一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)CSMA協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)

通過基本規(guī)則和擴展規(guī)則已經(jīng)可以得出一個準(zhǔn)確性較高的信道活動狀態(tài)判定，擴展規(guī)則彌補了基本規(guī)則可能會出現(xiàn)的錯誤。在實際的測試中，如果兩個閾值的初值選擇得很合適，那么一般并不會進(jìn)入擴展采樣。若閾值初值選擇得不貼切，如mingSignal初值過大，則noiseLevel初值過小時都會導(dǎo)致進(jìn)入擴展采樣。

這里還需要說明的是m的取值。本文中采樣定時器設(shè)置為1 ms，即1 ms采樣一次。擴展采樣次數(shù)m取值越大，準(zhǔn)確性自然就越高，但是整個網(wǎng)絡(luò)性能有所下降(花去的額外時間過多)。m的值也不能過小，不然extCSVal統(tǒng)計值就不能發(fā)揮其作用。由于本文使用的初始閾值是經(jīng)過大量測試確定的精確值(參照信號強度閾值初值的選擇)，因此使用該初始閾值進(jìn)行的測試結(jié)果顯示： 只有極少情況進(jìn)入擴展采樣（約5 000次監(jiān)測進(jìn)入一次擴展采樣）。鑒于這種實際情況，m的取值不需要很大，本文取其值為3。如果初始閾值不能精確設(shè)定，那么可將m值放大。

3　信號強度閾值的選擇和更新維護(hù)

從信道監(jiān)測的基本規(guī)則和擴展規(guī)則可以看出，信號強度的兩個閾值對信道狀態(tài)的判定十分重要，因此這兩個閾值的初始值選擇必須十分慎重；而且必須要根據(jù)當(dāng)前信道狀態(tài)動態(tài)更新閾值的機制。

3.1　信號強度閾值的更新機制

閾值的動態(tài)更新必須使用大量的實時RSSI值作為統(tǒng)計值，且需要把RSSI值分為兩類： 一類是信道繁忙時的RSSI，本文稱為busyRSSI；另一類是信道空閑時的RSSI值，本文稱為noiseRSSI。這兩個值可以在物理層每接收到一個數(shù)據(jù)包時獲取，因為CC2420接收到一個數(shù)據(jù)包時將在數(shù)據(jù)包的倒數(shù)第二個字節(jié)(FCS域)自動填充接收時的RSSI值，因此busyRSSI值就無條件地得到了；而在剛接收完數(shù)據(jù)包后信道一般都是空閑的，所以這時立即讀取當(dāng)前的RSSI值，就可以得到noiseRSSI值。為避免例外，可將得到的noiseRSSI值與minSignal進(jìn)行比較，如果大于等于minSignal就丟棄。

在獲得busyRSSI和noiseRSSI后就對其進(jìn)行統(tǒng)計操作，為實現(xiàn)這個目的需要維護(hù)一個統(tǒng)計變量avgSignal，用來統(tǒng)計所有的busyRSSI值。avgSignal的初值等于minSignal的初值即初始閾值，并按1/4的權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計，即avgSignal = (avgSignal1) + ((avgSignal + busyRSSI)2)。noiseRSSI的值并不需要統(tǒng)計，這是因為讀出noiseRSSI的值很穩(wěn)定幾乎不變。

noiseLevel閾值的更新相對簡單，因為噪聲信號強度十分穩(wěn)定，因此不必對noiseRSSI做統(tǒng)計，每次讀取noiseRSSI后可直接對noiseLevel進(jìn)行更新。更新規(guī)則也是采用1/4權(quán)重，即noiseLevel = (noiseLevel  1) + ((noiseLevel + noiseRSSI)  2)。

minSignal閾值需要針對兩種互補的情況來進(jìn)行更新調(diào)整。第一種情況是一段時間內(nèi)的采樣結(jié)果全是信道空閑，說明所有的采樣值都小于minSignal，因此有可能minSignal的值過高，應(yīng)對其調(diào)整將其適當(dāng)降低。該情況在監(jiān)測信道結(jié)果為空閑時觸發(fā)更新，更新方法是直接利用當(dāng)前的busyRSSI來更新；只要busyRSSI的值小于當(dāng)前的minSignal值，那么就將busyRSSI的值作為最新的minSignal值。這樣做是因為在busyRSSI的信號強度下已經(jīng)能夠接收數(shù)據(jù)了，而busyRSSI又比當(dāng)前的minSignal要小，所以更接近實際的閾值。

第二種情況是對第一種情況的補充。在做了第一種情況的修改后，如果長時間內(nèi)監(jiān)測到的都是信道繁忙（如載波監(jiān)聽幾次回退后都返回繁忙）,那么就可能是minSignal的值設(shè)置得太低,因此要適當(dāng)調(diào)高該值，以避免使用第一種更新方式后由于設(shè)置的minSignal值太低而導(dǎo)致不能使用信道的情況。該情況提供一個接口由上層(MAC層)來調(diào)用更新。更新需要借助統(tǒng)計量avgSignal，更新的偽代碼如下（其中initBusySingal指的是minSignal的最初值）：//如果minSignal大于或等于初值，就說明沒有進(jìn)行第一種更新，所以沒有進(jìn)行第二種更新的必要

if (minSignal initBusySignal){//更合理地提高minSignal值，不能一下將minSignal大幅度提高，且要保證更新后minSignal比initBusySignal小

if (avgSignal initBusySignal){

minSignal = (minSignal + avgSignal)  1;

}

else{

minSignal = (minSignal + initBusySignal)  1;

}

}

initBusySignal的選擇將在后面介紹，它的選擇對更新機制尤為重要。因為minSignal的更新機制建立的基礎(chǔ)就是initBusySignal非常接近實際臨界值。initBusySignal本身也是經(jīng)過大量測試后選擇的一個信道活動最小強度值，而它肯定會大于(最小等于)實際的臨界值，所以minSignal更新后應(yīng)該比initBusySignal小才對。

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)實際測試岀的大量強度值來設(shè)定，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initBusySignal。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10 cm厚的墻。