無線傳感器網(wǎng)絡(luò)CSMA協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　CC2420提供一個(gè)讀取RSSI值的命令，開發(fā)者可以調(diào)用該命令來得到當(dāng)前信道的信號(hào)強(qiáng)度值，并通過對(duì)該值的解析來判定當(dāng)前信道是空閑還是繁忙。另外，CC2420在接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，可以自動(dòng)在數(shù)據(jù)包的倒數(shù)第二個(gè)字節(jié)里填充當(dāng)前接收數(shù)據(jù)包時(shí)的RSSI值。這種特性對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度閾值的更新維護(hù)十分有用。

1.2 信道監(jiān)測的設(shè)計(jì)

　　CC2420提供了一項(xiàng)CSMACA的功能，稱為CCA（Clear Channel Assessment,空閑信道評(píng)估）,它使用一個(gè)寄存器來設(shè)置閾值。當(dāng)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(shí)才允許發(fā)送數(shù)據(jù)。CCA雖然實(shí)現(xiàn)了信道監(jiān)測的基本功能，但是也有其自身的缺點(diǎn)： 不夠靈活且開放程度不夠，只能進(jìn)行一次完整的通道監(jiān)測，并不能設(shè)置采樣次數(shù)。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）協(xié)議中，只需要進(jìn)行一次采樣作為偵聽。另外，它的判定機(jī)制并不夠完善，只有一個(gè)閾值，因而開發(fā)者難以找到合適的閾值。

　　本文參照CCA的閾值機(jī)制，設(shè)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(jiān)測工作。本文使用的信道監(jiān)測及判定的基本原理就是： 先設(shè)置兩個(gè)適當(dāng)?shù)男盘?hào)強(qiáng)度閾值，一個(gè)是最小信號(hào)強(qiáng)度minSignal，其含義是信道中有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的最小信號(hào)強(qiáng)度值；另一個(gè)是噪聲強(qiáng)度noiseStrength，其含義是信道空閑時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度值。然后物理層在一段時(shí)間內(nèi)不斷地進(jìn)行RSSI采樣，并把采樣結(jié)果按照某種規(guī)則(在實(shí)現(xiàn)中有具體說明)與閾值進(jìn)行比較，從而得到信道的活動(dòng)狀態(tài)。而且為了更準(zhǔn)確地反映信道狀態(tài)，在不能判斷信道活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，還應(yīng)有擴(kuò)展采樣機(jī)制。

　　另外，這兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)度閾值并不是一直不變的，它們必須根據(jù)信道一段時(shí)期的信號(hào)強(qiáng)度情況來動(dòng)態(tài)更新，因此本文還實(shí)現(xiàn)了一種閾值更新機(jī)制，它能根據(jù)當(dāng)前的信道信號(hào)強(qiáng)度和一些強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)信息來動(dòng)態(tài)地更新閾值。

　　從接口上看，物理層的信道監(jiān)測只是提供給MAC層的CSMA協(xié)議一個(gè)探測信道的接口。為了設(shè)計(jì)一個(gè)靈活的信道探測接口給上層,就必須給上層一些調(diào)整的接口,例如可以讓上層來設(shè)定具體某次監(jiān)測的采樣次數(shù),這樣上層就可以根據(jù)不同的實(shí)際情況來設(shè)定采樣數(shù)。圖2為物理層信道監(jiān)測提供的接口與MAC層CSMA的關(guān)系簡圖。

