ZigBee智能家居組網的傳輸沖突避讓機制

陳宇

摘 要：ZigBee符合IEEE802.15.4協議標準，節點平時工作在睡眠模式，具有低功耗、數據傳輸可靠、自組網絡（Mesh）、兼容性好、安全性高、低組網成本等特點，由于帶寬受限，沖突碰撞不可避免，文章分析CSMA/CA在ZigBee網絡中的應用。

關鍵詞：ZigBee;智能家居;沖突避讓

1.ZigBee通信沖突

智能家居通過zigbee傳感網將家中的各種設備，如音視頻設備、照明系統、窗簾控制、空調控制、安防系統、數字影院系統、影音服務器、影柜系統、網絡家電等）連接到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、環境監測、暖通控制、紅外轉發以及可編程定時控制等多種功能和手段。然而，ZigBee終端通信時帶寬有限，數據傳輸必然會發生碰撞，使用802.11局域網標準協議CSMA/CA，同時配合停止等待協議，能夠有效抑制信息交互的沖突避讓。

2. 802.11MAC機制

802.11標準設計了獨特的MAC層。如圖1所示，它通過協調功能來確定在基本服務器集BBS中移動站在什么時間能發送和數據或接收數據。802.11的MAC層在物理層的上面，它包括兩個子層。

（1）分布協調功能DCF。DCF不采用任何中心控制，而是在每一個借點使用CSMA機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發送權。因此DCF向上提供曾用服務，802.11協議規定，所有的實現都必須有DCF功能。

（2）點協調功能PCF。PCF是選項，是用介入點AP集中控制整個BBS內的活動，因此自組網絡就沒有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送數據權輪流給各個站，從而避免了碰撞的產生。對于時間敏感的業務，如分組語音，就應使用提供無爭用服務的點協調功能PCF。

3. CSMA/CA協議的工作原理

為了盡量避免碰撞，802.11規定，所有的站在完成發送后，必須再等待一段很短的時間（繼續監聽）才能發送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔IFS。幀間間隔的長短取決于該站要發送的幀的類型。高優先級的幀需要等待的時間較短，因此可以優先獲得發送權，但低優先級幀就必須等待較長的時間。若低優先級幀還沒來得及發送而其他高優先級幀已發送到媒體，則媒體變為忙態因而低優先級幀就只能再推遲發送了。這樣就減少了發生碰撞的機會。至于各種幀間間隔的具體長度，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話的各幀。在這段時間內，一個站應當能夠從發送方式切換到接收方式。使用SIFS的幀類型有：ACK幀、CTS幀、由過長的MAC幀分片后的數據幀，以及所有回答AP探詢的幀和在PCF方式中接入點AP發送出的任何幀。

2.PIFS，即點協調功能幀間間隔（比SIFS長），是為了在開始使用PCF方式時（在PCF方式下使用，沒有爭用）優先獲得接入到媒體中。PIFS的長度是SIPS加一個時隙時間（slot time）的長度。時隙的長度是這樣確定的：在一個基本服務集BSS內，當某個站在一個時隙開始時接入到信道時，那么在下一個時隙開始時，其它站就都能檢測出信道以轉變為忙態。

3.DIFS，即分布協調功能幀間間隔（最長IFS），在DCF方式中用來發送數據幀和管理幀。DIFS的長度比PIFS再多一個時隙長度。

4.減少碰撞NAV機制

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

當站點檢測到正在通信中傳送的幀“持續時間”字段時，就調整自己的網絡分配向量NAV。NAV指出了信道處于忙狀態的持續時間。信道處于忙狀態就表示：或者是由于物理層的載波監聽檢測到信道忙，或者是由于MAC層的虛擬載波監聽機制指出了信道忙。

5.信道預約

為了更好的解決隱蔽站帶來的碰撞問題。802.11允許要求發送數據的站對信道進行預約。源站A發送數據幀之前發送一個短的控制幀（請求發送RTS），它包括源地址，目的地址和這次通信所需的持續時間。若信道空閑，則目的站B就響應一個控制幀（允許發送CTS）。如圖3所示：

C處于A的傳輸范圍內，但不在B的差un數范圍內。因此C能夠收到A發送的RTS，但經過一小段時間后，C不會收到B發送的CTS幀。這樣，在A向B發送數據時，C也可以發送自己的數據給其他的站而不會干擾B。

D收不到A發送的RTS幀，但能收到B發送的CTS幀。因此D知道B將要求和A通信，因此D在A和B通信的一段時間內不能發送數據，因而不會干擾B接收A發來的數據。

E能收到RTS和CTS，因此E和B一樣，在A發送數據幀和B發送確認幀的整個過程中都不能發送數據。

6.小結

與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統的居住功能，更兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，實現綜合智能控制和管理，不需要大量布線，且不會破壞建筑的美觀性，利用CSMA/CA沖突檢測機制，能夠提高ZigBee網絡的有效通信，同時解決暴露終端、隱蔽終端問題，提高網絡的穩定性。

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