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

　　1.2　信道監(jiān)測的設(shè)計(jì)

　　CC2420提供了一項(xiàng)CSMA2CA的功能，稱為CCA（ClearChannelAssessment,空閑信道評估），它使用一個(gè)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(shí)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（LowPowerListening,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(gè)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(gè)適當(dāng)?shù)男盘枏?qiáng)度閾值，一個(gè)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(shí)的最小信號強(qiáng)度值；另一個(gè)是噪聲強(qiáng)度noiseStrength,其含義是信道空閑時(shí)的信號強(qiáng)度值。然后物理層在一段時(shí)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(shí)，還應(yīng)有擴(kuò)展采樣機(jī)制。

　　另外，這兩個(gè)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(shí)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(gè)探測信道的接口。為了設(shè)計(jì)一個(gè)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。

　　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(gè)有符號的振幅值，它只有一個(gè)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(gè)采樣定時(shí)器。CC2420的RSSI采樣時(shí)間約為128μs,再加上硬件延遲以及軟件處理延遲時(shí)間，采樣定時(shí)器設(shè)置為1ms循環(huán)觸發(fā)（這1ms的采樣在CSMA中稱為“采樣窗口”）。每次定時(shí)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)測緄鬧敵∮諢虻扔minSignal,那么本次采樣不做任何判斷，繼續(xù)下次的采樣。

　?、谌绻恢辈蓸拥阶詈?，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(shí)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(gè)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：最后一次采樣绱礱揮械玫RSSI值，或者最后一次采樣的RSSI值介于noiseLevel和min2Signal之間。此時(shí)就必須使用擴(kuò)展規(guī)則。