一種基于多層優(yōu)先級(jí)和差分服務(wù)機(jī)制的CSMA/CA改進(jìn)算法

陳 濤1，朱馬鋒

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610000；2.重慶郵電大學(xué)，重慶 400065)

·計(jì)算機(jī)軟件理論、技術(shù)與應(yīng)用·

一種基于多層優(yōu)先級(jí)和差分服務(wù)機(jī)制的CSMA/CA改進(jìn)算法

陳 濤1，朱馬鋒2

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610000；2.重慶郵電大學(xué)，重慶 400065)

針對(duì)CSMA/CA算法的回退指數(shù)變化固定、對(duì)第2次CCA檢測信道為忙時(shí)的處理不當(dāng)這2個(gè)不足，提出一種基于多層優(yōu)先級(jí)和差分服務(wù)機(jī)制的時(shí)隙CSMA/CA算法。通過優(yōu)先級(jí)設(shè)定不同的回退指數(shù)BE，采用CCA2失敗時(shí)再執(zhí)行1次CCA的方法來克服以上2個(gè)不足。OPNET仿真結(jié)果表明，該算法在吞吐量、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、成功接入信道概率方面優(yōu)于原CSMA/CA算法。

時(shí)隙CSMA/CA；多層優(yōu)先級(jí)；差分服務(wù)機(jī)制；OPNET

IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了媒體訪問層(MAC)和物理層[1]，CSMA/CA算法是媒體訪問層的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。對(duì)于CSMA/CA算法，學(xué)者進(jìn)行了不斷地研究[3-9]。文獻(xiàn)[3]對(duì)執(zhí)行第2次CCA做了重大分析，增加了CW值，使得當(dāng)?shù)?次CCA檢查信道為忙時(shí)，不是立即重新執(zhí)行算法，而是再執(zhí)行1次CCA，增大了信道的接入概率。文獻(xiàn)[6]通過改變BE的值來提高接入概率。文獻(xiàn)[7]采用幀裁剪和優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略，使高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)在執(zhí)行CCA時(shí)只需要1次，而低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)需要2次，這有效地提高了包成功發(fā)送的概率。文獻(xiàn)[8]采用競爭窗口和回退指數(shù)的差分思想來優(yōu)化時(shí)隙CSMA/CA算法。

通過這些文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有的基于優(yōu)先級(jí)和差分服務(wù)機(jī)制的CSMA/CA算法只是針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型的優(yōu)先級(jí)，在同一個(gè)數(shù)據(jù)類型中，并沒有再次引入優(yōu)先級(jí)和差分服務(wù)機(jī)制。例如：文獻(xiàn)[8]認(rèn)為來自安全系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)設(shè)備的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)要比來自TV、冰箱等普通設(shè)備的數(shù)據(jù)具有高的優(yōu)先級(jí)；文獻(xiàn)[10]認(rèn)為命令幀具有高優(yōu)先級(jí)，數(shù)據(jù)幀為低優(yōu)先級(jí)。這些優(yōu)先級(jí)都是針對(duì)不同的幀類型，都是在執(zhí)行CSMA/CA算法之前由上層指定，而不是在算法過程中動(dòng)態(tài)分配。本文對(duì)執(zhí)行CSMA/CA算法中發(fā)生碰撞的情況做了詳細(xì)分析，并在此基礎(chǔ)上引入優(yōu)先級(jí)和差分思想以解決原CSMA/CA算法存在的2個(gè)主要缺陷。

1 時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制

1.1時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制

IEEE802.15.4定義了一種超幀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。超幀結(jié)構(gòu)包括信標(biāo)幀、活躍部分和非活躍部分[1]。根據(jù)屬性macBeaconframeOrder(BO)、macSuperframeOrder(SO)和aBaseSuperframeDuation的值按照式(1)來確定信標(biāo)的周期BI(beacon interval)和超幀的活動(dòng)部分長度SD(superframe duration)。

BI=aBaseSuperframeDuation×2BO;

SD=aBaseSuperframeDuation×2SO;

0≤SO≤BO≤14。

(1)

