基于IEEE802.15.4标准的非槽道方式CSMA-CA算法的优化方法

摘要

本发明一种基于IEEE802.15.4的非槽道方式CSMA-CA算法的优化方法，引入了优先发送权级别的设置，使发送节点数据帧能一次性发完，减少信道竞争使用的节点，以及竞争带来延时的信道浪费；将ACK应答的接收纳入算法流程，判断发送的成功和失败，使通信过程更加完整；取消信道被占用期间，避免非竞争使用的退避次数增加，减少导致容易出现发送失败的几率，将一对一的有效载荷传输率从最高120kb/s提高到最高180kb/s，并且在多节点同时发送请求下，有效载荷传输率也能达到150kb/s以上，大幅度提升了信道的有效利用率。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于IEEE802.15.4标准的非槽道方式CSMA-CA算法的优化方法。

背景技术

CSMA-CA(带有冲突避免的载波监听多路访问)算法指的是在多个节点同时尝试通信时判优射频通道使用，避免信道之间相互碰撞的算法协议。在不同应用条件的标准协议下，其算法流程也会有所不同。

IEEE802.15.4标准的CSMA-CA的算法工作流程分为两种方式：槽道方式(slotted)和非槽道方式(unslotted)。如图1所示，为IEEE 802.15.4标准CSMA-CA算法流程图。在实际使用中，根据使用情况一般只能确定使用其中一种。

槽道方式slotted：必须有协调器发出信标帧进行同步，相互竞争随后的时间片的信道使用，信标帧中也还指定一些时间片的具体使用，但必须先有节点提出申请。这种方式虽然一定程度上可以合理利用信道，但对于突发性和随机性的传输要求无法及时执行，信道的利用率也并不高。

非槽道方式unslotted：随时进入信道使用的竞争，适用于传输具有突发性和随机性的普通分组数据，在实际使用上较为常用。

但是在使用射频信号通信的一对多无线监控系统中，若使用传统的IEEE802.15.4标准的非槽道方式CSMA-CA算法，当多个节点同时都需要发送较多数据包时，每个节点的数据都进行突发性随机发送，冲突的发生和重传的概率就快速上升，信道的有效传输效率下降，由于不能及时将数据包送出，造成需发送数据的节点增加，竞争更加激烈，恶性循环，传输效率更加下降，数据累计导致系统反应迟钝甚至瘫痪。为此，本发明人针对IEEE802.15.4标准的非槽道方式CSMA-CA算法提供了一种优化方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于IEEE802.15.4标准的非槽道方式CSMA-CA算法的优化方法，以使当多个节点同时都需要发送较多数据包时，能有效地降低冲突的发生，保证信道的有效传输效率，大幅度提升信道的有效利用率。

本发明为一种基于EEE802.15.4的非槽道方式CSMA-CA算法的优化方法，当某节点需要发送数据帧，进入非槽道方式CSMA-CA算法，包括以下几个步骤：

(1)初始化退避次数值为0，将退避随机限定指数设置为系统设定的最小值；

(2)执行CCA检测，判断当前信道是否空闲，若非空闲状态则继续执行CCA检测；若为空闲状态，则判断是否具有第1优先发送权，若具有第1优先发送权，则跳转到步骤5；若不具有第1优先发送权，则进入步骤3；

(3)延时一个后退周期，继续执行CCA检测，判断当前信道是否空闲，非空闲状态跳转到步骤2；若为空闲状态，则判断是否具有第2优先发送权，若具有第2优先发送权，则跳转到步骤5；若不具有第2优先发送权，则进入步骤4；

(4)延时由退避随机限定指数所限定产生的随机数个后退周期，继续执行CCA检测，判断当前信道是否空闲，非空闲状态跳转到步骤8；若为空闲状态，则进入步骤5；

(5)进入发送状态，将数据帧送出；

(6)数据帧送出后，与主机确认当前送出的数据帧是否需要回应ACK应答，若不需要则认为当前的数据帧发送成功；若需要则限时等待接收ACK应答，超时没有收到ACK应答，则认为当前数据帧发送请求失败；若限时收到ACK应答，则认为当前的数据帧发送成功；

(7)判断当前是否还有数据帧需要发送，若有则跳转到步骤5；否则跳转至步骤9；

(8)退避次数值加1，退避随机限定指数加1，判断若该退避随机限定指数已为最大值则不需累加，判断该退避次数值是否超过最大预设值，没有则跳转到步骤2，否则认为当前数据帧发送请求失败；

