IEEE802154MAC协议退避机制的改进

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1、IEEE802.15.4MAC协议退避机制的改进IEEE802.15.4MAC协议退避机制的改进摘要：考虑节点移动且数据传输率不断变化对网络性能的影响，针对IEEE802.15.4提出了一种网络负荷概率判断和指数加权滑动平均(PJNL_EWMA)的退避策略，在每次载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)算法开始时采用网络负荷概率判断思想判定当前网络状况，然后通过指数加权滑动平均方法动态地调整退避指数。通过NS2的仿真结果表明：与IEEE802.15.4标准协议算法及MBS+EWMA算法相比，PJNL.EWMA算法不仅提高了网络吞吐量，同时还减小了数据包的丢包率和碰撞概率，提高了

2、网络性能。关键词：IEEE802.15.4；载波监听多路访问/冲突避免；指数加权滑动平均；吞吐量；碰撞概率0引言随着无线通信与传感器等技术的飞速发展，集信息采集、处理和通信功能丁一体的无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)受到学术界的广泛重视［1-2］ort!于无线传感器网络节点通常采用电池供电［3］,所以节点的能量非常有限，降低节点能耗与延长网络生命周期成为传感器网络设计的首要目标。能量损耗的一个主要来源是MAC层碰撞［4］。IEEE802.15.4标准［5］采用二进制退避指数(BinaryExponentBackoff,BEB)算法解决碰撞冲突问题

3、。研究表明BEB算法在网络活跃节点数较多和数据传输率高等情况下碰撞冲突增加从而能耗增加［6-7］o目前，针对BEB算法的局限性，许多研究者根据网络的实际环境与耍求提出新的改进算法，主要分为以下两类［8］：1)基于统计学习的BE调整策略：通过改进退避指数(BackoffExponent,BE)更新规则，使之趋于合理的范围，从而降低碰撞概率，提高网络的性能。其中较早的有MILD(MultiplicativeIncreaseLinearDecrease)算法［9］,此算法通过修改退避窗口，使其乘性增加线性减少。Pang等［10］提出了MBS+EWMA(MemorizedBackoffSc

4、hemewiththeExponentiallyWeightedMovingAverage)算法，主要是针对数据过去的传输状况及EWMAE11］思想精确地计算BE值。此类算法很好地提高了多活跃节点的网络性能，但是不能很好地适应数据传输率不断变化的动态网络。1)基于网络性能参数监测的BE调整策略：实时监测网络状况动态地调整某些参数來优化算法性能。文献［12］提出了PMAC(PrioritybasedMAC)算法，每个节点实吋监测到当前的网络状况和流量來动态地调整BE值，使协议在网络性能方面得到提高。此类算法具有较强的适应能力，但需要实吋监测某些网络的运行参数，从而增加了算法的复杂度。

5、为了更合理地优化BE值，本文针对文献［10］提出的MBS+EWMA算法进行了改进，提出了一种将基于统计学习的BE调整策略与基于网络性能参数监测的BE调整策略相结合的改进算法。1IEEE802.15.4CSMA/CAIEEE802.15.4CSMA/CA算法需要维护三个变量：退避次数(NumberofBackoff,NB)、竞争窗口(ContentionWindow,CW)和退避指数(BackoffExponent,BE)。当有多个设备开始向协调器发送数据时，执行以下步骤：1)协调器向设备发送信标帧，设备根据媒体访问控制(MediaAccessControl,MAC)层对NB、CW和

6、BE进行初始化，然后MAC子层将在［0,2BE-1］范围内产生一个随机数定位退避周期边界。2)退避该随机数个退避时隙后，要求物理层执行空闲信道检测。3)如果检测到信道为忙，在保证BE不超过算法设定的最大值基础上，将BE和NB值增加lo如果NB的值小于或者等于设定的最大退避次数，将重复执行步骤1)与步骤2)。如果NB的值大于放大退避次数，数据发送失败，并将失败信息返冋给上层，由上层决定是否重新传输数据帧。1)如果检测到信道为空闲时，MAC子层先将CW值减少1然后判断CW是否为零，如果CW不等于0,算法重新检测信道；如果CW二0,数据帧将在下一个退避吋隙边界上开始传输。2PJNL_EW

7、MA算法设计针对IEEE802.15.4CSMA/CA算法下网络中活跃节点数多、移动节点位置与数据传输速率不断变化对网络性能产生的影响，本文提出网络负荷概率判断和指数加权滑动平均(Probab订ityJudgementtoNetworkLoadandExponentiallyWeightedMovingAverage,PJNL_EWMA)的退避策略。该算法设计思路如下：1)网络负荷概率判断。基于对CSMA/CA算法的分析，在每一次数据包发送后，计算出检测信道为忙的次数