在活躍部分，IEEE802.15.4協(xié)議提供了一種GTS機(jī)制，在GTS內(nèi)節(jié)點(diǎn)無須競爭，這些GTS有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器分配。

圖1 超幀結(jié)構(gòu)簡圖

所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸之前都要使用CSMA/CA算法進(jìn)行信道的競爭。CSMA/CA算法涉及3個(gè)重要參數(shù)：競爭窗口CW、回退指數(shù)BE和回退次數(shù)NB。步驟1：對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(NB、CW、BE)進(jìn)行初始化。步驟2：在[0,2BE-1]之間隨機(jī)選擇幾個(gè)作為退避周期數(shù)。步驟3：在退避周期邊界處執(zhí)行CCA。步驟4：如果這時(shí)信道為空，就將CW的值減1，判斷其是否為0，若為0則競爭成功，若不為0返回步驟2；如果信道為忙，就將CW置2，NB和BE加1，但是必須保證BE為BE+1和最大回退指數(shù)aMaxBE中的最小者。步驟5：判斷NB有沒有達(dá)到最大重傳次數(shù)，如果達(dá)到則競爭失敗，如果沒有則返回步驟2。流程如圖2所示。

圖2 CSMA/CA算法流程圖

1.2 CSMA/CA機(jī)制的缺陷

時(shí)隙CSMA/CA算法受4個(gè)變量影響：最小回退指數(shù)(macMinBE)、最大回退指數(shù)(aMaxBE)、初始值CW和最大回退次數(shù)(macMaxCSMABackoffs)。這4個(gè)參數(shù)的改變會(huì)影響CSMA/CA算法的性能，例如平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延會(huì)隨著macMinBE的增大而變大[11]；因此，選取合適的參數(shù)可以優(yōu)化算法的性能。其不足主要體現(xiàn)在以下2方面。

1)回退指數(shù)變化固定。在執(zhí)行CSMA/CA算法的過程中回退指數(shù)成線性變化，每次檢測到信道為忙就會(huì)將回退指數(shù)加1，但是這樣往往不適應(yīng)一些特殊情況；因?yàn)楫?dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)已經(jīng)很好時(shí)，隨著回退次數(shù)的增加，仍需要回退過多的周期，這樣無疑浪費(fèi)了資源，增大了網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。另外，對(duì)于本文提到的具有優(yōu)先級(jí)的幀，回退指數(shù)仍按照線性變化，這樣就不利于具有優(yōu)先級(jí)幀的優(yōu)先發(fā)送。

2)對(duì)第2次CCA檢測信道為忙時(shí)的處理不當(dāng)。在使用CSMA/CA算法中，CCA信道必須連續(xù)2次都為閑時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)，這2次CCA稱為CCA1和CCA2。當(dāng)出現(xiàn)CCA1信道為閑、CCA2信道為忙時(shí)，原算法就會(huì)重新開始執(zhí)行，直到連續(xù)2次CCA檢測為閑時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)，這無疑浪費(fèi)了1次CCA信道為閑的機(jī)會(huì)，增加了執(zhí)行CCA的次數(shù)。

CCA2檢測為忙的情況主要由2個(gè)原因[12]造成。 1)CCA2檢測與數(shù)據(jù)幀發(fā)送碰撞。當(dāng)執(zhí)行CCA2時(shí)，這時(shí)剛好有數(shù)據(jù)發(fā)送，所以信道檢測為忙。2)CCA2檢測與確認(rèn)幀(ACK)的碰撞。當(dāng)執(zhí)行CCA1時(shí)，剛好有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢正等待確認(rèn)幀的到來，這時(shí)信道為空，當(dāng)執(zhí)行CCA2時(shí)，剛好確認(rèn)幀開始發(fā)送，這時(shí)CCA2檢測為忙。如圖3所示，假設(shè)此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中有3個(gè)節(jié)點(diǎn)：Note1、Note2、Note3。Note1 連續(xù)執(zhí)行2次CCA，檢測信道都為閑，然后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，在Note1發(fā)送數(shù)據(jù)期間，Note2 執(zhí)行CCA，檢測信道為忙。等Note1 發(fā)送完數(shù)據(jù)，要等待確認(rèn)幀的發(fā)送，此時(shí)Note3 執(zhí)行CCA1，檢測信道為閑；但等Note3 執(zhí)行CCA2時(shí)剛好確認(rèn)幀開始發(fā)送，檢測信道為忙。對(duì)于第1種情況因?yàn)椴恢罃?shù)據(jù)幀長度所以不確定接下來幾個(gè)時(shí)隙后信道空閑；但是對(duì)于第2種情況，因?yàn)锳CK只有1個(gè)時(shí)隙，所以只要等2個(gè)時(shí)隙后信道就為閑，此時(shí)就可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 由ACK 引起的CCA2 信道為忙的示意圖

