無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)CSMA協(xié)議的設(shè)計(jì)

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(lái)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(guò)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(cè)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(guò)大，則noiseLevel初值過(guò)小時(shí)都會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入擴(kuò)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(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(guò)多)。m的值也不能過(guò)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(guò)大量測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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。

3.1　信號(hào)強(qiáng)度閾值的更新機(jī)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(tǒng)計(jì)值，且需要把RSSI值分為兩類： 一類是信道繁忙時(shí)的RSSI，本文稱為busyRSSI；另一類是信道空閑時(shí)的RSSI值，本文稱為noiseRSSI。這兩個(gè)值可以在物理層每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)獲取，因?yàn)镃C2420接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)將在數(shù)據(jù)包的倒數(shù)第二個(gè)字節(jié)(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(shù)據(jù)包后信道一般都是空閑的，所以這時(shí)立即讀取當(dāng)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(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)操作，為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的需要維護(hù)一個(gè)統(tǒng)計(jì)變量avgSignal，用來(lái)統(tǒng)計(jì)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(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即avgSignal = (avgSignal1) + ((avgSignal + busyRSSI)2)。noiseRSSI的值并不需要統(tǒng)計(jì)，這是因?yàn)樽x出noiseRSSI的值很穩(wěn)定幾乎不變。

noiseLevel閾值的更新相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)樵肼曅盘?hào)強(qiáng)度十分穩(wěn)定，因此不必對(duì)noiseRSSI做統(tǒng)計(jì)，每次讀取noiseRSSI后可直接對(duì)noiseLevel進(jìn)行更新。更新規(guī)則也是采用1/4權(quán)重，即noiseLevel = (noiseLevel  1) + ((noiseLevel + noiseRSSI)  2)。

minSignal閾值需要針對(duì)兩種互補(bǔ)的情況來(lái)進(jìn)行更新調(diào)整。第一種情況是一段時(shí)間內(nèi)的采樣結(jié)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(yīng)對(duì)其調(diào)整將其適當(dāng)降低。該情況在監(jiān)測(cè)信道結(jié)果為空閑時(shí)觸發(fā)更新，更新方法是直接利用當(dāng)前的busyRSSI來(lái)更新；只要busyRSSI的值小于當(dāng)前的minSignal值，那么就將busyRSSI的值作為最新的minSignal值。這樣做是因?yàn)樵赽usyRSSI的信號(hào)強(qiáng)度下已經(jīng)能夠接收數(shù)據(jù)了，而busyRSSI又比當(dāng)前的minSignal要小，所以更接近實(shí)際的閾值。

第二種情況是對(duì)第一種情況的補(bǔ)充。在做了第一種情況的修改后，如果長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)到的都是信道繁忙（如載波監(jiān)聽(tīng)?zhēng)状位赝撕蠖挤祷胤泵Γ?那么就可能是minSignal的值設(shè)置得太低,因此要適當(dāng)調(diào)高該值，以避免使用第一種更新方式后由于設(shè)置的minSignal值太低而導(dǎo)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(diào)用更新。更新需要借助統(tǒng)計(jì)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(duì)更新機(jī)制尤為重要。因?yàn)閙inSignal的更新機(jī)制建立的基礎(chǔ)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(cè)試后選擇的一個(gè)信道活動(dòng)最小強(qiáng)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(yīng)該比initBusySignal小才對(duì)。

3.2　信號(hào)強(qiáng)度閾值初始值的選擇

信號(hào)強(qiáng)度閾值的初始值必須根據(jù)實(shí)際測(cè)試岀的大量強(qiáng)度值來(lái)設(shè)定，如果設(shè)置失誤，將導(dǎo)致信道狀態(tài)判斷不準(zhǔn)確。本文假設(shè)兩個(gè)初值分別是initNoiseSignal和initBusySignal。下面給出部分測(cè)試強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，如表1所列。測(cè)試時(shí)使用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，且兩個(gè)節(jié)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(hào)強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)

