一種無線傳感器網絡CSMA協(xié)議的設計與實現

表1　信號強度測試數據

在雙方節(jié)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(jié)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岀的最小強調值，因此可以直接取為busyRSSI的最小值，即initBusySignal的值設置為0x54。對于initNoiseSignal的取值，從表1可以看出，檢測到的RSSI值非常穩(wěn)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(jiān)測機制的優(yōu)點

本文實現的信道監(jiān)測機制比較完善且十分靈活。完善是指信道活動狀態(tài)判定規(guī)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(jiān)測時使用不同的采樣窗口數，可以被LPL、BMAC等有特殊要求的基于競爭的MAC協(xié)議直接調用。

4　CSMA協(xié)議的實現

本文實現的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)點在發(fā)送數據包之前先監(jiān)測信道，如果監(jiān)測到信道空閑，則該節(jié)點就自己開始發(fā)送數據包。反之，如果監(jiān)測結果為信道繁忙，即信道已經被鄰居節(jié)點占用，則該節(jié)點回退一段隨機時間后，再次開始監(jiān)測，重復上面的操作。

在具體實現CSMA協(xié)議時，本文結合信道監(jiān)測提供的接口對協(xié)議做了一些優(yōu)化調整。另外，由于無線傳感器網絡中節(jié)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(xié)議有些不同，但原理一致，其實現如下：

如果節(jié)點要發(fā)送數據包，需要先進行載波監(jiān)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(jié)點都是鄰居節(jié)點，且A、B節(jié)點有數據包要發(fā)送給節(jié)點C；A、B兩個鄰居節(jié)點同時開始監(jiān)測，如果采樣窗口數固定，根據信道監(jiān)測的規(guī)則，信道空閑必須等到采樣數用完才能下結論，那么A、B節(jié)點都在用完所有的采樣數后得岀信道空閑的結論，然后都發(fā)送數據包，這樣數據在節(jié)點C處就發(fā)生了沖突，最后A、B兩節(jié)點就必須依靠隨機回退一段時間后再次監(jiān)測信道。采用隨機的采樣窗口數可以降低上面情況的發(fā)生率。因為采樣窗口數小的節(jié)點（假設為節(jié)點A）先得出信道空閑的結論并發(fā)送數據包，采樣窗口數大的節(jié)點B在后面的采樣中發(fā)現信道繁忙(因為節(jié)點A已經占用了信道)就回退，避免了發(fā)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(fā)送的射頻芯片，其最大數據包的長度為128字節(jié)，加上同步頭5字節(jié)，總共是133字節(jié)。CC2420的發(fā)送速率是250 kb/s，即發(fā)送一個字節(jié)的時間為32 μs，因此發(fā)送一個最大數據包的時間為133×32＝4 256 μs。根據信道采樣規(guī)則，只要一采樣到信道占用，就可以結束本次監(jiān)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(fā)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4.5 ms，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(xù)對信道監(jiān)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minSignal閾值進行更新，參照上節(jié)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。

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(xié)議的實現；并詳細闡述了協(xié)議中信道監(jiān)測使用的所有判定規(guī)則及各關鍵閾值參數的選擇。經過實際的多節(jié)點通信測試，該CSMA協(xié)議可以正確、穩(wěn)定地進行信道活動監(jiān)測，并實時動態(tài)地調整閾值；并且該CSMA協(xié)議的設計可以完全嵌入應用到其他MAC層協(xié)議中，輔助其他協(xié)議完成信道競爭或信道檢測。

參考文獻

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