一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )CSMA協(xié)議的設計與實(shí)現

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)IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4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2.4 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（Receive Signal Strength Indicator，接收信號強度指示器）信息。

圖1　CC2420功能結構圖

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。

1.2　信道監測的設計

CC2420提供了一項CSMACA的功能，稱(chēng)為CCA（Clear Channel Assessment,空閑信道評估）,它使用一個(gè)寄存器來(lái)設置閾值。當CC2420收到CCA命令后，就開(kāi)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)送數據。CCA雖然實(shí)現了信道監測的基本功能，但是也有其自身的缺點(diǎn)： 不夠靈活且開(kāi)放程度不夠，只能進(jìn)行一次完整的通道監測，并不能設置采樣次數。這就限制了它在其他協(xié)議中的使用，例如在LPL（Low Power Listening，低功耗偵聽(tīng)）協(xié)議中，只需要進(jìn)行一次采樣作為偵聽(tīng)。另外，它的判定機制并不夠完善，只有一個(gè)閾值，因而開(kāi)發(fā)者難以找到合適的閾值。