在雙方節(jié)點(diǎn)能通信的前提下，本文測(cè)到的busyRSSI的最小值為0x54。根據(jù)上一小節(jié)的論述，initBusySignal的值可以略高，但因?yàn)樵撝凳窃陔娏砍渥闱矣凶韪舻那闆r下測(cè)試岀的最小強(qiáng)調(diào)值，因此可以直接取為busyRSSI的最小值，即initBusySignal的值設(shè)置為0x54。對(duì)于initNoiseSignal的取值，從表1可以看出，檢測(cè)到的RSSI值非常穩(wěn)定，信道空閑時(shí)噪聲強(qiáng)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(xiàn)的信道監(jiān)測(cè)機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)

本文實(shí)現(xiàn)的信道監(jiān)測(cè)機(jī)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(guī)則十分完備，不僅有基本判定和擴(kuò)展判定，而且還有閾值更新機(jī)制，進(jìn)一步確保了判定結(jié)果的正確性；靈活是指向調(diào)用方提供了采樣窗口數(shù)的設(shè)置，使得調(diào)用方可以在每次監(jiān)測(cè)時(shí)使用不同的采樣窗口數(shù)，可以被LPL、BMAC等有特殊要求的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議直接調(diào)用。

4　CSMA協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

本文實(shí)現(xiàn)的CAMA協(xié)議是基于使用廣泛的非持續(xù)性CSMA協(xié)議的，即節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前先監(jiān)測(cè)信道，如果監(jiān)測(cè)到信道空閑，則該節(jié)點(diǎn)就自己開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包。反之，如果監(jiān)測(cè)結(jié)果為信道繁忙，即信道已經(jīng)被鄰居節(jié)點(diǎn)占用，則該節(jié)點(diǎn)回退一段隨機(jī)時(shí)間后，再次開(kāi)始監(jiān)測(cè)，重復(fù)上面的操作。

在具體實(shí)現(xiàn)CSMA協(xié)議時(shí)，本文結(jié)合信道監(jiān)測(cè)提供的接口對(duì)協(xié)議做了一些優(yōu)化調(diào)整。另外，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間距離很短，一般忽略傳播延遲,因此具體的實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)的CSMA協(xié)議有些不同，但原理一致，其實(shí)現(xiàn)如下：

如果節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)包，需要先進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)，首先隨機(jī)選擇一個(gè)采樣窗口數(shù)(即信道采樣次數(shù))，該采樣數(shù)屬于某一個(gè)范圍，本文選擇為8～32。采樣數(shù)隨機(jī)選擇的目的是減少?zèng)_突，舉例說(shuō)明：假設(shè)信道目前空閑，A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)都是鄰居節(jié)點(diǎn)，且A、B節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C；A、B兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始監(jiān)測(cè)，如果采樣窗口數(shù)固定，根據(jù)信道監(jiān)測(cè)的規(guī)則，信道空閑必須等到采樣數(shù)用完才能下結(jié)論，那么A、B節(jié)點(diǎn)都在用完所有的采樣數(shù)后得岀信道空閑的結(jié)論，然后都發(fā)送數(shù)據(jù)包，這樣數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)C處就發(fā)生了沖突，最后A、B兩節(jié)點(diǎn)就必須依靠隨機(jī)回退一段時(shí)間后再次監(jiān)測(cè)信道。采用隨機(jī)的采樣窗口數(shù)可以降低上面情況的發(fā)生率。因?yàn)椴蓸哟翱跀?shù)小的節(jié)點(diǎn)（假設(shè)為節(jié)點(diǎn)A）先得出信道空閑的結(jié)論并發(fā)送數(shù)據(jù)包，采樣窗口數(shù)大的節(jié)點(diǎn)B在后面的采樣中發(fā)現(xiàn)信道繁忙(因?yàn)楣?jié)點(diǎn)A已經(jīng)占用了信道)就回退，避免了發(fā)生沖突。