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

本文參照CCA的閾值機制，設置上下閾值并利用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： 先設置兩個適當?shù)男盘枏姸乳撝?，一個是最小信號強度minSignal，其含義是信道中有數(shù)據(jù)發(fā)送時的最小信號強度值；另一個是噪聲強度noiseStrength，其含義是信道空閑時的信號強度值。然后物理層在一段時間內(nèi)不斷地進行RSSI采樣，并把采樣結果按照某種規(guī)則(在實現(xiàn)中有具體說明)與閾值進行比較，從而得到信道的活動狀態(tài)。而且為了更準確地反映信道狀態(tài)，在不能判斷信道活動狀態(tài)時，還應有擴展采樣機制。

另外，這兩個信號強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度情況來動態(tài)更新，因此本文還實現(xiàn)了一種閾值更新機制，它能根據(jù)當前的信道信號強度和一些強度統(tǒng)計信息來動態(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。為了設計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)不同的實際情況來設定采樣數(shù)。圖2為物理層信道監(jiān)測提供的接口與MAC層CSMA的關系簡圖。

圖2　信道監(jiān)測接口與CSMA關系簡圖

2　信道監(jiān)測的實現(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，因此轉換后的值都是為正的，后面提到的RSSI值指的都是轉換后的值。

假設上層設定信道采樣窗口數(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)送命令讀取當前信道的RSSI值，然后采用如下規(guī)則進行信道活動狀態(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(噪聲強度)，那么就判定信道為空閑，并給出修改閾值標志，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志，原因將在后面的閾值維護中說明。

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。此時就必須使用擴展規(guī)則。

2.2　信道活動狀態(tài)判斷的擴展規(guī)則

擴展規(guī)則是為了處理基本規(guī)則不能解決的問題。擴展規(guī)則其實就是擴展m次采樣，在這m次的擴展采樣中使用對應的擴展規(guī)則來判定信道狀態(tài)。擴展規(guī)則涉及一些統(tǒng)計的方法，需要維護一個extCSVal的統(tǒng)計變量。擴展規(guī)則如下：

① 擴展采樣中，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，然后結束擴展采樣。

② 信道空閑的判定與基本規(guī)則不同，因為已經(jīng)處于擴展采樣，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志。

③ 如果在擴展采樣中并沒有出現(xiàn)以上兩種情況，那么就必須要計算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）。

④ 如果m次擴展采樣，依靠前兩個規(guī)則仍然不能判斷信道狀態(tài)，且最后一次擴展采樣的結果仍然介于兩者之間，那就使用統(tǒng)計值extCSVal來輔助判斷。規(guī)則如下：如果extCSVal> = ((minSignal + noiseLevel)1)，那么就判定信道忙；反之，則判定信道空閑。

⑤ 最后是最壞的一種情況：當擴展采樣的最后一次采樣發(fā)生錯誤，讀取RSSI值失敗時，并不知道信道的實際狀況，但也不能一直擴展下去，所以判斷為信道繁忙以避免出錯。