(9)发送结束。

上述的第1优先发送权是指接收到的数据帧规定需求发送回应ACK，具有第1优先发送权；当前正在发送数据帧者，当判断成功发送当前数据帧后，并且还有数据帧要求发送的，也具有第1优先发送权。

上述的第2优先发送权是指当前收到非广播数据帧者，在收到数据帧后(需ACK应答的，指送完ACK后)的一个退后周期内，如有数据帧需要发送，则具有第2优先发送权，超过一个后退周期则自动降到不具有优先发送级别；数据帧的ACK应答，也具有第1优先发送权，其发送者同第2优先发送权。

使用了该算法因为引入了优先发送权级别的设置，使发送节点数据帧能一次性发完，减少信道竞争使用的节点，以及竞争带来延时的信道浪费；将ACK的接收纳入算法流程，判断发送的成功和失败，使通讯过程更加完整；取消信道被占用期间，非竞争使用的退避次数增加，减少导致容易出现发送失败的几率。将一对一的有效载荷传输率(只计算802.15.4协议中有效载荷部分)从最高120kb/s提高到最高180kb/s，并且在多节点同时发送请求下，有效载荷传输率也能达到150kb/s以上。在同等条件下大幅度提升信道的有效利用率。

附图说明

图1为原IEEE 802.15.4 CSMA-CA算法流程图；

图2为本发明的IEEE802.15.4的非槽道方式的CSMA-CA算法流程图。

以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步详述。

具体实施方式

如图2所示，本发明为一种基于IEEE802.15.4的非槽道方式CSMA-CA算法的优化方法，当某节点需要发送数据帧，为了获取信道的使用权，进入非槽道方式CSMA-CA算法：

1、初始化退避次数值NB为0，将退避随机限定指数BE设置为系统设定的最小值；

2、执行CCA检测，判断当前信道是否空闲，若非空闲状态则继续执行CCA检测；若为空闲状态，则判断是否具有第1优先发送权，若具有第1优先发送权，则跳转到步骤5；若不具有第1优先发送权，则进入步骤3；

3、延时一个后退周期，继续执行CCA检测，判断当前信道是否空闲，非空闲状态跳转到步骤2；若为空闲状态，则判断是否具有第2优先发送权，若具有第2优先发送权，则跳转到步骤5；若不具有第2优先发送权，则进入步骤4；

4、延时由退避随机限定指数BE所限定产生的随机数个后退周期，继续执行CCA检测，判断当前信道是否空闲，非空闲状态跳转到步骤8；若为空闲状态，则进入步骤5；

5、进入发送状态，将数据帧送出；

6、数据帧送出后，与主机确认当前送出的数据帧是否需要回应ACK应答，若不需要则认为当前的数据帧发送成功；若需要则限时等待接收ACK应答，超时没有收到ACK应答，则认为当前数据帧发送请求失败；若限时收到ACK应答，则认为当前的数据帧发送成功；

7、判断当前是否还有数据帧需要发送？若有则跳转到步骤5；若没有则跳转至步骤9；

8、退避次数值NB加1，退避随机限定指数BE加1，判断若该退避随机限定指数BE已为最大值则不需累加，判断该退避次数值NB是否超过最大预设值，没有超过则跳转到步骤2，否则认为当前数据帧发送请求失败；

9、发送结束。

上述的第1优先发送权是指接收到的数据帧规定需求发送ACK应答，具有第1优先发送权；当前正在发送数据帧者，当判断成功发送当前数据帧后，并且还有数据帧要求发送的，也具有第1优先发送权。

上述的第2优先发送权是指当前收到非广播数据帧者，在收到数据帧后(需ACK应答的，指送完ACK后)的一个退后周期内，如有数据帧需要发送，则具有第2优先发送权，超过一个后退周期则自动降到不具有优先发送级别；数据帧的ACK应答，也具有第1优先发送权，其发送者同第2优先发送权。

由于本发明引入了优先发送权级别的设置，使发送节点数据帧能一次性发完，减少信道竞争使用的节点，以及竞争带来延时的信道浪费；将ACK的接收纳入算法流程，判断发送的成功和失败，使通讯过程更加完整；取消信道被占用期间，避免非竞争使用的退避次数增加，减少导致容易出现发送失败的几率。将一对一的有效载荷传输率(只计算802.15.4协议中有效载荷部分)从最高120kb/s提高到最高180kb/s，并且在多节点同时发送请求下，有效载荷传输率也能达到150kb/s以上。在同等条件下大幅度提升信道的有效利用率。