ZigBee智能家居组网的传输冲突避让机制

陈宇

摘 要：ZigBee符合IEEE802.15.4协议标准，节点平时工作在睡眠模式，具有低功耗、数据传输可靠、自组网络（Mesh）、兼容性好、安全性高、低组网成本等特点，由于带宽受限，冲突碰撞不可避免，文章分析CSMA/CA在ZigBee网络中的应用。

关键词：ZigBee;智能家居;冲突避让

1.ZigBee通信冲突

智能家居通过zigbee传感网将家中的各种设备，如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、影音服务器、影柜系统、网络家电等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。然而，ZigBee终端通信时带宽有限，数据传输必然会发生碰撞，使用802.11局域网标准协议CSMA/CA，同时配合停止等待协议，能够有效抑制信息交互的冲突避让。

2. 802.11MAC机制

802.11标准设计了独特的MAC层。如图1所示，它通过协调功能来确定在基本服务器集BBS中移动站在什么时间能发送和数据或接收数据。802.11的MAC层在物理层的上面，它包括两个子层。

（1）分布协调功能DCF。DCF不采用任何中心控制，而是在每一个借点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此DCF向上提供曾用服务，802.11协议规定，所有的实现都必须有DCF功能。

（2）点协调功能PCF。PCF是选项，是用介入点AP集中控制整个BBS内的活动，因此自组网络就没有PCF子层。PCF使用集中控制的接入算法，用类似于探询的方法把发送数据权轮流给各个站，从而避免了碰撞的产生。对于时间敏感的业务，如分组语音，就应使用提供无争用服务的点协调功能PCF。

3. CSMA/CA协议的工作原理

为了尽量避免碰撞，802.11规定，所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔IFS。帧间间隔的长短取决于该站要发送的帧的类型。高优先级的帧需要等待的时间较短，因此可以优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。若低优先级帧还没来得及发送而其他高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。至于各种帧间间隔的具体长度，这取决于使用的物理层特性。三种帧间间隔的作用，如图2所示：

1.SIFT，即短（Short）帧间间隔。SIFT是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。在这段时间内，一个站应当能够从发送方式切换到接收方式。使用SIFS的帧类型有：ACK帧、CTS帧、由过长的MAC帧分片后的数据帧，以及所有回答AP探询的帧和在PCF方式中接入点AP发送出的任何帧。

2.PIFS，即点协调功能帧间间隔（比SIFS长），是为了在开始使用PCF方式时（在PCF方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS的长度是SIPS加一个时隙时间（slot time）的长度。时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集BSS内，当某个站在一个时隙开始时接入到信道时，那么在下一个时隙开始时，其它站就都能检测出信道以转变为忙态。

3.DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长IFS），在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS的长度比PIFS再多一个时隙长度。

4.减少碰撞NAV机制

为了尽量减少碰撞的机会，802.11标准采用了一种叫做虚拟载波监听地的机制，这就是让源站把它要占用的信道时间（包括目的站发回确认帧所需时间）写入到所发送的数据帧中，（即在首部中的“持续时间”字段中写入需要占用信道时间，以微秒为单位，一直到目的站把帧确认完为止），以便使其他所有的站在这一段时间都不要发送数据。“虚拟载波监听”的意思是其他各站并没有监听信道，而是由于这些站都知道了源站正在用信道才不发送数据。这种好像是其他站都监听了信道。

当站点检测到正在通信中传送的帧“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量NAV。NAV指出了信道处于忙状态的持续时间。信道处于忙状态就表示：或者是由于物理层的载波监听检测到信道忙，或者是由于MAC层的虚拟载波监听机制指出了信道忙。

5.信道预约

为了更好的解决隐蔽站带来的碰撞问题。802.11允许要求发送数据的站对信道进行预约。源站A发送数据帧之前发送一个短的控制帧（请求发送RTS），它包括源地址，目的地址和这次通信所需的持续时间。若信道空闲，则目的站B就响应一个控制帧（允许发送CTS）。如图3所示：

C处于A的传输范围内，但不在B的差un数范围内。因此C能够收到A发送的RTS，但经过一小段时间后，C不会收到B发送的CTS帧。这样，在A向B发送数据时，C也可以发送自己的数据给其他的站而不会干扰B。

D收不到A发送的RTS帧，但能收到B发送的CTS帧。因此D知道B将要求和A通信，因此D在A和B通信的一段时间内不能发送数据，因而不会干扰B接收A发来的数据。

E能收到RTS和CTS，因此E和B一样，在A发送数据帧和B发送确认帧的整个过程中都不能发送数据。

6.小结

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，更兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，实现综合智能控制和管理，不需要大量布线，且不会破坏建筑的美观性，利用CSMA/CA冲突检测机制，能够提高ZigBee网络的有效通信，同时解决暴露终端、隐蔽终端问题，提高网络的稳定性。

参考文献：

[1]叶朝辉.杨士元.智能家居网络研究综述[J].计算机应用研究，2000

[2]徐君丽，刘冀伟，王志良.基于无线网络的智能监控系统设计与实现.微计算机信息，2015

[3]高守玮，吴灿阳ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2017

[4]張亮，基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统[D].武汉科技大学.2009

[5]JaneK.Hart，Kirk Martinez.Environmental Sensor Networks：A revolution in the earth system science7.Earth—Science Reviews，2016