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发表在IET Communications

于2010年11月8日收到

2011年5月11日修订

doi：10.1049 / iet-com.2010.1007

IEEE802.15.4中的CSMA / CA分析

作者

王伟 北京大学电子系高级光通信系统与网络国家重点实验室

D.Li 北京大学电子系高级光通信系统与网络国家重点实验室

赵昭 北京大学电子系高级光通信系统与网络国家重点实验室

高级光通信系统与网络国家重点实验室，

北京大学，北京100871，中华人民共和国

电子邮件：fengwangpku@gmail.com

摘要：

使用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA / CA）策略的IEEE 802.15.4介质访问控制和物理层规范的发布代表了促进无线传感器网络的部署的重要里程碑。在本研究中，作者首先通过集成节点状态的离散时间马尔科夫链模型和信道状态来分析在IEEE 802.15.4的争用接入时段（CAP）中规定的时隙CSMA / CA策略的性能; 然后，通过采用CAP的修改来扩展马尔科夫链模型。扩展模型可以用于分析IEEE 802.15.4中规定的非时隙CSMA / CA策略以及时隙化CSMA / CA策略的性能。广泛的模拟证明了拟议模型和结论的准确性和有效性。

1简介

无线传感器网络（WSN）在应用中如环境监测，库存跟踪，健康监控，家庭自动化等对我们的未来生活有重大影响[1 - 4]。 在最近年，新的传感器节点硬件和设计的高效网络协议专注于满足要求的低成本和低功耗操作[5，6]。 值得注意贡献在传感器硬件的设计中在一些知名团体（例如mAMPS项目）中完成在MIT）。 在开发合适的传感器网络协议，发布IEEE 802.15.4无线介质访问控制（MAC）和物理层（PHY）规格为低速率，低功耗无线个人区域网络（WPAN）是发展的里程碑WSN的历史[7, 8].

IEEE 802.15.4被认为是有希望的技术的WSNs，并已进行了大量的研究执行以研究争用接入方案[即载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA /CA）算法]。 所有的基本论文对CSMA，最相关的也许是分析的非持久性CSMA在[9]与聚合泊松到达分组。 据我们所知，在此基础上，研究人员分析了时隙和非时隙CSMA /IEEE 802.15.4中的CA策略及相应的模型。没有统一的模型为槽和未签署的CSMA / CA策略。高度引用的论文[10]使用马尔可夫链工具分析IEEE 802.11的主要MAC技术分布式协调功能（DCF）是CSMA /CA方案具有二进制时隙指数退避。最近，随着不同的网络部署和假设，在上述论文中的分析被扩展到评估性能IEEE 802.15.4中的竞争接入周期（CAP）。在[11]中，作者指出，与CSMA / CA算法不同在IEEE 802.11 DCF中节点监视的信道连续，IEEE中的CSMA / CA算法802.15.4 CAP应用不连续信道感测。与这个差别，他们提供了详细的分析在IEEE 802.15.4中评估CAP的性能使用二维马尔可夫链模型。进一步减少马尔可夫链状态的数量和调查CSMA / CA更详细，He et al。 [12]提出了另一个基于马尔科夫链的分析模型，用于研究CSMA / CA参数的影响，数量的竞争设备，以及数据帧大小网络性能的标准下饱和交通。扩展模型以表示不同的网络负载，Wen等人[13]也使用了二维马尔科夫链模型来评估IEEE 802.15.4的性能在吞吐量，能量消耗和接入方面潜伏。 Jung等人。 [14]进一步开发了马尔科夫链模型反映了IEEE 802.15.4的特性MAC协议，例如超帧结构，确认（ACK）和重传.

