信道扫描，而是以某一个合理不重复的概率pCCA进入信道扫描。这两种优化方法的结合大大地减少了节点虚假检测空闲的概率。 利用马尔可夫链模型推导出改进算法的网络延时和吞吐量的表达式。通过gnuplot分析出该表达式中退避时隙wi和信道扫描概率pCCA与网络吞吐量和时延的关系。最后利用NS2仿真在大容量密集型网络环境中本算法与原算法的网络性能。本算法能有效地减小网络的碰撞概率，增加高负载网络的网络吞吐量，减小网络时延。