CSMA协议在无线传感器网络中的实现

　　本文灵活利用CC2420射频芯片的特点，设计并实现了一整套从物理层到MAC层的无线传感器网络CSMA协议的实现；并详细阐述了协议中信道监测使用的所有判定规则及各关键阈值参数的选择。经过实际的多节点通信测试，该CSMA协议可以正确、稳定地进行信道活动监测，并实时动态地调整阈值；并且该CSMA协议的设计可以完全嵌入应用到其他MAC层协议中，辅助其他协议完成信道竞争或信道检测。

　　这里还需要说明的是m的取值。本文中采样定时器设置为1ms,即1ms采样一次。扩展采样次数m取值越大，准确性自然就越高，但是整个网络性能有所下降（花去的额外时间过多）。m的值也不能过小，不然extCSVal统计值就不能发挥其作用。由于本文使用的初始阈值是经过大量测试确定的精确值（参照信号强度阈值初值的选择），因此使用该初始阈值进行的测试结果显示：只有极少情况进入扩展采样（约5000次监测进入一次扩展采样）。鉴于这种实际情况，m的取值不需要很大，本文取其值为3。如果初始阈值不能精确设定，那么可将m值放大。

　　3　信号强度阈值的选择和更新维护

　　从信道监测的基本规则和扩展规则可以看出，信号强度的两个阈值对信道状态的判定十分重要，因此这两个阈值的初始值选择必须十分慎重；而且必须要根据当前信道状态动态更新阈值的机制。

　　3.1　信号强度阈值的更新机制

　　阈值的动态更新必须使用大量的实时RSSI值作为统计值，且需要把RSSI值分为两类：一类是信道繁忙时的RSSI,本文称为busyRSSI;另一类是信道空闲时的RS2SI值，本文称为noiseRSSI。这两个值可以在物理层每接收到一个数据包时获取，因为CC2420接收到一个数据包时将在数据包的倒数第二个字节（FCS域）自动填充接收时的RSSI值，因此busyRSSI值就无条件地得到了；而在刚接收完数据包后信道一般都是空闲的，所以这时立即读取当前的RSSI值，就可以得到noiseRSSI值。为避免例外，可将得到的noiseRSSI值与minSignal进行比较，如果大于等于minSignal就丢弃。

　　在获得busyRSSI和noiseRSSI后就对其进行统计操作，为实现这个目的需要维护一个统计变量avgSignal,用来统计所有的busyRSSI值。avgSignal的初值等于min2Signal的初值即初始阈值，并按1/4的权重进行统计，即avgSignal=（avgSignalm1）+（（avgSignal+busyRSSI）m2）。noiseRSSI的值并不需要统计，这是因为读出nois2eRSSI的值很稳定几乎不变。

　　noiseLevel阈值的更新相对简单，因为噪声信号强度十分稳定，因此不必对noiseRSSI做统计，每次读取noise2RSSI后可直接对noiseLevel进行更新。更新规则也是采用1/4权重，即noiseLevel=（noiseLevelm1）+（（noiseLevel+noiseRSSI）m2）。

　　minSignal阈值需要针对两种互补的情况来进行更新调整。第一种情况是一段时间内的采样结果全是信道空闲，说明所有的采样值都小于minSignal,因此有可能min2Signal的值过高，应对其调整将其适当降低。该情况在监测信道结果为空闲时触发更新，更新方法是直接利用当前的busyRSSI来更新；只要busyRSSI的值小于当前的minSignal值，那么就将busyRSSI的值作为最新的min2Signal值。这样做是因为在busyRSSI的信号强度下已经能够接收数据了，而busyRSSI又比当前的minSignal要小，所以更接近实际的阈值。

　　第二种情况是对第一种情况的补充。在做了第一种情况的修改后，如果长时间内监测到的都是信道繁忙（如载波监听几次回退后都返回繁忙），那么就可能是minSig2nal的值设置得太低，因此要适当调高该值，以避免使用第一种更新方式后由于设置的minSignal值太低而导致不能使用信道的情况。该情况提供一个接口由上层（MAC层）来调用更新。更新需要借助统计量avgSignal,更新的伪代码如下（其中initBusySingal指的是minSignal的最初值）：

　　initBusySignal的选择将在后面介绍，它的选择对更新机制尤为重要。因为minSignal的更新机制建立的基础就是initBusySignal非常接近实际临界值。initBusySignal本身也是经过大量测试后选择的一个信道活动最小强度值，而它肯定会大于（最小等于）实际的临界值，所以min2Signal更新后应该比initBusySignal小才对。[page]

