CSMAca算法.docx

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CSMAca算法

CSMAca算法

D

每个设备在使用时隙CSMA/CA算法访问信道时都要维护3个变量：

NB、CW和BE。

NB：

表示在竞争信道中CSMA/CA算法已执行随机退避的次数，NB的取值范围为[0,4]，节点在下一次竞争开始时NB的值初始化为0；

CW：

表示竞争窗口的长度，表示允许发送前要求信道连续空闲的次数，其取值范围为[0,31]，每次尝试发送前CW值初始化为2，并且每次探测到信道忙时也复位为2；

BE：

表示退避指数，即设备在评估信道前要退避的时间阶数。

BE取值范围[min（2,macMinBE），aMaxBE]，取BE初始化值为2和macMinBE属性之间的相对小者。

若macMinBE=0，则初始信道接入时必然导致数据冲突，在使用CSMA/CA算法的过程中设备接收到的数据被丢弃。

下图是时隙CSMA/CA算法的流程图：

当节点有数据发送时，就要使用CSMA/CA算法进行信道访问，算法的第一步是对三个参数进行初始化设置，然后节点在[0~2macMinBE-1]区间内随机退避几个单位时隙周期，在退避时隙结束后，立即执行信道扫描（CCA），若信道空闲，则CW值减1。

当连续两次都检测到空闲则表示信道空闲。

若检测信道不空闲则CW值置为2，NB的值加1，BE的值在允许范围内加1，若超过最大值，则不再增加。

此时要判断NB的值是不是已经达到设置的最大值，若不是则返回并退避2BE-1个时隙后执行CCA，若是则此次信道接入失败。

时隙CSMA/CA定义了3种信道空闲监测模式：

载波检测，能量门限检测，载波联合能量检测。

1>载波检测——若检测到符合IEEE802.15.4调制和扩频特征的信号，则表示信道忙，否则信道空闲。

2>能量门限检测——直接检测信道信号的能量强度，若能量值大于设定的门限值表示信道忙，否则信道空闲。

3>载波联合能量检测——检测到信道中同时出现以上两个特征时，表示信道忙，否则信道空闲。

一个设备所采用的CCA模式由物理层PIB属性phyCCAMode决定，协议规定CCA中ED门限不得超过接收灵敏度10dB，CCA检测时间为8个符号周期。

不同的参数对网络吞吐量的影响

1.最大退避次数（NB）对吞吐率的影响

CSMA/CA算法中NB值表示信道接入前退避的次数，NB的值初始化0，最大值为MAC层属性设置的macMaxCSMABackoffs值。

当NB值达到最大值时信道还没有检测到连续的2次空闲，则表示尝试信道接入失败。

所以NB

的值的影响由macMaxCSMABackoffs值表现出来。

它的默认值为

4，我们设置macMaxCSMABackoffs值为2，3，4，5分别进行仿真，得到下图：

当节点的网络负载较小时，竞争信道的节点比较少，数据不易产生冲突，网络的平均吞吐率的增长率比较大；随着仿真时间的增加，发送数据的节点增多，网络负载变大，竞争信道的节点比较多，网络的数据碰撞比较大，网络的平均吞吐量的增长率降低。

当设置最大退避次数较小时，成功竞争到信道的概率降低，所以随着最大退避次数的增加，网络的平均吞吐量也相应地增大。

2.退避指数BE的初始化对ZigBee网络吞吐率的影响

当分析BE的值时要考虑两个参数的影响：

一个是minBE；另一个是maxBE。

minBE是每次尝试信道接入时设置的初始值，minBE的默认值为3，分别设置minBE的值为2，3，4进行网络仿真。

分析数据得到吞吐量的仿真如下图：

minBE值固定时，网络吞吐量逐渐增长到一个稳定的值，但是minBE的默认值不是最佳值，随着minBE值的增加，增大了退避时隙（0~2BE-1）的范围，减小了数据碰撞的概率。

