無線傳感器網(wǎng)絡(luò)CSMA協(xié)議的設(shè)計(jì)

CSMA協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)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(jī)制來提供競爭信道的功能。隨著IEEE 802.15.4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(qiáng)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(jì)CSMA機(jī)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(shí)驗(yàn)平臺，充分利用CC2420部分IEEE 802.15.4協(xié)議MAC封裝的特性，設(shè)計(jì)并實(shí)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(jì)

實(shí)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(shí)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2.4 GHz射頻芯片，其硬件封裝支持部分IEEE 802.15.4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(yàn)、自動加密的功能，并維護(hù)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(yàn)，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（Receive Signal Strength Indicator，接收信號強(qiáng)度指示器）信息。

圖1　CC2420功能結(jié)構(gòu)圖

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(qiáng)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(qiáng)度閾值的更新維護(hù)十分有用。

1.2　信道監(jiān)測的設(shè)計(jì)

CC2420提供了一項(xiàng)CSMACA的功能，稱為CCA（Clear Channel Assessment,空閑信道評估）,它使用一個寄存器來設(shè)置閾值。當(dāng)CC2420收到CCA命令后，就開始采樣RSSI值，只有采樣到的RSSI值小于寄存器中的閾值時才允許發(fā)送數(shù)據(jù)。CCA雖然實(shí)現(xiàn)了信道監(jiān)測的基本功能，但是也有其自身的缺點(diǎn)： 不夠靈活且開放程度不夠，只能進(jìn)行一次完整的通道監(jiān)測，并不能設(shè)置采樣次數(shù)。這就限制了它在其他協(xié)議中的使用，例如在LPL（Low Power Listening，低功耗偵聽）協(xié)議中，只需要進(jìn)行一次采樣作為偵聽。另外，它的判定機(jī)制并不夠完善，只有一個閾值，因而開發(fā)者難以找到合適的閾值。

本文參照CCA的閾值機(jī)制，設(shè)置上下閾值并利用CC2420讀取RSSI采樣值的命令，用軟件來完成信道監(jiān)測工作。本文使用的信道監(jiān)測及判定的基本原理就是： 先設(shè)置兩個適當(dāng)?shù)男盘枏?qiáng)度閾值，一個是最小信號強(qiáng)度minSignal，其含義是信道中有數(shù)據(jù)發(fā)送時的最小信號強(qiáng)度值；另一個是噪聲強(qiáng)度noiseStrength，其含義是信道空閑時的信號強(qiáng)度值。然后物理層在一段時間內(nèi)不斷地進(jìn)行RSSI采樣，并把采樣結(jié)果按照某種規(guī)則(在實(shí)現(xiàn)中有具體說明)與閾值進(jìn)行比較，從而得到信道的活動狀態(tài)。而且為了更準(zhǔn)確地反映信道狀態(tài)，在不能判斷信道活動狀態(tài)時，還應(yīng)有擴(kuò)展采樣機(jī)制。

另外，這兩個信號強(qiáng)度閾值并不是一直不變的，它們必須根據(jù)信道一段時期的信號強(qiáng)度情況來動態(tài)更新，因此本文還實(shí)現(xiàn)了一種閾值更新機(jī)制，它能根據(jù)當(dāng)前的信道信號強(qiáng)度和一些強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)信息來動態(tài)地更新閾值。

從接口上看，物理層的信道監(jiān)測只是提供給MAC層的CSMA協(xié)議一個探測信道的接口。為了設(shè)計(jì)一個靈活的信道探測接口給上層,就必須給上層一些調(diào)整的接口,例如可以讓上層來設(shè)定具體某次監(jiān)測的采樣次數(shù),這樣上層就可以根據(jù)不同的實(shí)際情況來設(shè)定采樣數(shù)。圖2為物理層信道監(jiān)測提供的接口與MAC層CSMA的關(guān)系簡圖。

