CSMA協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)

　　3.2　信號強度閾值初始值的選擇

　　信號強度閾值的初始值必須根據(jù)實際測試緄拇罅殼慷戎道瓷瓚ǎ如果設(shè)置失誤，將導(dǎo)致信道狀態(tài)判斷不準(zhǔn)確。本文假設(shè)兩個初值分別是initNoiseSignal和init2BusySignal。下面給出部分測試強度的數(shù)據(jù)，如表1所列。

　　測試時使用兩個節(jié)點，且兩個節(jié)點都是使用新電池（即電源充沛）。表中，“阻隔”指的是一堵大約10cm厚的墻。

　　在雙方節(jié)點能通信的前提下，本文測到的busyRSSI的最小值為0x54。根據(jù)上一小節(jié)的論述，initBusySignal的值可以略高，但因為該值是在電量充足且有阻隔的情況下測試緄淖钚∏康髦擔(dān)因此可以直接取為busyRSSI的最小值，即initBusySignal的值設(shè)置為0x54。對于init2NoiseSignal的取值，從表1可以看出，檢測到的RSSI值非常穩(wěn)定，信道空閑時噪聲強度幅度不大，因此取值比0x4D略大就可以了。本文中initNoiseSignal取值為0x4E。

　　3.3　本文實現(xiàn)的信道監(jiān)測機制的優(yōu)點

　　本文實現(xiàn)的信道監(jiān)測機制比較完善且十分靈活。完善是指信道活動狀態(tài)判定規(guī)則十分完備，不僅有基本判定和擴展判定，而且還有閾值更新機制，進(jìn)一步確保了判定結(jié)果的正確性；靈活是指向調(diào)用方提供了采樣窗口數(shù)的設(shè)置，使得調(diào)用方可以在每次監(jiān)測時使用不同的采樣窗口數(shù)，可以被LPL、B2MAC等有特殊要求的基于競爭的MAC協(xié)議直接調(diào)用。

　　4　CSMA協(xié)議的實現(xiàn)

　　本文實現(xiàn)的CAMA協(xié)議是基于使用廣泛的非持續(xù)性CSMA協(xié)議的，即節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前先監(jiān)測信道，如果監(jiān)測到信道空閑，則該節(jié)點就自己開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。反之，如果監(jiān)測結(jié)果為信道繁忙，即信道已經(jīng)被鄰居節(jié)點占用，則該節(jié)點回退一段隨機時間后，再次開始監(jiān)測，重復(fù)上面的操作。

　　在具體實現(xiàn)CSMA協(xié)議時，本文結(jié)合信道監(jiān)測提供的接口對協(xié)議做了一些優(yōu)化調(diào)整。另外，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間距離很短，一般忽略傳播延遲，因此具體的實現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)的CSMA協(xié)議有些不同，但原理一致，其實現(xiàn)如下：

　　如果節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)包，需要先進(jìn)行載波監(jiān)聽，首先隨機選擇一個采樣窗口數(shù)（即信道采樣次數(shù)），該采樣數(shù)屬于某一個范圍，本文選擇為8～32。采樣數(shù)隨機選擇的目的是減少沖突，舉例說明：假設(shè)信道目前空閑，A、B、C三個節(jié)點都是鄰居節(jié)點，且A、B節(jié)點有數(shù)據(jù)包要發(fā)送給節(jié)點C;A、B兩個鄰居節(jié)點同時開始監(jiān)測，如果采樣窗口數(shù)固定，根據(jù)信道監(jiān)測的規(guī)則，信道空閑必須等到采樣數(shù)用完才能下結(jié)論，那么A、B節(jié)點都在用完所有的采樣數(shù)后得縲諾攬障械慕崧郟然后都發(fā)送數(shù)據(jù)包，這樣數(shù)據(jù)在節(jié)點C處就發(fā)生了沖突，最后A、B兩節(jié)點就必須依靠隨機回退一段時間后再次監(jiān)測信道。采用隨機的采樣窗口數(shù)可以降低上面情況的發(fā)生率。因為采樣窗口數(shù)小的節(jié)點（假設(shè)為節(jié)點A）先得出信道空閑的結(jié)論并發(fā)送數(shù)據(jù)包，采樣窗口數(shù)大的節(jié)點B在后面的采樣中發(fā)現(xiàn)信道繁忙（因為節(jié)點A已經(jīng)占用了信道）就回退，避免了發(fā)生沖突。

　　回退時間的選擇也是值得推敲的一個參數(shù)。CC2420是以數(shù)據(jù)包為單位發(fā)送的射頻芯片，其最大數(shù)據(jù)包的長度為128字節(jié)，加上同步頭5字節(jié)，總共是133字節(jié)。

