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

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

CSMA協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)信道競爭機(jī)制的協(xié)議，正逐漸應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。本文深入研究了射頻芯片CC2420的各種特性，針對其特性設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完善的CSMA機(jī)制，包括物理層信道信號強(qiáng)度采樣、強(qiáng)度閾值的動(dòng)態(tài)更新以及MAC層的CSMA機(jī)制；詳細(xì)闡述了信道監(jiān)測中使用的判定規(guī)則、各關(guān)鍵閾值參數(shù)的選擇，以及對CSMA機(jī)制的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞 CSMA IEEE 802.15.4 CC2420 信號強(qiáng)度采樣 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　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(gè)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(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)測到信道有數(shù)據(jù)時(shí)，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