CSMA協(xié)議在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)

　　3.2　信號(hào)強(qiáng)度閾值初始值的選擇

　　信號(hào)強(qiáng)度閾值的初始值必須根據(jù)實(shí)際測(cè)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(gè)初值分別是initNoiseSignal和init2BusySignal。下面給出部分測(cè)試強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，如表1所列。

　　測(cè)試時(shí)使用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)能通信的前提下，本文測(cè)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?yàn)樵撝凳窃陔娏砍渥闱矣凶韪舻那闆r下測(cè)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(duì)于init2NoiseSignal的取值，從表1可以看出，檢測(cè)到的RSSI值非常穩(wěn)定，信道空閑時(shí)噪聲強(qiáng)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(shí)現(xiàn)的信道監(jiān)測(cè)機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)

　　本文實(shí)現(xiàn)的信道監(jiān)測(cè)機(jī)制比較完善且十分靈活。完善是指信道活動(dòng)狀態(tài)判定規(guī)則十分完備，不僅有基本判定和擴(kuò)展判定，而且還有閾值更新機(jī)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(cè)時(shí)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(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議直接調(diào)用。

　　4　CSMA協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　本文實(shí)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(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前先監(jiān)測(cè)信道，如果監(jiān)測(cè)到信道空閑，則該節(jié)點(diǎn)就自己開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包。反之，如果監(jiān)測(cè)結(jié)果為信道繁忙，即信道已經(jīng)被鄰居節(jié)點(diǎn)占用，則該節(jié)點(diǎn)回退一段隨機(jī)時(shí)間后，再次開(kāi)始監(jiān)測(cè)，重復(fù)上面的操作。

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

　　如果節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)包，需要先進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)，首先隨機(jī)選擇一個(gè)采樣窗口數(shù)（即信道采樣次數(shù)），該采樣數(shù)屬于某一個(gè)范圍，本文選擇為8～32。采樣數(shù)隨機(jī)選擇的目的是減少?zèng)_突，舉例說(shuō)明：假設(shè)信道目前空閑，A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)都是鄰居節(jié)點(diǎn)，且A、B節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C;A、B兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始監(jiān)測(cè)，如果采樣窗口數(shù)固定，根據(jù)信道監(jiān)測(cè)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(diǎn)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(diǎn)C處就發(fā)生了沖突，最后A、B兩節(jié)點(diǎn)就必須依靠隨機(jī)回退一段時(shí)間后再次監(jiān)測(cè)信道。采用隨機(jī)的采樣窗口數(shù)可以降低上面情況的發(fā)生率。因?yàn)椴蓸哟翱跀?shù)小的節(jié)點(diǎn)（假設(shè)為節(jié)點(diǎn)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(diǎn)B在后面的采樣中發(fā)現(xiàn)信道繁忙（因?yàn)楣?jié)點(diǎn)A已經(jīng)占用了信道）就回退，避免了發(fā)生沖突。

　　回退時(shí)間的選擇也是值得推敲的一個(gè)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(zhǎng)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(gè)字節(jié)的時(shí)間為32μs,因此發(fā)送一個(gè)最大數(shù)據(jù)包的時(shí)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(cè)并得出信道繁忙的結(jié)論，因此回退時(shí)間應(yīng)該要大于數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間。又因?yàn)椴蓸哟翱跀?shù)已經(jīng)采用了隨機(jī)選取，所以回退時(shí)間可以使用固定值。因此可以將回退時(shí)間固定為4.5ms,回退功能的具體實(shí)現(xiàn)只需要一個(gè)定時(shí)器輔助就可以了。

　　最后，要處理信道強(qiáng)度閾值更新的問(wèn)題。如果MAC層連續(xù)對(duì)信道監(jiān)測(cè)的結(jié)果都是繁忙，且累計(jì)超過(guò)一個(gè)預(yù)設(shè)的閾值Y,就必須要調(diào)用MAC層提供的接口來(lái)對(duì)minSig2nal閾值進(jìn)行更新，參照上節(jié)信號(hào)強(qiáng)度閾值的更新機(jī)制。

　　根據(jù)實(shí)際的測(cè)試分析，Y的取值一般為30～60。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文靈活利用CC2420射頻芯片的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一整套從物理層到MAC層的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)CSMA協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；并詳細(xì)闡述了協(xié)議中信道監(jiān)測(cè)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(guò)實(shí)際的多節(jié)點(diǎn)通信測(cè)試，該CSMA協(xié)議可以正確、穩(wěn)定地進(jìn)行信道活動(dòng)監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整閾值；并且該CSMA協(xié)議的設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)或信道檢測(cè)。

　CSMA協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用得最為廣泛的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層大多使用CSMA機(jī)制來(lái)提供競(jìng)爭(zhēng)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(qiáng)的射頻芯片。TI公司（原Chipcon）推出CC2420來(lái)替代原來(lái)無(wú)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(lái)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(tái)，充分利用CC2420部分IEEE802.15.4協(xié)議MAC封裝的特性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全新的、靈活的CSMA協(xié)議。

　　1　信道監(jiān)測(cè)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(cè)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(dòng)CRC校驗(yàn)、自動(dòng)加密的功能，并維護(hù)兩個(gè)緩沖區(qū)（一個(gè)接收FIFO,一個(gè)發(fā)送FIFO）。數(shù)字接口通過(guò)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(gè)數(shù)據(jù)包，才會(huì)發(fā)送該數(shù)據(jù)包。

　　數(shù)字接口收滿一整包后，自動(dòng)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(cè)到信道有數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(hào)強(qiáng)度指示器）信息。

　　CC2420提供一個(gè)讀取RSSI值的命令，開(kāi)發(fā)者可以調(diào)用該命令來(lái)得到當(dāng)前信道的信號(hào)強(qiáng)度值，并通過(guò)對(duì)該值的解析來(lái)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(shí)，可以自動(dòng)在數(shù)據(jù)包的倒數(shù)第二個(gè)字節(jié)里填充當(dāng)前接收數(shù)據(jù)包時(shí)的RSSI值。這種特性對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度閾值的更新維護(hù)十分有用。