机器通信中基于优先级分组的CSMA协议研究

摘要

随着物联网技术的不断发展，各种智能硬件逐渐走入人们的生活。目前，智能家庭、智慧城市等概念层出不穷。但是，随着物联网的发展，机器间（M2M）通信这一物联网中最重要的通信方式面临的挑战也越来越大，这是因为随着智能节点的数量呈现出爆发增长的趋势，大量节点需要高效的接入网络，给传统的随机接入方式带来了前所未有的挑战。本文将围绕M2M通信中的随机接入过程展开研究，研究重点在于当网络中存在大量节点时，如何降低接入碰撞概率、减小接入时延和提高网络能量效率。 首先，针对机器通信中大规模节点接入时易造成网络拥塞使得传输效率降低的问题，分析了单信道载波侦听多址接入（CSMA）协议，并在此基础上基于降低数据包发生冲突概率、提高接入效率的思想提出了一种基于频率分组的多信道CSMA协议。通过将信道划分为多个子信道、节点也划分为多组，且每一组节点对应一个子信道的方法，降低了每一个子频带中参与竞争的节点数量，从而减小了发生冲突的概率，降低了时延并提高了能量效率。并且验证了当负载超过一定时延阈值或能效阈值时，应用更多的子信道有助于降低接入时延、提高能量效率。 其次，针对物联网环境中节点的多样性及不同应用对网络的不同要求，基于保证重要节点能及时接入网络的思想，提出了一种基于优先级分组的CSMA协议，将不同优先级的节点分成不同的组，并通过两种带宽分配策略让不同优先级节点使用不同的频带资源进行传输。实现了数据的差异化传输，保证了高优先级节点的数据包在任何情况都能满足特定的时延要求并在时延和能量效率等方面优于低优先级节点的数据包。 最后，通过MATLAB仿真实验，验证了接入时延及能量两个方面。结果表明，本文提出的两种方法均能够实现预期的目标，证明了本文提出的两种方法都是有效的。

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