圖2 信道監(jiān)測接口與CSMA關(guān)系簡圖

2 信道監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

2.1 信道活動(dòng)狀態(tài)判斷的基本規(guī)則

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

　　假設(shè)上層設(shè)定信道采樣窗口數(shù)為N。為了完成連續(xù)的N次采樣，需要使用一個(gè)采樣定時(shí)器。CC2420的RSSI采樣時(shí)間約為128 μs，再加上硬件延遲以及軟件處理延遲時(shí)間，采樣定時(shí)器設(shè)置為1 ms循環(huán)觸發(fā)（這1 ms的采樣在CSMA中稱為“采樣窗口”）。每次定時(shí)器觸發(fā)后，就向CC2420發(fā)送命令讀取當(dāng)前信道的RSSI值，然后采用如下規(guī)則進(jìn)行信道活動(dòng)狀態(tài)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(jié)點(diǎn)使用，即使采樣未滿N次也不再采樣，并立即通知上層協(xié)議信道正被使用。反之如果該次采樣監(jiān)測緄鬧敵∮諢虻扔minSignal，那么本次采樣不做任何判斷，繼續(xù)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(qiáng)度)，那么就判定信道為空閑，并給出修改閾值標(biāo)志，通知上層可以發(fā)送數(shù)據(jù)。注意，只要判定為信道空閑，就要給出更新閾值標(biāo)志，原因?qū)⒃诤竺娴拈撝稻S護(hù)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(shí)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(gè)規(guī)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(jié)論： 最后一次采樣绱礱揮械玫RSSI值，或者最后一次采樣的RSSI值介于noiseLevel和minSignal之間。此時(shí)就必須使用擴(kuò)展規(guī)則。

2.2 信道活動(dòng)狀態(tài)判斷的擴(kuò)展規(guī)則

　　擴(kuò)展規(guī)則是為了處理基本規(guī)則不能解決的問題。擴(kuò)展規(guī)則其實(shí)就是擴(kuò)展m次采樣，在這m次的擴(kuò)展采樣中使用對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展規(guī)則來判定信道狀態(tài)。擴(kuò)展規(guī)則涉及一些統(tǒng)計(jì)的方法，需要維護(hù)一個(gè)extCSVal的統(tǒng)計(jì)變量。擴(kuò)展規(guī)則如下：

① 擴(kuò)展采樣中，判定信道繁忙的規(guī)則與基本規(guī)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(jié)束擴(kuò)展采樣。
② 信道空閑的判定與基本規(guī)則不同，因?yàn)橐呀?jīng)處于擴(kuò)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(shí)給出更新閾值的標(biāo)志。
③ 如果在擴(kuò)展采樣中并沒有出現(xiàn)以上兩種情況，那么就必須要計(jì)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(gè)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(kuò)展采樣得到的介于兩閾值之間的RSSI值賦給extCSVal。如果extCSVal已經(jīng)賦值，而擴(kuò)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）。
④ 如果m次擴(kuò)展采樣，依靠前兩個(gè)規(guī)則仍然不能判斷信道狀態(tài)，且最后一次擴(kuò)展采樣的結(jié)果仍然介于兩者之間，那就使用統(tǒng)計(jì)值extCSVal來輔助判斷。規(guī)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(dāng)擴(kuò)展采樣的最后一次采樣發(fā)生錯(cuò)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(kuò)展下去，所以判斷為信道繁忙以避免出錯(cuò)。

　　通過基本規(guī)則和擴(kuò)展規(guī)則已經(jīng)可以得出一個(gè)準(zhǔn)確性較高的信道活動(dòng)狀態(tài)判定，擴(kuò)展規(guī)則彌補(bǔ)了基本規(guī)則可能會(huì)出現(xiàn)的錯(cuò)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(kuò)展采樣。若閾值初值選擇得不貼切，如mingSignal初值過大，則noiseLevel初值過小時(shí)都會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入擴(kuò)展采樣。

　　這里還需要說明的是m的取值。本文中采樣定時(shí)器設(shè)置為1 ms，即1 ms采樣一次。擴(kuò)展采樣次數(shù)m取值越大，準(zhǔn)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)間過多)。m的值也不能過小，不然extCSVal統(tǒng)計(jì)值就不能發(fā)揮其作用。由于本文使用的初始閾值是經(jīng)過大量測試確定的精確值(參照信號(hào)強(qiáng)度閾值初值的選擇)，因此使用該初始閾值進(jìn)行的測試結(jié)果顯示： 只有極少情況進(jìn)入擴(kuò)展采樣（約5 000次監(jiān)測進(jìn)入一次擴(kuò)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(shè)定，那么可將m值放大。

3 信號(hào)強(qiáng)度閾值的選擇和更新維護(hù)

　　從信道監(jiān)測的基本規(guī)則和擴(kuò)展規(guī)則可以看出，信號(hào)強(qiáng)度的兩個(gè)閾值對(duì)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(jù)當(dāng)前信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)更新閾值的機(jī)制。