网络稳定时，minBE取4时网络的吞吐量比取其他两值大。

maxBE默认值为5，仿真时设置其值为4，5，6。

吞吐量的增长率随着网络运行时间的增长而减小，最终到达一个稳定值。

退避指数较大碰撞较小，在一定程度上提高网络的吞吐量。

在IEEE802.15.4的MAC层中规定所有节点的初始指数一致（macMinBE）。

退避时间在初始范围[0~2macMinBE-1]内随机选取。

BE变化范围由minBE和maxBE值决定，当该算法的其它参数不变的情况下，这两个值决定的范围越大，碰撞的概率越小，吞吐量越大。

初始值设置越大能带来的起始碰撞概率越小，数据传输的越稳定。

3.退避窗口（竞争窗口）CW的值对网络吞吐量的影响

退避窗口CW的值一定时，网络的平均吞吐量会随着网络负载的增加而增大到一个恒定的值。

改变CW的值，网络的吞吐量也会随着值的改变作相应的改变。

CW表示连续信道扫描为空闲的次数，若这个值越大，表示节点竞争信道的时间越长，单位时间网络传输的数据量越小，即网络的平均吞吐量越小。

不同的参数对网络时延的影响

最大退避次数NB对网络平均时延Delay的影响

退避次数的增加加大了网络时延。

因为退避次数的最大值越大，表示一次尝试接入信道可能退避的次数越多，那么因竞争信道而退避消耗的时间越多。

则网络平均时延会相应地增加。

在网络稳定的情况下，当退避次数的最大值固定时，网络的整体趋势是比较稳定的。

退避指数BE的初始化对ZigBee网络平均时延的影响

当minBE值设置得较小时，由于退避时间比较小则产生的时延也比较小，但丢包严重的部分数据要反复的竞争信道或重发才能发送成功，这时导致某些时段数据的时延很大。

minBE值设置相对大时，退避时间较长，产生的时延也较大。

当改变maxBE的值时，网络的时延会随着maxBE的增大而增加。

当网络中maxBE值设置为6时，由于多次竞争失败导致BE值增加，maxBE的值越大，BE取值的上限越大，带来的退避时隙也会越大，由于退避时隙是指数增长的，所以不同值下的网络时延也呈现指数规律。

同时由于某些时段的数据包能达到最大值，则这个时段会产生较大的延时，即时延起伏比较大，对网络产生较大的负面影响。

3.退避窗口CW的值对网络平均时延的影响

当CW等于3时，表示连续三次检测到信道空闲才认为信道是空闲并可以占用信道。

相对于一次检测得到信道空闲来说，连续三次检测到信道空闲的概率较小，需要竞争信道的时间更长，所以延时相对较大。

CW的值设置太大或者太小都会带来网络时延的起伏，使网络不够稳定。

不同的参数对网络丢包率的影响

1.最大退避次数对网络丢包率loss的影响

网络启动后在第8s起节点开始请求发送数据。

此时开始，丢包率的增长较快，当网络达到稳定后，丢包率达到一个稳定的值，当设置为默认值时网络的丢包率约为48%，数据丢包严重。

当设置较大的macCSMABackoffs的值后，再对网络进行仿真，分析得到了较小的丢包率。

相反设置较小的值时，由于竞争信道的次数变小，所以竞争成功的几率变小。

2.退避指数BE的初始化对ZigBee网络丢包率的影响

初始情况下网络经过一个过程到达某一稳定的状态，在这个过程中，丢包率的增长率较大，后期所有节点都启动发送数据，丢包率的增长率逐渐减小到0，达到一个恒定值。

可以得出较大的BE范围边界值能带来相对较小的碰撞，同时也能带来较小的丢包率。

3.退避窗口CW的值对网络丢包率的影响

较大的竞争窗口，能带来较小的冲突概率和丢包率，反之则会带来较大的丢包率，仿真结果表明这个丢包率与窗口大小不呈线性关系。

改进型CSMA/CA机制

当节点进行第i次退避时，退避时间在原算法的基础上除以i-1次退避的次数。

即i次退避的时隙根据i的退避次数自适应地数调整自己的退避时间，提高节点竞争信道的能力。

假设每个节点退避次数相同的概率为pNB，每个节点退避指数相同的率为PBE，两者同时发生的概率为ps，有Ps=PNB*PBE。

那么两者同时发生才会导致发送数据碰撞的可能性。

相对于原算法的退避机制，改进算法在一定程度上减少了节点的碰撞的概率。

在iw中，它体现了数据的优先等级，减少了数据碰撞的概率，通过这两个值能得到更优的退避时间。

竞争类协议的吞吐量S的表达式:

G值描述节点上数据帧的大小和流量。

网络吞吐量S在G2406.0处取得最大值。

马尔可夫模型