2 基于幀優(yōu)先級(jí)、內(nèi)部優(yōu)先級(jí)和差分思想的CSMA/CA算法

優(yōu)先級(jí)服務(wù)機(jī)制是指被網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記的具有高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀優(yōu)先發(fā)送。優(yōu)先發(fā)送可以通過改變競爭窗口、回退指數(shù)來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)先級(jí)的大小由MAC層或者上層設(shè)置。

差分服務(wù)機(jī)制分為競爭窗口差分服務(wù)機(jī)制和回退指數(shù)差分服務(wù)機(jī)制[13]。競爭窗口服務(wù)機(jī)制是指對(duì)于不同的優(yōu)先級(jí)采用不同的競爭窗口大小，即執(zhí)行不同的CCA；回退指數(shù)差分服務(wù)機(jī)制是指對(duì)于不同的優(yōu)先級(jí)采用不同的回退指數(shù)。

2.1差分服務(wù)機(jī)制

文獻(xiàn)[10]以命令幀作為高優(yōu)先級(jí)，本文稱之為外部優(yōu)先級(jí)，其參數(shù)用macMinBEHP、macMaxBEHP和CWHP表示；數(shù)據(jù)幀作為低優(yōu)先級(jí)，本文稱之為內(nèi)部優(yōu)先級(jí)，其參數(shù)用macMinBELP、macMaxBELP和CWLP表示。為表示數(shù)據(jù)幀內(nèi)部的優(yōu)先級(jí)，即執(zhí)行CCA時(shí)第1次信道為空，第2次為忙的節(jié)點(diǎn)，本文用macMinBELHP、macMaxBELHP、CWLHP和macMinBELLP、macMaxBELLP、CWLLP分別表示內(nèi)部高優(yōu)先級(jí)和內(nèi)部低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)據(jù)幀內(nèi)部的優(yōu)先級(jí)并不是由MAC層或者上層指定，而是在運(yùn)行CSMA/CA算法時(shí)，執(zhí)行CCA2后由算法臨時(shí)指定，其優(yōu)先級(jí)作用時(shí)間僅僅為此節(jié)點(diǎn)傳輸信息結(jié)束，在以后的競爭中它并不一定具有內(nèi)部高優(yōu)先級(jí)；但是從CSMA/CA算法來看它好像和外部優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀一樣由MAC或者上層指定，如圖4所示。

圖4 優(yōu)先級(jí)和差分服務(wù)機(jī)制

文獻(xiàn)[10]設(shè)定了不同的仿真參數(shù)來驗(yàn)證它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，表明在沒有隱藏節(jié)點(diǎn)的情況下，當(dāng)macMinBEHP=macMinBELP=2，macMaxBEHP= macMaxBELP =5，CWHP=2，CWHP=3時(shí)較合理。文獻(xiàn)[12]分析并驗(yàn)證了當(dāng)執(zhí)行1次CCA時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的提高。結(jié)合對(duì)內(nèi)部優(yōu)先級(jí)的考慮，本文對(duì)參數(shù)的設(shè)置如表1所示。對(duì)于競爭窗口CW，值越大表示優(yōu)先級(jí)越高，值越小表示優(yōu)先級(jí)越低，所以具有外部優(yōu)先級(jí)的幀優(yōu)先級(jí)最高，然后是具有臨時(shí)內(nèi)部優(yōu)先級(jí)的幀，最后是普通幀。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

