無線傳感器網(wǎng)絡CSMA協(xié)議的設計與實現(xiàn)

CSMA協(xié)議作為網(wǎng)絡中實現(xiàn)信道競爭機制的協(xié)議，正逐漸應用在無線傳感器網(wǎng)絡中。本文深入研究了射頻芯片CC2420的各種特性，針對其特性設計并實現(xiàn)了一個完善的CSMA機制，包括物理層信道信號強度采樣、強度閾值的動態(tài)更新以及MAC層的CSMA機制；詳細闡述了信道監(jiān)測中使用的判定規(guī)則、各關鍵閾值參數(shù)的選擇，以及對CSMA機制的優(yōu)化。

關鍵詞? CSMA? IEEE 802.15.4? CC2420? 信號強度采樣? 無線傳感器網(wǎng)絡

　　CSMA協(xié)議是網(wǎng)絡中運用得最為廣泛的競爭協(xié)議，因此無線傳感器網(wǎng)絡的MAC層大多使用CSMA機制來提供競爭信道的功能。隨著IEEE 802.15.4標準的制定，各射頻芯片廠家也紛紛推出了性能更好、功能更強的射頻芯片。TI公司（原Chipcon）推出CC2420來替代原來無線傳感器網(wǎng)絡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)議達到更好的性能，根據(jù)射頻芯片的具體特性來重新優(yōu)化設計CSMA機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驗平臺，充分利用CC2420部分IEEE 802.15.4協(xié)議MAC封裝的特性，設計并實現(xiàn)了一個全新的、靈活的CSMA協(xié)議。

1? 信道監(jiān)測的設計

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

1.1? CC2420的相關特性

　　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CRC校驗、自動加密的功能，并維護兩個緩沖區(qū)（一個接收FIFO，一個發(fā)送FIFO）。數(shù)字接口通過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一個數(shù)據(jù)包，才會發(fā)送該數(shù)據(jù)包。數(shù)字接口收滿一整包后，自動添加CRC校驗，并送入調(diào)制模塊進行數(shù)據(jù)調(diào)制和整形，最后發(fā)送出去。當監(jiān)測到信道有數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字解調(diào)器中進行幀同步；如果同步就將數(shù)據(jù)填入接收緩沖區(qū)中，最后填充當前信道內(nèi)的RSSI（Receive Signal Strength Indicator，接收信號強度指示器）信息。

圖1? CC2420功能結(jié)構(gòu)圖

　　CC2420提供一個讀取RSSI值的命令，開發(fā)者可以調(diào)用該命令來得到當前信道的信號強度值，并通過對該值的解析來判定當前信道是空閑還是繁忙。另外，CC2420在接收到數(shù)據(jù)包時，可以自動在數(shù)據(jù)包的倒數(shù)第二個字節(jié)里填充當前接收數(shù)據(jù)包時的RSSI值。這種特性對于信號強度閾值的更新維護十分有用。

1.2? 信道監(jiān)測的設計

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

　　本文參照CCA的閾值機制，設置上下閾值并利用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： 先設置兩個適當?shù)男盘枏姸乳撝?，一個是最小信號強度minSignal，其含義是信道中有數(shù)據(jù)發(fā)送時的最小信號強度值；另一個是噪聲強度noiseStrength，其含義是信道空閑時的信號強度值。然后物理層在一段時間內(nèi)不斷地進行RSSI采樣，并把采樣結(jié)果按照某種規(guī)則(在實現(xiàn)中有具體說明)與閾值進行比較，從而得到信道的活動狀態(tài)。而且為了更準確地反映信道狀態(tài)，在不能判斷信道活動狀態(tài)時，還應有擴展采樣機制。

　　另外，這兩個信號強度閾值并不是一直不變的，它們必須根據(jù)信道一段時期的信號強度情況來動態(tài)更新，因此本文還實現(xiàn)了一種閾值更新機制，它能根據(jù)當前的信道信號強度和一些強度統(tǒng)計信息來動態(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)議一個探測信道的接口。為了設計一個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)不同的實際情況來設定采樣數(shù)。圖2為物理層信道監(jiān)測提供的接口與MAC層CSMA的關系簡圖。

圖2? 信道監(jiān)測接口與CSMA關系簡圖

2? 信道監(jiān)測的實現(xiàn)

2.1? 信道活動狀態(tài)判斷的基本規(guī)則

　　采樣得到的RSSI值是一個有符號的振幅值,它只有一個字節(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。

