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

CSMA協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的協(xié)議，正逐漸應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中。本文深入研究了射頻芯片CC2420的各種特性，針對(duì)其特性設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完善的CSMA機(jī)制，包括物理層信道信號(hào)強(qiáng)度采樣、強(qiáng)度閾值的動(dòng)態(tài)更新以及MAC層的CSMA機(jī)制；詳細(xì)闡述了信道監(jiān)測(cè)中使用的判定規(guī)則、各關(guān)鍵閾值參數(shù)的選擇，以及對(duì)CSMA機(jī)制的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞? CSMA? IEEE 802.15.4? CC2420? 信號(hào)強(qiáng)度采樣? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　CSMA協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用得最為廣泛的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議，因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層大多使用CSMA機(jī)制來(lái)提供競(jìng)爭(zhēng)信道的功能。隨著IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的制定，各射頻芯片廠(chǎng)家也紛紛推出了性能更好、功能更強(qiáng)的射頻芯片。TI公司（原Chipcon）推出CC2420來(lái)替代原來(lái)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(xié)議達(dá)到更好的性能，根據(jù)射頻芯片的具體特性來(lái)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)CSMA機(jī)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，充分利用CC2420部分IEEE 802.15.4協(xié)議MAC封裝的特性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全新的、靈活的CSMA協(xié)議。

1? 信道監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)

　　實(shí)現(xiàn)CSMA協(xié)議的最基本的條件就是物理層必須提供可靠、實(shí)用的信道監(jiān)測(cè)手段，因此首先要了解射頻芯片的一些特性。

1.1? CC2420的相關(guān)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(xié)議規(guī)定。CC2420的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，CC2420的數(shù)字接口具有自動(dòng)CRC校驗(yàn)、自動(dòng)加密的功能，并維護(hù)兩個(gè)緩沖區(qū)（一個(gè)接收FIFO，一個(gè)發(fā)送FIFO）。數(shù)字接口通過(guò)SPI通信接口與微處理器相連。CC2420是以數(shù)據(jù)包為單位的射頻芯片，即必須從微處理器收滿(mǎn)一個(gè)數(shù)據(jù)包，才會(huì)發(fā)送該數(shù)據(jù)包。數(shù)字接口收滿(mǎn)一整包后，自動(dòng)添加CRC校驗(yàn)，并送入調(diào)制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制和整形，最后發(fā)送出去。當(dāng)監(jiān)測(cè)到信道有數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字解調(diào)器中進(jìn)行幀同步；如果同步就將數(shù)據(jù)填入接收緩沖區(qū)中，最后填充當(dāng)前信道內(nèi)的RSSI（Receive Signal Strength Indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示器）信息。

圖1? CC2420功能結(jié)構(gòu)圖

　　CC2420提供一個(gè)讀取RSSI值的命令，開(kāi)發(fā)者可以調(diào)用該命令來(lái)得到當(dāng)前信道的信號(hào)強(qiáng)度值，并通過(guò)對(duì)該值的解析來(lái)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(cè)的設(shè)計(jì)

　　CC2420提供了一項(xiàng)CSMACA的功能，稱(chēng)為CCA（Clear Channel Assessment,空閑信道評(píng)估）,它使用一個(gè)寄存器來(lái)設(shè)置閾值。當(dāng)CC2420收到CCA命令后，就開(kāi)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(cè)的基本功能，但是也有其自身的缺點(diǎn)： 不夠靈活且開(kāi)放程度不夠，只能進(jìn)行一次完整的通道監(jiān)測(cè)，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(tīng)）協(xié)議中，只需要進(jìn)行一次采樣作為偵聽(tīng)。另外，它的判定機(jī)制并不夠完善，只有一個(gè)閾值，因而開(kāi)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(lái)完成信道監(jiān)測(cè)工作。本文使用的信道監(jiān)測(cè)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(shuō)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(lái)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(lái)動(dòng)態(tài)地更新閾值。

　　從接口上看，物理層的信道監(jiān)測(cè)只是提供給MAC層的CSMA協(xié)議一個(gè)探測(cè)信道的接口。為了設(shè)計(jì)一個(gè)靈活的信道探測(cè)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(lái)設(shè)定具體某次監(jiān)測(cè)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(lái)設(shè)定采樣數(shù)。圖2為物理層信道監(jiān)測(cè)提供的接口與MAC層CSMA的關(guān)系簡(jiǎn)圖。

圖2? 信道監(jiān)測(cè)接口與CSMA關(guān)系簡(jiǎn)圖

2? 信道監(jiān)測(cè)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(chēng)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(mǎn)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(cè)岀的值小于或等于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(shuō)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： 最后一次采樣岀錯(cuò)沒(méi)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(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(wèn)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(lái)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(méi)有出現(xiàn)以上兩種情況，那么就必須要計(jì)算extCSVal來(lái)做判斷。先說(shuō)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(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(lèi)： 一類(lèi)是信道繁忙時(shí)的RSSI，本文稱(chēng)為busyRSSI；另一類(lèi)是信道空閑時(shí)的RSSI值，本文稱(chēng)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(xiàn)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。

　　回退時(shí)間的選擇也是值得推敲的一個(gè)參數(shù)。CC2420是以數(shù)據(jù)包為單位發(fā)送的射頻芯片，其最大數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)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(gè)字節(jié)的時(shí)間為32 μs，因此發(fā)送一個(gè)最大數(shù)據(jù)包的時(shí)間為133×32＝4 256 μs。根據(jù)信道采樣規(guī)則，只要一采樣到信道占用，就可以結(jié)束本次監(jiān)測(cè)并得出信道繁忙的結(jié)論，因此回退時(shí)間應(yīng)該要大于數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間。又因?yàn)椴蓸哟翱跀?shù)已經(jīng)采用了隨機(jī)選取，所以回退時(shí)間可以使用固定值。因此可以將回退時(shí)間固定為4.5 ms，回退功能的具體實(shí)現(xiàn)只需要一個(gè)定時(shí)器輔助就可以了。

　　最后，要處理信道強(qiáng)度閾值更新的問(wèn)題。如果MAC層連續(xù)對(duì)信道監(jiān)測(cè)的結(jié)果都是繁忙，且累計(jì)超過(guò)一個(gè)預(yù)設(shè)的閾值Y，就必須要調(diào)用MAC層提供的接口來(lái)對(duì)minSignal閾值進(jìn)行更新，參照上節(jié)信號(hào)強(qiáng)度閾值的更新機(jī)制。根據(jù)實(shí)際的測(cè)試分析，Y的取值一般為30～60。

結(jié)語(yǔ)

　　本文靈活利用CC2420射頻芯片的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一整套從物理層到MAC層的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)CSMA協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；并詳細(xì)闡述了協(xié)議中信道監(jiān)測(cè)使用的所有判定規(guī)則及各關(guān)鍵閾值參數(shù)的選擇。經(jīng)過(guò)實(shí)際的多節(jié)點(diǎn)通信測(cè)試，該CSMA協(xié)議可以正確、穩(wěn)定地進(jìn)行信道活動(dòng)監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整閾值；并且該CSMA協(xié)議的設(shè)計(jì)可以完全嵌入應(yīng)用到其他MAC層協(xié)議中，輔助其他協(xié)議完成信道競(jìng)爭(zhēng)或信道檢測(cè)。