2.2改進(jìn)的CSMA/CA算法步驟

由以上分析可知，幀優(yōu)先級(jí)由MAC層或者上層指定，對(duì)于外部優(yōu)先級(jí)的幀來說，優(yōu)先發(fā)送的權(quán)利可以通過改變競爭窗口次數(shù)，即改變CCA檢測次數(shù)來達(dá)到，在此種情況下，只需要執(zhí)行1次CCA，同時(shí)不減少退避周期，從而提高外部優(yōu)先級(jí)幀的接入信道概率。對(duì)于內(nèi)部優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀，可以通過改變其原先的優(yōu)先級(jí)來達(dá)到其優(yōu)先競爭的目的，從而保證執(zhí)行CCA1信道為空后，暫時(shí)賦予此節(jié)點(diǎn)有內(nèi)部優(yōu)先級(jí)。另外，改變回退指數(shù)BE可以改變其接入信道的概率，對(duì)于優(yōu)先級(jí)高的可以減少回退指數(shù)，優(yōu)先級(jí)低的可以增大回退指數(shù)，從而區(qū)分不同優(yōu)先級(jí)的信道競爭情況。對(duì)于第2種缺陷，如果是和確認(rèn)幀碰撞，因?yàn)橐呀?jīng)知道ACK的長度，節(jié)點(diǎn)只需延時(shí)1個(gè)時(shí)隙周期即可；如果是和數(shù)據(jù)碰撞，因?yàn)闊o法確定數(shù)據(jù)的長度，所以只能隨機(jī)延時(shí)幾個(gè)時(shí)隙周期。算法流程圖如圖5所示。

步驟1：判斷是否為優(yōu)先級(jí)包。若是，執(zhí)行步驟2，若不是執(zhí)行步驟3。

步驟2：初始化NB=0，CW=1，然后執(zhí)行步驟4。

步驟3：初始化NB=0，CW=3，然后執(zhí)行步驟4。

步驟4：初始化BE=macMinBE，然后定位退避周期邊界。

步驟5：在0～2BE-1之間隨機(jī)選擇幾個(gè)作為退避周期。

步驟6：在退避邊界進(jìn)行信道檢測CCA。如果信道為空閑，則進(jìn)入步驟7；如果信道忙，則進(jìn)行步驟8。

步驟7：將CW減1，然后判定CW是否為0。若為0，成功；否則回到步驟5。

步驟8：判斷是否為優(yōu)先級(jí)包。若是執(zhí)行步驟12；若不是執(zhí)行步驟9。

步驟9：判斷CW值是否為2。若是執(zhí)行步驟10；若不是執(zhí)行步驟11。

步驟10：將CW值減1，然后退避1個(gè)周期，執(zhí)行步驟6。

圖5 改進(jìn)算法流程圖

步驟11：判斷CW的值是否為1。若是執(zhí)行步驟13；若不是執(zhí)行步驟14。

步驟12：CW=1，NB值加1，BE不變，然后執(zhí)行步驟15。

步驟13：CW=2，NB值加1，BE=min(BE+1,aMaxBE)，然后執(zhí)行步驟15。

步驟14：CW=3，NB值加1，BE=min(BE+1,aMaxBE)，然后執(zhí)行步驟15。

步驟15：判定NB是否大于最大退避次數(shù)macMax-CSMABackoff。如果大于，則失敗；否則回到步驟5。

3 仿真

為比較方便，本文提出的基于外部優(yōu)先級(jí)和內(nèi)部優(yōu)先級(jí)的差分CSMA/CA算法用PP-CSMA/CA表示，對(duì)于基于外部優(yōu)先級(jí)的CSMA/CA算法用P-CSMA/CA表示。用OPNET[14-15]網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行仿真。

圖6 吞吐量與普通節(jié)點(diǎn)的關(guān)系

圖6顯示的是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)吞吐量的影響?？梢钥闯?，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，吞吐量的變化并不明顯。無論網(wǎng)絡(luò)負(fù)載是由多少個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，即10、20、30、50或者100個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量僅與載荷G有關(guān)；但是，對(duì)于一個(gè)給定的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G，每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的載荷與節(jié)點(diǎn)數(shù)成反比。如果網(wǎng)絡(luò)中的載荷保持不變，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的吞吐量幾乎沒有影響。增加了優(yōu)先級(jí)機(jī)制的算法要優(yōu)于原算法。

