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

　　3.2　信號強度閾值初始值的選擇

　　信號強度閾值的初始值必須根據實(shí)際測試緄拇罅殼慷戎道瓷瓚ǎ如果設置失誤，將導致信道狀態(tài)判斷不準確。本文假設兩個(gè)初值分別是initNoiseSignal和init2BusySignal。下面給出部分測試強度的數據，如表1所列。

　　測試時(shí)使用兩個(gè)節點(diǎn)，且兩個(gè)節點(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。

　　在雙方節點(diǎn)能通信的前提下，本文測到的busyRSSI的最小值為0x54。根據上一小節的論述，initBusySignal的值可以略高，但因為該值是在電量充足且有阻隔的情況下測試緄淖钚∏康髦擔因此可以直接取為busyRSSI的最小值，即initBusySignal的值設置為0x54。對于init2NoiseSignal的取值，從表1可以看出，檢測到的RSSI值非常穩定，信道空閑時(shí)噪聲強度幅度不大，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)現的信道監測機制的優(yōu)點(diǎn)

　　本文實(shí)現的信道監測機制比較完善且十分靈活。完善是指信道活動(dòng)狀態(tài)判定規則十分完備，不僅有基本判定和擴展判定，而且還有閾值更新機制，進(jìn)一步確保了判定結果的正確性；靈活是指向調用方提供了采樣窗口數的設置，使得調用方可以在每次監測時(shí)使用不同的采樣窗口數，可以被LPL、B2MAC等有特殊要求的基于競爭的MAC協(xié)議直接調用。

　　4　CSMA協(xié)議的實(shí)現

　　本文實(shí)現的CAMA協(xié)議是基于使用廣泛的非持續性CSMA協(xié)議的，即節點(diǎn)在發(fā)送數據包之前先監測信道，如果監測到信道空閑，則該節點(diǎn)就自己開(kāi)始發(fā)送數據包。反之，如果監測結果為信道繁忙，即信道已經(jīng)被鄰居節點(diǎn)占用，則該節點(diǎn)回退一段隨機時(shí)間后，再次開(kāi)始監測，重復上面的操作。

　　在具體實(shí)現CSMA協(xié)議時(shí)，本文結合信道監測提供的接口對協(xié)議做了一些優(yōu)化調整。另外，由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)間距離很短，一般忽略傳播延遲，因此具體的實(shí)現與標準的CSMA協(xié)議有些不同，但原理一致，其實(shí)現如下：

　　如果節點(diǎn)要發(fā)送數據包，需要先進(jìn)行載波監聽(tīng)，首先隨機選擇一個(gè)采樣窗口數（即信道采樣次數），該采樣數屬于某一個(gè)范圍，本文選擇為8～32。采樣數隨機選擇的目的是減少沖突，舉例說(shuō)明：假設信道目前空閑，A、B、C三個(gè)節點(diǎn)都是鄰居節點(diǎn)，且A、B節點(diǎn)有數據包要發(fā)送給節點(diǎn)C;A、B兩個(gè)鄰居節點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始監測，如果采樣窗口數固定，根據信道監測的規則，信道空閑必須等到采樣數用完才能下結論，那么A、B節點(diǎn)都在用完所有的采樣數后得縲諾攬障械慕崧郟然后都發(fā)送數據包，這樣數據在節點(diǎn)C處就發(fā)生了沖突，最后A、B兩節點(diǎn)就必須依靠隨機回退一段時(shí)間后再次監測信道。采用隨機的采樣窗口數可以降低上面情況的發(fā)生率。因為采樣窗口數小的節點(diǎn)（假設為節點(diǎn)A）先得出信道空閑的結論并發(fā)送數據包，采樣窗口數大的節點(diǎn)B在后面的采樣中發(fā)現信道繁忙（因為節點(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。CC2420是以數據包為單位發(fā)送的射頻芯片，其最大數據包的長(cháng)度為128字節，加上同步頭5字節，總共是133字節。

