CSMA協議在無線傳感器網絡中的實現

　　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，將導致信道狀態判斷不準確。本文假設兩個初值分別是initNoiseSignal和init2BusySignal。下面給出部分測試強度的數據，如表1所列。

　　測試時使用兩個節點，且兩個節點都是使用新電池（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　本文實現的信道監測機制的優點

　　本文實現的信道監測機制比較完善且十分靈活。完善是指信道活動狀態判定規則十分完備，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協議直接調用。

　　4　CSMA協議的實現

　　本文實現的CAMA協議是基于使用廣泛的非持續性CSMA協議的，即節點在發送數據包之前先監測信道，如果監測到信道空閑，則該節點就自己開始發送數據包。反之，如果監測結果為信道繁忙，即信道已經被鄰居節點占用，則該節點回退一段隨機時間后，再次開始監測，重復上面的操作。

　　在具體實現CSMA協議時，本文結合信道監測提供的接口對協議做了一些優化調整。另外，由于無線傳感器網絡中節點間距離很短，一般忽略傳播延遲，因此具體的實現與標準的CSMA協議有些不同，但原理一致，其實現如下：

　　如果節點要發送數據包，需要先進行載波監聽，首先隨機選擇一個采樣窗口數（即信道采樣次數），該采樣數屬于某一個范圍，本文選擇為8～32。采樣數隨機選擇的目的是減少沖突，舉例說明：假設信道目前空閑，A、B、C三個節點都是鄰居節點，且A、B節點有數據包要發送給節點C;A、B兩個鄰居節點同時開始監測，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節點都在用完所有的采樣數后得縲諾攬障械慕崧郟然后都發送數據包，這樣數據在節點C處就發生了沖突，最后A、B兩節點就必須依靠隨機回退一段時間后再次監測信道。采用隨機的采樣窗口數可以降低上面情況的發生率。因為采樣窗口數小的節點（假設為節點A）先得出信道空閑的結論并發送數據包，采樣窗口數大的節點B在后面的采樣中發現信道繁忙（因為節點A已經占用了信道）就回退，避免了發生沖突。

　　回退時間的選擇也是值得推敲的一個參數。CC2420是以數據包為單位發送的射頻芯片，其最大數據包的長度為128字節，加上同步頭5字節，總共是133字節。

　　CC2420的發送速率是250kb/s,即發送一個字節的時間為32μs,因此發送一個最大數據包的時間為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，因此回退時間應該要大于數據包的發送時間。又因為采樣窗口數已經采用了隨機選取，所以回退時間可以使用固定值。因此可以將回退時間固定為4.5ms,回退功能的具體實現只需要一個定時器輔助就可以了。

　　最后，要處理信道強度閾值更新的問題。如果MAC層連續對信道監測的結果都是繁忙，且累計超過一個預設的閾值Y,就必須要調用MAC層提供的接口來對minSig2nal閾值進行更新，參照上節信號強度閾值的更新機制。

　　根據實際的測試分析，Y的取值一般為30～60。

　　5 結語

　　本文靈活利用CC2420射頻芯片的特點，設計并實現了一整套從物理層到MAC層的無線傳感器網絡CSMA協議的實現；并詳細闡述了協議中信道監測使用的所有判定規則及各關鍵閾值參數的選擇。經過實際的多節點通信測試，該CSMA協議可以正確、穩定地進行信道活動監測，并實時動態地調整閾值；并且該CSMA協議的設計可以完全嵌入應用到其他MAC層協議中，輔助其他協議完成信道競爭或信道檢測。

　CSMA協議是網絡中運用得最為廣泛的競爭協議，因此無線傳感器網絡的MAC層大多使用CSMA機制來提供競爭信道的功能。隨著IEEE802.15.4標準的制定，各射頻芯片廠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來替代原來無線傳感器網絡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協議達到更好的性能，根據射頻芯片的具體特性來重新優化設計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驗平臺，充分利用CC2420部分IEEE802.15.4協議MAC封裝的特性，設計并實現了一個全新的、靈活的CSMA協議。

　　1　信道監測的設計

　　實現CSMA協議的最基本的條件就是物理層必須提供可靠、實用的信道監測手段，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層協議規定。

　　CC2420的功能結構如圖1所示，CC2420的數字接口具有自動CRC校驗、自動加密的功能，并維護兩個緩沖區（一個接收FIFO,一個發送FIFO）。數字接口通過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一個數據包，才會發送該數據包。

　　數字接口收滿一整包后，自動添加CRC校驗，并送入調制模塊進行數據調制和整形，最后發送出去。當監測到信道有數據時，將數據經過模/數轉換后送入數字解調器中進行幀同步；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提供一個讀取RSSI值的命令，開發者可以調用該命令來得到當前信道的信號強度值，并通過對該值的解析來判定當前信道是空閑還是繁忙。另外，CC2420在接收到數據包時，可以自動在數據包的倒數第二個字節里填充當前接收數據包時的RSSI值。這種特性對于信號強度閾值的更新維護十分有用。