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

④ 如果m次擴展采樣，依靠前兩個(gè)規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，那就使用統計值extCSVal來(lái)輔助判斷。規則如下：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(shí)，并不知道信道的實(shí)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。

通過(guò)基本規則和擴展規則已經(jīng)可以得出一個(gè)準確性較高的信道活動(dòng)狀態(tài)判定，擴展規則彌補了基本規則可能會(huì )出現的錯誤。在實(shí)際的測試中，如果兩個(gè)閾值的初值選擇得很合適，那么一般并不會(huì )進(jìn)入擴展采樣。若閾值初值選擇得不貼切，如mingSignal初值過(guò)大，則noiseLevel初值過(guò)小時(shí)都會(huì )導致進(jìn)入擴展采樣。

這里還需要說(shuō)明的是m的取值。本文中采樣定時(shí)器設置為1 ms，即1 ms采樣一次。擴展采樣次數m取值越大，準確性自然就越高，但是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能有所下降(花去的額外時(shí)間過(guò)多)。m的值也不能過(guò)小，不然extCSVal統計值就不能發(fā)揮其作用。由于本文使用的初始閾值是經(jīng)過(guò)大量測試確定的精確值(參照信號強度閾值初值的選擇)，因此使用該初始閾值進(jìn)行的測試結果顯示： 只有極少情況進(jìn)入擴展采樣（約5 000次監測進(jìn)入一次擴展采樣）。鑒于這種實(shí)際情況，m的取值不需要很大，本文取其值為3。如果初始閾值不能精確設定，那么可將m值放大。

3　信號強度閾值的選擇和更新維護

從信道監測的基本規則和擴展規則可以看出，信號強度的兩個(gè)閾值對信道狀態(tài)的判定十分重要，因此這兩個(gè)閾值的初始值選擇必須十分慎重；而且必須要根據當前信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)更新閾值的機制。

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)際測試岀的大量強度值來(lái)設定，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岀的最小強調值，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。

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岀信道空閑的結論，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。