　　3.2　信号强度阈值初始值的选择

　　信号强度阈值的初始值必须根据实际测试岀的大量强度值来设定，如果设置失误，将导致信道状态判断不准确。本文假设两个初值分别是initNoiseSignal和init2BusySignal。下面给出部分测试强度的数据，如表1所列。

　　测试时使用两个节点，且两个节点都是使用新电池（即电源充沛）。表中，“阻隔”指的是一堵大约10cm厚的墙。

　　在双方节点能通信的前提下，本文测到的busyRSSI的最小值为0x54。根据上一小节的论述，initBusySignal的值可以略高，但因为该值是在电量充足且有阻隔的情况下测试岀的最小强调值，因此可以直接取为busyRSSI的最小值，即initBusySignal的值设置为0x54。对于init2NoiseSignal的取值，从表1可以看出，检测到的RSSI值非常稳定，信道空闲时噪声强度幅度不大，因此取值比0x4D略大就可以了。本文中initNoiseSignal取值为0x4E。

　　3.3　本文实现的信道监测机制的优点

　　本文实现的信道监测机制比较完善且十分灵活。完善是指信道活动状态判定规则十分完备，不仅有基本判定和扩展判定，而且还有阈值更新机制，进一步确保了判定结果的正确性；灵活是指向调用方提供了采样窗口数的设置，使得调用方可以在每次监测时使用不同的采样窗口数，可以被LPL、B2MAC等有特殊要求的基于竞争的MAC协议直接调用。

　　4　CSMA协议的实现

　　本文实现的CAMA协议是基于使用广泛的非持续性CSMA协议的，即节点在发送数据包之前先监测信道，如果监测到信道空闲，则该节点就自己开始发送数据包。反之，如果监测结果为信道繁忙，即信道已经被邻居节点占用，则该节点回退一段随机时间后，再次开始监测，重复上面的操作。

　　在具体实现CSMA协议时，本文结合信道监测提供的接口对协议做了一些优化调整。另外，由于无线传感器网络中节点间距离很短，一般忽略传播延迟，因此具体的实现与标准的CSMA协议有些不同，但原理一致，其实现如下：

　　如果节点要发送数据包，需要先进行载波监听，首先随机选择一个采样窗口数（即信道采样次数），该采样数属于某一个范围，本文选择为8～32。采样数随机选择的目的是减少冲突，举例说明：假设信道目前空闲，A、B、C三个节点都是邻居节点，且A、B节点有数据包要发送给节点C;A、B两个邻居节点同时开始监测，如果采样窗口数固定，根据信道监测的规则，信道空闲必须等到采样数用完才能下结论，那么A、B节点都在用完所有的采样数后得岀信道空闲的结论，然后都发送数据包，这样数据在节点C处就发生了冲突，最后A、B两节点就必须依靠随机回退一段时间后再次监测信道。采用随机的采样窗口数可以降低上面情况的发生率。因为采样窗口数小的节点（假设为节点A）先得出信道空闲的结论并发送数据包，采样窗口数大的节点B在后面的采样中发现信道繁忙（因为节点A已经占用了信道）就回退，避免了发生冲突。

　　回退时间的选择也是值得推敲的一个参数。CC2420是以数据包为单位发送的射频芯片，其最大数据包的长度为128字节，加上同步头5字节，总共是133字节。

　　CC2420的发送速率是250kb/s,即发送一个字节的时间为32μs,因此发送一个最大数据包的时间为133×32=4256μs。根据信道采样规则，只要一采样到信道占用，就可以结束本次监测并得出信道繁忙的结论，因此回退时间应该要大于数据包的发送时间。又因为采样窗口数已经采用了随机选取，所以回退时间可以使用固定值。因此可以将回退时间固定为4.5ms,回退功能的具体实现只需要一个定时器辅助就可以了。

　　最后，要处理信道强度阈值更新的问题。如果MAC层连续对信道监测的结果都是繁忙，且累计超过一个预设的阈值Y,就必须要调用MAC层提供的接口来对minSig2nal阈值进行更新，参照上节信号强度阈值的更新机制。

　　根据实际的测试分析，Y的取值一般为30～60。