此外，使用其他种类的模型来研究指定的未分配的CSMA / CA策略的特性在IEEE 802.15.4中。 从频道的角度来看，Kim et al。 [15]提供了一个数学模型M / G / 1的忙周期的非时隙CSMA / CA策略排队系统以获得若干性能测量。从节点的角度来看，Buratti和Verdone [16]

给出了未分段的CSMA / CA的分析模型策略并分析了IEEE 802.15.4的性能网络在非信标启用模式。在本文中，我们进行了性能分析CSMA / CA策略在IEEE 802.15.4 MAC协议中。用于节点状态和通道状态的Markov模型是单独开发以确定a的概率节点花费在不同的状态。 我们提出的模型可以用来分析时隙CSMA /CA和IEEE 802.15.4中的非时隙CSMA / CA。 我们验证我们的结论与广泛的OPNET模拟。

我们的主要成果和贡献如下：

dagger;离散时间马尔科夫链建议模型节点和通道。 通过集成节点模型和渠道模式，我们提供了全面的分析IEEE中规定的时隙CSMA / CA策略802.15.4。

dagger;提出了可用于修改的模型分析未分配的CSMA / CA的性能在IEEE 802.15.4中规定的策略。 因此，我们给相同的建模方法为slotted和unslottedCSMA / CA战略。 就我们所知，这是第一次对CSMA / CA策略进行建模IEEE 802.15.4中的集成模型方法。

dagger;提出的CSMA / CA模型经过验证本文结尾处的OPNET仿真手段。 我们进一步给出一个简单的命题来改进在IEEE中的时隙CSMA / CA策略的性能802.15.4。

本文的其余部分组织如下。 第2节给出了IEEE 802.15.4 MAC协议的简要概述。第3节供模型描述和假设，和详细描述了在IEEE中建模CAP的马尔科夫链802.15.4作为非持久CSMA。 第4节扩展模型来分析开槽的性能和IEEE 802.15.4中的非时隙CSMA / CA。 然后在第5节，提供了数值分析和模拟结果验证我们的模型，并提出了一个简单的修改提高CSMA / CA的性能。 最后，节6总结本文。

2 IEEE 802.15.4的概述

详细描述MAC和PHY的特性IEEE 802.15.4标准在[7,8]中可用。两个基本拓扑，星形和对等，在IEEE支持802.15.4，后者的逻辑结构是由网络层定义。一跳星形拓扑是简单并且将由诸如的应用来使用个人计算机外围设备。对等拓扑允许对于更复杂的形式，如集群树和网格网络拓扑。这将是首选的选择应用如工业和环境监控，库存控制等。IEEE 802.15.4网络可以工作在启用信标或非启用信号模式。在信标启用模式中，a网络协调器发送常规信标同步和关联程序来控制通讯。在CAP中，设备之间的通信使用时隙CSMA / CA争用访问。在非Beacon启用模式，没有规则的信标，和设备使用无时隙相互通信CSMA / CA。

在启用信标的情况下施加超帧结构模式。 1，其格式由协调员。 超帧由网络规则限制信标由协调器发送，并分为16个等大小的槽。 信标，在第一个时隙传输，用于同步所连接的设备，识别PAN，并描述其结构超帧。 超帧的长度，称为信标间隔（BI）和其有效部分的长度，称为超帧持续时间（SD），被定义，分别如下

其中aBaseSuperframeDurationfrac14;960个符号和0le;S0le;B0le;14。超帧可以具有活动和可选的非活动期。 所有通信放置在活动期间，而节点被允许进入低功率模式。 此外，活动期又可以由CAP和a组成无竞争期（CFP）。 CAP中的通道访问是以时隙CSMA / CA的形式。 同时，保证时隙（GTS）始终由CFP形成出现在从时隙开始的活动超帧的末尾边界。

CAP中的时隙CSMA算法工作如下。所有节点都同步，传输只能开始在称为回退时隙的时间单位的键合处并且被表示通过aUnitBackoffPeriodfrac14;20个符号。具有数据包的节点准备好传输首先回退一个随机数的退避时隙，均匀地选择在[0，2mac MinBE 2 1]。这里macMinBE

是具有的退避指数（BE）的最小值默认值为三。随机回退和以下信道感测用于降低概率竞争节点之间的冲突并确保信道清除了争用窗口（CW）持续时间的活动之前节点传输。 CW持续时间是两个IEEE 502.15.4中的回退时隙，即节点适用两个信道清晰评估（CCA）。如果发现信道忙，BE加1，并且在信道感测之前开始新的退避阶段。这个过程被重复，直到BE等于Maxax（默认值为5的BE的最大值）或直到允许的最大数目的随机退避阶段。在前一种情况下，值的BE在退避周期中被冻结在aMaxBE。在后面情况下，向上层声明接入失败。的允许的随机退避级的最大数量由具有的参数macMaxCSMABackoff确定默认值为5。因此，在退避阶段，BE可以表示为