　　CC2420的發(fā)送速率是250kb/s,即發(fā)送一個字節(jié)的時間為32μs,因此發(fā)送一個最大數(shù)據(jù)包的時間為133×32=4256μs。根據(jù)信道采樣規(guī)則，只要一采樣到信道占用，就可以結(jié)束本次監(jiān)測并得出信道繁忙的結(jié)論，因此回退時間應(yīng)該要大于數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間。又因為采樣窗口數(shù)已經(jīng)采用了隨機選取，所以回退時間可以使用固定值。因此可以將回退時間固定為4.5ms,回退功能的具體實現(xiàn)只需要一個定時器輔助就可以了。

　　最后，要處理信道強度閾值更新的問題。如果MAC層連續(xù)對信道監(jiān)測的結(jié)果都是繁忙，且累計超過一個預(yù)設(shè)的閾值Y,就必須要調(diào)用MAC層提供的接口來對minSig2nal閾值進(jìn)行更新，參照上節(jié)信號強度閾值的更新機制。

　　根據(jù)實際的測試分析，Y的取值一般為30～60。

　　5 結(jié)語

　　本文靈活利用CC2420射頻芯片的特點，設(shè)計并實現(xiàn)了一整套從物理層到MAC層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)CSMA協(xié)議的實現(xiàn)；并詳細(xì)闡述了協(xié)議中信道監(jiān)測使用的所有判定規(guī)則及各關(guān)鍵閾值參數(shù)的選擇。經(jīng)過實際的多節(jié)點通信測試，該CSMA協(xié)議可以正確、穩(wěn)定地進(jìn)行信道活動監(jiān)測，并實時動態(tài)地調(diào)整閾值；并且該CSMA協(xié)議的設(shè)計可以完全嵌入應(yīng)用到其他MAC層協(xié)議中，輔助其他協(xié)議完成信道競爭或信道檢測。

　CSMA協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中運用得最為廣泛的競爭協(xié)議，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層大多使用CSMA機制來提供競爭信道的功能。隨著IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的制定，各射頻芯片廠家也紛紛推出了性能更好、功能更強的射頻芯片。TI公司（原Chipcon）推出CC2420來替代原來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用最多的射頻芯片CC1000。由于各射頻芯片特性功能各不相同，為了使CSMA協(xié)議達(dá)到更好的性能，根據(jù)射頻芯片的具體特性來重新優(yōu)化設(shè)計CSMA機制也就變得很有必要。

　　本文使用TI公司的MSP4301611超低功耗MCU,以及CC2420射頻芯片作為硬件實驗平臺，充分利用CC2420部分IEEE802.15.4協(xié)議MAC封裝的特性，設(shè)計并實現(xiàn)了一個全新的、靈活的CSMA協(xié)議。

　　1　信道監(jiān)測的設(shè)計

　　實現(xiàn)CSMA協(xié)議的最基本的條件就是物理層必須提供可靠、實用的信道監(jiān)測手段，因此首先要了解射頻芯片的一些特性。

　　1.1　CC2420的相關(guān)特性

　　CC2420是TI公司推出的2.4GHz射頻芯片，其硬件封裝支持部分IEEE802.15.4的MAC層協(xié)議規(guī)定。

　　CC2420的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，CC2420的數(shù)字接口具有自動CRC校驗、自動加密的功能，并維護兩個緩沖區(qū)（一個接收FIFO,一個發(fā)送FIFO）。數(shù)字接口通過SPI通信接口與微處理器相連。CC2420是以數(shù)據(jù)包為單位的射頻芯片，即必須從微處理器收滿一個數(shù)據(jù)包，才會發(fā)送該數(shù)據(jù)包。

　　數(shù)字接口收滿一整包后，自動添加CRC校驗，并送入調(diào)制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制和整形，最后發(fā)送出去。當(dāng)監(jiān)測到信道有數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字解調(diào)器中進(jìn)行幀同步；如果同步就將數(shù)據(jù)填入接收緩沖區(qū)中，最后填充當(dāng)前信道內(nèi)的RSSI（ReceiveSignalStrengthIn2dicator,接收信號強度指示器）信息。

　　CC2420提供一個讀取RSSI值的命令，開發(fā)者可以調(diào)用該命令來得到當(dāng)前信道的信號強度值，并通過對該值的解析來判定當(dāng)前信道是空閑還是繁忙。另外，CC2420在接收到數(shù)據(jù)包時，可以自動在數(shù)據(jù)包的倒數(shù)第二個字節(jié)里填充當(dāng)前接收數(shù)據(jù)包時的RSSI值。這種特性對于信號強度閾值的更新維護十分有用。