無線傳感器網絡CSMA協議的設計

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IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4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2.4 GHz射頻芯片，其硬件封裝支持部分IEEE 802.15.4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（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。

1.2　信道監測的設計

CC2420提供了一項CSMACA的功能，稱為CCA（Clear Channel Assessment,空閑信道評估）,它使用一個寄存器來設置閾值。當CC2420收到CCA命令后，就開始采樣RSSI值，只有采樣到的RSSI值小于寄存器中的閾值時才允許發送數據。CCA雖然實現了信道監測的基本功能，但是也有其自身的缺點： 不夠靈活且開放程度不夠，只能進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議中的使用，例如在LPL（Low Power Listening，低功耗偵聽）協議中，只需要進行一次采樣作為偵聽。另外，它的判定機制并不夠完善，只有一個閾值，因而開發者難以找到合適的閾值。

本文參照CCA的閾值機制，設置上下閾值并利用CC2420讀取RSSI采樣值的命令，用軟件來完成信道監測工作。本文使用的信道監測及判定的基本原理就是： 先設置兩個適當的信號強度閾值，一個是最小信號強度minSignal，其含義是信道中有數據發送時的最小信號強度值；另一個是噪聲強度noiseStrength，其含義是信道空閑時的信號強度值。然后物理層在一段時間內不斷地進行RSSI采樣，并把采樣結果按照某種規則(在實現中有具體說明)與閾值進行比較，從而得到信道的活動狀態。而且為了更準確地反映信道狀態，在不能判斷信道活動狀態時，還應有擴展采樣機制。

另外，這兩個信號強度閾值并不是一直不變的，它們必須根據信道一段時期的信號強度情況來動態更新，因此本文還實現了一種閾值更新機制，它能根據當前的信道信號強度和一些強度統計信息來動態地更新閾值。

從接口上看，物理層的信道監測只是提供給MAC層的CSMA協議一個探測信道的接口。為了設計一個靈活的信道探測接口給上層,就必須給上層一些調整的接口,例如可以讓上層來設定具體某次監測的采樣次數,這樣上層就可以根據不同的實際情況來設定采樣數。圖2為物理層信道監測提供的接口與MAC層CSMA的關系簡圖。

圖2　信道監測接口與CSMA關系簡圖

2　信道監測的實現

2.1　信道活動狀態判斷的基本規則

采樣得到的RSSI值是一個有符號的振幅值,它只有一個字節。這樣的值并不利于分析，所以統一將其值上升128，即對讀出的RSSI值統一加上128，因此轉換后的值都是為正的，后面提到的RSSI值指的都是轉換后的值。

假設上層設定信道采樣窗口數為N。為了完成連續的N次采樣，需要使用一個采樣定時器。CC2420的RSSI采樣時間約為128 μs，再加上硬件延遲以及軟件處理延遲時間，采樣定時器設置為1 ms循環觸發（這1 ms的采樣在CSMA中稱為“采樣窗口”）。每次定時器觸發后，就向CC2420發送命令讀取當前信道的RSSI值，然后采用如下規則進行信道活動狀態判斷：

① 如果采樣到的RSSI值大于等于閾值minSignal，那么就判定信道正被其他節點使用，即使采樣未滿N次也不再采樣，并立即通知上層協議信道正被使用。反之如果該次采樣監測岀的值小于或等于minSignal，那么本次采樣不做任何判斷，繼續下次的采樣。

② 如果一直采樣到最后，且最后一次的RSSI值小于noiseLevel(噪聲強度)，那么就判定信道為空閑，并給出修改閾值標志，通知上層可以發送數據。注意，只要判定為信道空閑，就要給出更新閾值標志，原因將在后面的閾值維護中說明。

如上所述，只要采樣值大于等于minSignal，就判定信道是繁忙的，而判定信道空閑時卻要求所有的采樣都小于minSignal，且最后一次的采樣值要小于noiseLevel。然而上面兩個規則并不完善，并不能處理任何情況，以下兩種情況就不能得出結論： 最后一次采樣岀錯沒有得到RSSI值，或者最后一次采樣的RSSI值介于noiseLevel和minSignal之間。此時就必須使用擴展規則。

2.2　信道活動狀態判斷的擴展規則

擴展規則是為了處理基本規則不能解決的問題。擴展規則其實就是擴展m次采樣，在這m次的擴展采樣中使用對應的擴展規則來判定信道狀態。擴展規則涉及一些統計的方法，需要維護一個extCSVal的統計變量。擴展規則如下：

① 擴展采樣中，判定信道繁忙的規則與基本規則一樣。只要檢查到采樣RSSI值大于等于minSignal，就判定為信道忙，然后結束擴展采樣。

② 信道空閑的判定與基本規則不同，因為已經處于擴展采樣，所以只要檢查到采樣RSSI值小于noiseLevel，就可判定信道為空閑，同時給出更新閾值的標志。

③ 如果在擴展采樣中并沒有出現以上兩種情況，那么就必須要計算extCSVal來做判斷。先說明賦給extCSVal的初值，如果最后一次基本采樣的RSSI值介于兩閾值之間，那么直接將這個RSSI值賦給extCSVal；如果最后一次基本采樣讀取RSSI失敗，那么將第一次擴展采樣得到的介于兩閾值之間的RSSI值賦給extCSVal。如果extCSVal已經賦值，而擴展采樣中又得到了介于兩閾值之間的RSSI值，那么更新extCSVal值：extCSVal = (extCSVal + RSSI)1（即取平均值）。