BE = mac Min BE min {a Max BE - mac Min BE，i}

其中i [[0，mac Max CSMA Backoff]。根据IEEE 802.15.4协议，unslottedCSMA / CA算法类似于时隙CSMA / CA算法，此外它用于非同步模式（非信标启用模式）。 在未分段的CSMA / CA中，一个设备的退避周期在时间上不相关网络中任何其他设备的退避周期。本节详细说明IEEE 802.15.4 MAC协议。 在剩下的论文，我们将我们的分析限于IEEE802.15.4网络的一跳星形拓扑，由公共协调器和N个传感器节点对于许多应用并且还可以作为其一部分存在较大的复杂网络的802.15.4设备。

3用于插槽式CSMA / CA的型号

IEEE 802.15.4接下来，我们首先关注启用信标的模式，其中存在标准的大多数独特的特征作为系统同步，睡眠等CAP，非活动期的影响和CFP可以认为是网络负载的变化传输延迟。为了简单，我们集中我们分析仅在上行链路模式并假设超帧包括没有CFP的活动周期。至确保可靠的数据传输，MAC级ACK通常用于无线网络。但是因为内置传感器覆盖中的冗余，可以避免ACK在一些应用中。因此，我们假设ACK是不使用。此外，分组在L后退中固定时隙持续时间并到达受到泊松的节​​点到达率。我们认为有缓冲区，没有传输错误和没有信道感测错误节点，这意味着不接受新的分组当节点当前正在发送或正在发送尝试传输，并且传输的数据包可以只因为碰撞而失去。此外，为了便于处理，我们介绍一些近似来模拟IEEE 802.15.4 MAC的CAP作为具有退避的非持久性CSMA。在标准中，如果a传输不能在当前信标内完成间隔，则将其推迟到下一个超帧。我们推测对于大值的信标顺序，这条件对争用过程的影响可以忽略不计并可以忽略。此外，我们采取稳态信道的概率作为信道的概率状态。

3.1节点状态模型

对于分析，我们构建离散时间马尔科夫链其模拟CSMA / CA算法的操作标记的节点并捕获的关键特性IEEE 802.15.4 MAC协议。 为方便起见，时间构建马可夫链，我们只考虑时间其中下面定义的马尔可夫链的状态被改变。 定义nb（t），bw（t）和cw（t）作为随机表示退避阶段的过程，退避计数器和CCA计数器。 这里nb（t）[[0，m]表示在时间t的NB的值; bw（t）[[0，Wi 2 1]表示时间t处的退避计数器的值; 和cw（t）[[0,2]表示CCA的剩余数量为在时间t的传输完成。 根据协议，退避窗口的持续时间是Wi = 2mac Min BE2min {a Max BE-mac Min BE，i}，i [[0，m]其中m由macMaxCSMABackoff确定。 的单位退避时间tBTP的持续时间取决于在IEEE 802.15.4网络中使用的特定频带。基于随机过程{nb（t），bw（t），cw（t）}，马可夫链的状态转换图图。 状态{n，b，2}意味着节点在其中（n 1）退避周期，退避计数器为b。状态{n，0，1}和{n，0，0}对应于第一CCA和第（n 1）次之后的第二CCA检测回退。 状态{21,1,0}表示传输状态，其中l [[1，L]是完成所需的时间

在节点中当前分组传输，L是分组在后退时隙tBTP中测量的传输持续时间。和空闲状态{21,0,0}代表空闲状态节点没有要发送的数据包，而q定义为在下一个用户仍然处于空闲状态的概率时隙。在该图中，a和b是的概率信道在第一CCA和第二CCA处忙碌，分别。使马尔可夫链的稳定概率为bn,b,c = lim t1 P{nb(t) = n, bw(t) = b, cw(t) = c}, forall;n, b, c

从图2中的马尔可夫链模型。我们可以轻松获得

然后从（2）和（3），我们有

其中P = a b 2 ab。从马尔可夫的财产链，当在平稳分布时，我们也有以下等式

然后使用simultaneous（4） - （8），我们实现

以相同的方式，bn，b，2和b0，b，2可以分别是用b0,0,1表示

基于上述结果和使用所有的和状态的概率应该

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