　　CC2420的發(fā)送速率是250kb/s,即發(fā)送一個(gè)字節的時(shí)間為32μs,因此發(fā)送一個(gè)最大數據包的時(shí)間為133×32=4256μs。根據信道采樣規則，只要一采樣到信道占用，就可以結束本次監測并得出信道繁忙的結論，因此回退時(shí)間應該要大于數據包的發(fā)送時(shí)間。又因為采樣窗口數已經(jīng)采用了隨機選取，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)現只需要一個(gè)定時(shí)器輔助就可以了。

　　最后，要處理信道強度閾值更新的問(wèn)題。如果MAC層連續對信道監測的結果都是繁忙，且累計超過(guò)一個(gè)預設的閾值Y,就必須要調用MAC層提供的接口來(lái)對minSig2nal閾值進(jìn)行更新，參照上節信號強度閾值的更新機制。

　　根據實(shí)際的測試分析，Y的取值一般為30～60。

　　5 結語(yǔ)

　　本文靈活利用CC2420射頻芯片的特點(diǎn)，設計并實(shí)現了一整套從物理層到MAC層的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )CSMA協(xié)議的實(shí)現；并詳細闡述了協(xié)議中信道監測使用的所有判定規則及各關(guān)鍵閾值參數的選擇。經(jīng)過(guò)實(shí)際的多節點(diǎn)通信測試，該CSMA協(xié)議可以正確、穩定地進(jìn)行信道活動(dòng)監測，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調整閾值；并且該CSMA協(xié)議的設計可以完全嵌入應用到其他MAC層協(xié)議中，輔助其他協(xié)議完成信道競爭或信道檢測。

　CSMA協(xié)議是網(wǎng)絡(luò )中運用得最為廣泛的競爭協(xié)議，因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的MAC層大多使用CSMA機制來(lái)提供競爭信道的功能。隨著(zhù)IEEE802.15.4標準的制定，各射頻芯片廠(chǎng)家也紛紛推出了性能更好、功能更強的射頻芯片。TI公司（原Chipcon）推出CC2420來(lái)替代原來(lái)無(wú)線(xiàn)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)議達到更好的性能，根據射頻芯片的具體特性來(lái)重新優(yōu)化設計CSMA機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)驗平臺，充分利用CC2420部分IEEE802.15.4協(xié)議MAC封裝的特性，設計并實(shí)現了一個(gè)全新的、靈活的CSMA協(xié)議。

　　1　信道監測的設計

　　實(shí)現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2.4GHz射頻芯片，其硬件封裝支持部分IEEE802.15.4的MAC層協(xié)議規定。

　　CC2420的功能結構如圖1所示，CC2420的數字接口具有自動(dòng)CRC校驗、自動(dòng)加密的功能，并維護兩個(gè)緩沖區（一個(gè)接收FIFO,一個(gè)發(fā)送FIFO）。數字接口通過(guò)SPI通信接口與微處理器相連。CC2420是以數據包為單位的射頻芯片，即必須從微處理器收滿(mǎn)一個(gè)數據包，才會(huì )發(fā)送該數據包。

　　數字接口收滿(mǎn)一整包后，自動(dòng)添加CRC校驗，并送入調制模塊進(jìn)行數據調制和整形，最后發(fā)送出去。當監測到信道有數據時(shí)，將數據經(jīng)過(guò)模/數轉換后送入數字解調器中進(jìn)行幀同步；如果同步就將數據填入接收緩沖區中，最后填充當前信道內的RSSI（ReceiveSignalStrengthIn2dicator,接收信號強度指示器）信息。

　　CC2420提供一個(gè)讀取RSSI值的命令，開(kāi)發(fā)者可以調用該命令來(lái)得到當前信道的信號強度值，并通過(guò)對該值的解析來(lái)判定當前信道是空閑還是繁忙。另外，CC2420在接收到數據包時(shí)，可以自動(dòng)在數據包的倒數第二個(gè)字節里填充當前接收數據包時(shí)的RSSI值。這種特性對于信號強度閾值的更新維護十分有用。