圖7 成功接入信道的概率與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G的關(guān)系

圖7示出的是負(fù)載與成功接入信道概率的關(guān)系?？梢钥闯?，引入優(yōu)先級(jí)機(jī)制的算法要優(yōu)于原算法， PP-CSMA/CA算法的信道接入概率要優(yōu)于P-CSMA/CA和原CSMA/CA算法。PP-CSMA/CA算法有效地考慮了發(fā)送碰撞的各種情況，特別是對(duì)CCA2發(fā)送碰撞的情況做了重點(diǎn)的分析，并對(duì)原算法出現(xiàn)的2個(gè)主要缺陷做了相應(yīng)的改進(jìn)，從而增加了節(jié)點(diǎn)接入信道的概率。當(dāng)節(jié)點(diǎn)少的時(shí)候，成功接入概率相差不大，隨著負(fù)載的增加，其相差增大。這是因?yàn)?，?dāng)負(fù)載小的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)還沒有達(dá)到飽和狀態(tài)，信道接入成功率都很高，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)具有優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包因?yàn)槠涓偁幋翱谝约盎赝酥笖?shù)較小，就會(huì)優(yōu)先競爭到信道，其成功接入信道的概率就會(huì)增大。

圖8示出的是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對(duì)平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的影響，其中虛線表示命令幀網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，實(shí)線表示數(shù)據(jù)幀網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。對(duì)于數(shù)據(jù)幀時(shí)延，原CSMA/CA和PCSMA/CA算法大致一樣，這是因?yàn)橥獠績?yōu)先級(jí)只是針對(duì)具有優(yōu)先級(jí)的命令幀，并不對(duì)其他自身有影響。相同原因還表現(xiàn)在當(dāng)引入內(nèi)部優(yōu)先級(jí)時(shí)對(duì)命令幀的影響很小上。另外，P-CSMA/CA算法在時(shí)延上要優(yōu)于其他2種算法。當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，時(shí)延相差不是很大，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，其相差會(huì)增大。

圖8 平均時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的關(guān)系

4 結(jié)論

本文在分析了已有的基于優(yōu)先級(jí)和差分服務(wù)思想的CSMA/CA算法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種基于外部、內(nèi)部優(yōu)先級(jí)和差分服務(wù)的CSMA/CA算法，通過選取合適的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、改變競爭窗口的大小和回退指數(shù)來區(qū)分不同的優(yōu)先級(jí)，以達(dá)到良好的網(wǎng)絡(luò)效果。仿真驗(yàn)證的結(jié)果表明，在吞吐量、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和節(jié)點(diǎn)成功接入信道的概率方面，本文算法有很好表現(xiàn)。下一步研究重點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)能耗和根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)方面。

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(編校：饒莉)

AnImprovementAlgorithmofSlottedCSMA/CAwithServiceDifferentiationandPriorityMechanism

CHEN Tao1,ZHU Ma-feng2

(1.ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610000China；2.ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065China)

There are two shortages exiting in CSMA/CA: the backoff exponent(BE) increases linearly and it perform not well in the case of CAA2 detected being busy.In this paper, a kind of CSMA/CA algorithm with multi-level priority strategy and service differentiation mechanisms is proposed. Two problems are overcome with different BE based on priority strategy and performing the CAA again after the CCA2 failed slot. Results of experiment on OPNET platform show that the proposed algorithm performs better than the original one in aspects of the throughput, network delay and the probability of successfully access to channel.

slotted CSMA/CA; multi-level priority; service differentiation mechanism; OPNET

2014-04-19

國家自然科學(xué)基金“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的呼吸、脈搏異變及跌落的實(shí)時(shí)檢測與報(bào)警的關(guān)鍵技術(shù)研究”(61171190)。

陳濤(1988—)男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信。E-mail:1991920158@qq.com

TP212;TN929.5

：A

：1673-159X(2015)02-0016-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.02.004