ZigBee智能家居組網(wǎng)的傳輸沖突避讓機(jī)制

陳宇

摘 要：ZigBee符合IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)平時(shí)工作在睡眠模式，具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、自組網(wǎng)絡(luò)（Mesh）、兼容性好、安全性高、低組網(wǎng)成本等特點(diǎn)，由于帶寬受限，沖突碰撞不可避免，文章分析CSMA/CA在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ZigBee;智能家居;沖突避讓

1.ZigBee通信沖突

智能家居通過zigbee傳感網(wǎng)將家中的各種設(shè)備，如音視頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調(diào)控制、安防系統(tǒng)、數(shù)字影院系統(tǒng)、影音服務(wù)器、影柜系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電等）連接到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時(shí)控制等多種功能和手段。然而，ZigBee終端通信時(shí)帶寬有限，數(shù)據(jù)傳輸必然會(huì)發(fā)生碰撞，使用802.11局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議CSMA/CA，同時(shí)配合停止等待協(xié)議，能夠有效抑制信息交互的沖突避讓。

2. 802.11MAC機(jī)制

802.11標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了獨(dú)特的MAC層。如圖1所示，它通過協(xié)調(diào)功能來確定在基本服務(wù)器集BBS中移動(dòng)站在什么時(shí)間能發(fā)送和數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。802.11的MAC層在物理層的上面，它包括兩個(gè)子層。

（1）分布協(xié)調(diào)功能DCF。DCF不采用任何中心控制，而是在每一個(gè)借點(diǎn)使用CSMA機(jī)制的分布式接入算法，讓各個(gè)站通過爭(zhēng)用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此DCF向上提供曾用服務(wù)，802.11協(xié)議規(guī)定，所有的實(shí)現(xiàn)都必須有DCF功能。

（2）點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF。PCF是選項(xiàng)，是用介入點(diǎn)AP集中控制整個(gè)BBS內(nèi)的活動(dòng)，因此自組網(wǎng)絡(luò)就沒有PCF子層。PCF使用集中控制的接入算法，用類似于探詢的方法把發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流給各個(gè)站，從而避免了碰撞的產(chǎn)生。對(duì)于時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)，如分組語音，就應(yīng)使用提供無爭(zhēng)用服務(wù)的點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF。

3. CSMA/CA協(xié)議的工作原理

為了盡量避免碰撞，802.11規(guī)定，所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時(shí)間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時(shí)間的通稱是幀間間隔IFS。幀間間隔的長(zhǎng)短取決于該站要發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級(jí)的幀需要等待的時(shí)間較短，因此可以優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)，但低優(yōu)先級(jí)幀就必須等待較長(zhǎng)的時(shí)間。若低優(yōu)先級(jí)幀還沒來得及發(fā)送而其他高優(yōu)先級(jí)幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)因而低優(yōu)先級(jí)幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)。至于各種幀間間隔的具體長(zhǎng)度，這取決于使用的物理層特性。三種幀間間隔的作用，如圖2所示：

1.SIFT，即短（Short）幀間間隔。SIFT是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對(duì)話的各幀。在這段時(shí)間內(nèi)，一個(gè)站應(yīng)當(dāng)能夠從發(fā)送方式切換到接收方式。使用SIFS的幀類型有：ACK幀、CTS幀、由過長(zhǎng)的MAC幀分片后的數(shù)據(jù)幀，以及所有回答AP探詢的幀和在PCF方式中接入點(diǎn)AP發(fā)送出的任何幀。

2.PIFS，即點(diǎn)協(xié)調(diào)功能幀間間隔（比SIFS長(zhǎng)），是為了在開始使用PCF方式時(shí)（在PCF方式下使用，沒有爭(zhēng)用）優(yōu)先獲得接入到媒體中。PIFS的長(zhǎng)度是SIPS加一個(gè)時(shí)隙時(shí)間（slot time）的長(zhǎng)度。時(shí)隙的長(zhǎng)度是這樣確定的：在一個(gè)基本服務(wù)集BSS內(nèi)，當(dāng)某個(gè)站在一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)接入到信道時(shí)，那么在下一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)，其它站就都能檢測(cè)出信道以轉(zhuǎn)變?yōu)槊B(tài)。

3.DIFS，即分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔（最長(zhǎng)IFS），在DCF方式中用來發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。DIFS的長(zhǎng)度比PIFS再多一個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度。

4.減少碰撞NAV機(jī)制

為了盡量減少碰撞的機(jī)會(huì)，802.11標(biāo)準(zhǔn)采用了一種叫做虛擬載波監(jiān)聽地的機(jī)制，這就是讓源站把它要占用的信道時(shí)間（包括目的站發(fā)回確認(rèn)幀所需時(shí)間）寫入到所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中，（即在首部中的“持續(xù)時(shí)間”字段中寫入需要占用信道時(shí)間，以微秒為單位，一直到目的站把幀確認(rèn)完為止），以便使其他所有的站在這一段時(shí)間都不要發(fā)送數(shù)據(jù)。“虛擬載波監(jiān)聽”的意思是其他各站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于這些站都知道了源站正在用信道才不發(fā)送數(shù)據(jù)。這種好像是其他站都監(jiān)聽了信道。

當(dāng)站點(diǎn)檢測(cè)到正在通信中傳送的幀“持續(xù)時(shí)間”字段時(shí)，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV。NAV指出了信道處于忙狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。信道處于忙狀態(tài)就表示：或者是由于物理層的載波監(jiān)聽檢測(cè)到信道忙，或者是由于MAC層的虛擬載波監(jiān)聽機(jī)制指出了信道忙。

5.信道預(yù)約

為了更好的解決隱蔽站帶來的碰撞問題。802.11允許要求發(fā)送數(shù)據(jù)的站對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約。源站A發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前發(fā)送一個(gè)短的控制幀（請(qǐng)求發(fā)送RTS），它包括源地址，目的地址和這次通信所需的持續(xù)時(shí)間。若信道空閑，則目的站B就響應(yīng)一個(gè)控制幀（允許發(fā)送CTS）。如圖3所示：

C處于A的傳輸范圍內(nèi)，但不在B的差un數(shù)范圍內(nèi)。因此C能夠收到A發(fā)送的RTS，但經(jīng)過一小段時(shí)間后，C不會(huì)收到B發(fā)送的CTS幀。這樣，在A向B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，C也可以發(fā)送自己的數(shù)據(jù)給其他的站而不會(huì)干擾B。

D收不到A發(fā)送的RTS幀，但能收到B發(fā)送的CTS幀。因此D知道B將要求和A通信，因此D在A和B通信的一段時(shí)間內(nèi)不能發(fā)送數(shù)據(jù)，因而不會(huì)干擾B接收A發(fā)來的數(shù)據(jù)。

E能收到RTS和CTS，因此E和B一樣，在A發(fā)送數(shù)據(jù)幀和B發(fā)送確認(rèn)幀的整個(gè)過程中都不能發(fā)送數(shù)據(jù)。

6.小結(jié)

與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，更兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)綜合智能控制和管理，不需要大量布線，且不會(huì)破壞建筑的美觀性，利用CSMA/CA沖突檢測(cè)機(jī)制，能夠提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的有效通信，同時(shí)解決暴露終端、隱蔽終端問題，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

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