圖2　信道監(jiān)測接口與CSMA關(guān)系簡圖

2　信道監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

2.1　信道活動狀態(tài)判斷的基本規(guī)則

采樣得到的RSSI值是一個有符號的振幅值,它只有一個字節(jié)。這樣的值并不利于分析，所以統(tǒng)一將其值上升128，即對讀出的RSSI值統(tǒng)一加上128，因此轉(zhuǎn)換后的值都是為正的，后面提到的RSSI值指的都是轉(zhuǎn)換后的值。

假設(shè)上層設(shè)定信道采樣窗口數(shù)為N。為了完成連續(xù)的N次采樣，需要使用一個采樣定時器。CC2420的RSSI采樣時間約為128 μs，再加上硬件延遲以及軟件處理延遲時間，采樣定時器設(shè)置為1 ms循環(huán)觸發(fā)（這1 ms的采樣在CSMA中稱為“采樣窗口”）。每次定時器觸發(fā)后，就向CC2420發(fā)送命令讀取當(dāng)前信道的RSSI值，然后采用如下規(guī)則進(jìn)行信道活動狀態(tài)判斷：

① 如果采樣到的RSSI值大于等于閾值minSignal，那么就判定信道正被其他節(jié)點(diǎn)使用，即使采樣未滿N次也不再采樣，并立即通知上層協(xié)議信道正被使用。反之如果該次采樣監(jiān)測岀的值小于或等于minSignal，那么本次采樣不做任何判斷，繼續(xù)下次的采樣。

② 如果一直采樣到最后，且最后一次的RSSI值小于noiseLevel(噪聲強(qiáng)度)，那么就判定信道為空閑，并給出修改閾值標(biāo)志，通知上層可以發(fā)送數(shù)據(jù)。注意，只要判定為信道空閑，就要給出更新閾值標(biāo)志，原因?qū)⒃诤竺娴拈撝稻S護(hù)中說明。

如上所述，只要采樣值大于等于minSignal，就判定信道是繁忙的，而判定信道空閑時卻要求所有的采樣都小于minSignal，且最后一次的采樣值要小于noiseLevel。然而上面兩個規(guī)則并不完善，并不能處理任何情況，以下兩種情況就不能得出結(jié)論： 最后一次采樣岀錯沒有得到RSSI值，或者最后一次采樣的RSSI值介于noiseLevel和minSignal之間。此時就必須使用擴(kuò)展規(guī)則。

2.2　信道活動狀態(tài)判斷的擴(kuò)展規(guī)則

擴(kuò)展規(guī)則是為了處理基本規(guī)則不能解決的問題。擴(kuò)展規(guī)則其實(shí)就是擴(kuò)展m次采樣，在這m次的擴(kuò)展采樣中使用對應(yīng)的擴(kuò)展規(guī)則來判定信道狀態(tài)。擴(kuò)展規(guī)則涉及一些統(tǒng)計(jì)的方法，需要維護(hù)一個extCSVal的統(tǒng)計(jì)變量。擴(kuò)展規(guī)則如下：

① 擴(kuò)展采樣中，判定信道繁忙的規(guī)則與基本規(guī)則一樣。只要檢查到采樣RSSI值大于等于minSignal，就判定為信道忙，然后結(jié)束擴(kuò)展采樣。

② 信道空閑的判定與基本規(guī)則不同，因?yàn)橐呀?jīng)處于擴(kuò)展采樣，所以只要檢查到采樣RSSI值小于noiseLevel，就可判定信道為空閑，同時給出更新閾值的標(biāo)志。

③ 如果在擴(kuò)展采樣中并沒有出現(xiàn)以上兩種情況，那么就必須要計(jì)算extCSVal來做判斷。先說明賦給extCSVal的初值，如果最后一次基本采樣的RSSI值介于兩閾值之間，那么直接將這個RSSI值賦給extCSVal；如果最后一次基本采樣讀取RSSI失敗，那么將第一次擴(kuò)展采樣得到的介于兩閾值之間的RSSI值賦給extCSVal。如果extCSVal已經(jīng)賦值，而擴(kuò)展采樣中又得到了介于兩閾值之間的RSSI值，那么更新extCSVal值：extCSVal = (extCSVal + RSSI)1（即取平均值）。