無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )CSMA協(xié)議的設計與實(shí)現

3.1 信號強度閾值的更新機制

　　閾值的動(dòng)態(tài)更新必須使用大量的實(shí)時(shí)RSSI值作為統計值，且需要把RSSI值分為兩類(lèi)： 一類(lèi)是信道繁忙時(shí)的RSSI，本文稱(chēng)為busyRSSI；另一類(lèi)是信道空閑時(shí)的RSSI值，本文稱(chēng)為noiseRSSI。這兩個(gè)值可以在物理層每接收到一個(gè)數據包時(shí)獲取，因為CC2420接收到一個(gè)數據包時(shí)將在數據包的倒數第二個(gè)字節(FCS域)自動(dòng)填充接收時(shí)的RSSI值，因此busyRSSI值就無(wú)條件地得到了；而在剛接收完數據包后信道一般都是空閑的，所以這時(shí)立即讀取當前的RSSI值，就可以得到noiseRSSI值。為避免例外，可將得到的noiseRSSI值與minSignal進(jìn)行比較，如果大于等于minSignal就丟棄。

　　在獲得busyRSSI和noiseRSSI后就對其進(jìn)行統計操作，為實(shí)現這個(gè)目的需要維護一個(gè)統計變量avgSignal，用來(lái)統計所有的busyRSSI值。avgSignal的初值等于minSignal的初值即初始閾值，并按1/4的權重進(jìn)行統計，即avgSignal = (avgSignal?1) + ((avgSignal + busyRSSI)?2)。noiseRSSI的值并不需要統計，這是因為讀出noiseRSSI的值很穩定幾乎不變。

　　noiseLevel閾值的更新相對簡(jiǎn)單，因為噪聲信號強度十分穩定，因此不必對noiseRSSI做統計，每次讀取noiseRSSI后可直接對noiseLevel進(jìn)行更新。更新規則也是采用1/4權重，即noiseLevel = (noiseLevel ? 1) + ((noiseLevel + noiseRSSI) ? 2)。

　　minSignal閾值需要針對兩種互補的情況來(lái)進(jìn)行更新調整。第一種情況是一段時(shí)間內的采樣結果全是信道空閑，說(shuō)明所有的采樣值都小于minSignal，因此有可能minSignal的值過(guò)高，應對其調整將其適當降低。該情況在監測信道結果為空閑時(shí)觸發(fā)更新，更新方法是直接利用當前的busyRSSI來(lái)更新；只要busyRSSI的值小于當前的minSignal值，那么就將busyRSSI的值作為最新的minSignal值。這樣做是因為在busyRSSI的信號強度下已經(jīng)能夠接收數據了，而busyRSSI又比當前的minSignal要小，所以更接近實(shí)際的閾值。

　　第二種情況是對第一種情況的補充。在做了第一種情況的修改后，如果長(cháng)時(shí)間內監測到的都是信道繁忙（如載波監聽(tīng)幾次回退后都返回繁忙）,那么就可能是minSignal的值設置得太低,因此要適當調高該值，以避免使用第一種更新方式后由于設置的minSignal值太低而導致不能使用信道的情況。該情況提供一個(gè)接口由上層(MAC層)來(lái)調用更新。更新需要借助統計量avgSignal，更新的偽代碼如下（其中initBusySingal指的是minSignal的最初值）：

//如果minSignal大于或等于初值，就說(shuō)明沒(méi)有進(jìn)行第一種
//更新，所以沒(méi)有進(jìn)行第二種更新的必要
if (minSignal initBusySignal){
//更合理地提高minSignal值，不能一下將minSignal大幅度提
//高，且要保證更新后minSignal比initBusySignal小
　　if (avgSignal initBusySignal){
　　　　minSignal = (minSignal + avgSignal) ? 1;
　　}
　　else{
　　　　minSignal = (minSignal + initBusySignal) ? 1;
　　}
}

　　initBusySignal的選擇將在后面介紹，它的選擇對更新機制尤為重要。因為minSignal的更新機制建立的基礎就是initBusySignal非常接近實(shí)際臨界值。initBusySignal本身也是經(jīng)過(guò)大量測試后選擇的一個(gè)信道活動(dòng)最小強度值，而它肯定會(huì )大于(最小等于)實(shí)際的臨界值，所以minSignal更新后應該比initBusySignal小才對。

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initBusySignal。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10 cm厚的墻。

表1 信號強度測試數據

　　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initNoiseSignal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、BMAC等有特殊要求的基于競爭的MAC協(xié)議直接調用。

4CSMA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250 kb/s，即發(fā)送一個(gè)字節的時(shí)間為32 μs，因此發(fā)送一個(gè)最大數據包的時(shí)間為133×32＝4 256 μs。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4.5 ms，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minSignal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。

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。