　　假設上層設定信道采樣窗口數(shù)為N。為了完成連續(xù)的N次采樣，需要使用一個采樣定時器。CC2420的RSSI采樣時間約為128 μs，再加上硬件延遲以及軟件處理延遲時間，采樣定時器設置為1 ms循環(huán)觸發(fā)（這1 ms的采樣在CSMA中稱為“采樣窗口”）。每次定時器觸發(fā)后，就向CC2420發(fā)送命令讀取當前信道的RSSI值，然后采用如下規(guī)則進行信道活動狀態(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(噪聲強度)，那么就判定信道為空閑，并給出修改閾值標志，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志，原因?qū)⒃诤竺娴拈撝稻S護中說明。

　　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： 最后一次采樣岀錯沒有得到RSSI值，或者最后一次采樣的RSSI值介于noiseLevel和minSignal之間。此時就必須使用擴展規(guī)則。

2.2? 信道活動狀態(tài)判斷的擴展規(guī)則

　　擴展規(guī)則是為了處理基本規(guī)則不能解決的問題。擴展規(guī)則其實就是擴展m次采樣，在這m次的擴展采樣中使用對應的擴展規(guī)則來判定信道狀態(tài)。擴展規(guī)則涉及一些統(tǒng)計的方法，需要維護一個extCSVal的統(tǒng)計變量。擴展規(guī)則如下：

①? 擴展采樣中，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)束擴展采樣。
②? 信道空閑的判定與基本規(guī)則不同，因為已經(jīng)處于擴展采樣，所以只要檢查到采樣RSSI值小于noiseLevel，就可判定信道為空閑，同時給出更新閾值的標志。
③? 如果在擴展采樣中并沒有出現(xiàn)以上兩種情況，那么就必須要計算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次擴展采樣，依靠前兩個規(guī)則仍然不能判斷信道狀態(tài)，且最后一次擴展采樣的結(jié)果仍然介于兩者之間，那就使用統(tǒng)計值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：當擴展采樣的最后一次采樣發(fā)生錯誤，讀取RSSI值失敗時，并不知道信道的實際狀況，但也不能一直擴展下去，所以判斷為信道繁忙以避免出錯。

　　通過基本規(guī)則和擴展規(guī)則已經(jīng)可以得出一個準確性較高的信道活動狀態(tài)判定，擴展規(guī)則彌補了基本規(guī)則可能會出現(xiàn)的錯誤。在實際的測試中，如果兩個閾值的初值選擇得很合適，那么一般并不會進入擴展采樣。若閾值初值選擇得不貼切，如mingSignal初值過大，則noiseLevel初值過小時都會導致進入擴展采樣。

　　這里還需要說明的是m的取值。本文中采樣定時器設置為1 ms，即1 ms采樣一次。擴展采樣次數(shù)m取值越大，準確性自然就越高，但是整個網(wǎng)絡性能有所下降(花去的額外時間過多)。m的值也不能過小，不然extCSVal統(tǒng)計值就不能發(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(參照信號強度閾值初值的選擇)，因此使用該初始閾值進行的測試結(jié)果顯示： 只有極少情況進入擴展采樣（約5 000次監(jiān)測進入一次擴展采樣）。鑒于這種實際情況，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定，那么可將m值放大。

3? 信號強度閾值的選擇和更新維護

　　從信道監(jiān)測的基本規(guī)則和擴展規(guī)則可以看出，信號強度的兩個閾值對信道狀態(tài)的判定十分重要，因此這兩個閾值的初始值選擇必須十分慎重；而且必須要根據(jù)當前信道狀態(tài)動態(tài)更新閾值的機制。

3.1? 信號強度閾值的更新機制

　　閾值的動態(tài)更新必須使用大量的實時RSSI值作為統(tǒng)計值，且需要把RSSI值分為兩類： 一類是信道繁忙時的RSSI，本文稱為busyRSSI；另一類是信道空閑時的RSSI值，本文稱為noiseRSSI。這兩個值可以在物理層每接收到一個數(shù)據(jù)包時獲取，因為CC2420接收到一個數(shù)據(jù)包時將在數(shù)據(jù)包的倒數(shù)第二個字節(jié)(FCS域)自動填充接收時的RSSI值，因此busyRSSI值就無條件地得到了；而在剛接收完數(shù)據(jù)包后信道一般都是空閑的，所以這時立即讀取當前的RSSI值，就可以得到noiseRSSI值。為避免例外，可將得到的noiseRSSI值與minSignal進行比較，如果大于等于minSignal就丟棄。

　　在獲得busyRSSI和noiseRSSI后就對其進行統(tǒng)計操作，為實現(xiàn)這個目的需要維護一個統(tǒng)計變量avgSignal，用來統(tǒng)計所有的busyRSSI值。avgSignal的初值等于minSignal的初值即初始閾值，并按1/4的權(quán)重進行統(tǒng)計，即avgSignal = (avgSignal?1) + ((avgSignal + busyRSSI)?2)。noiseRSSI的值并不需要統(tǒng)計，這是因為讀出noiseRSSI的值很穩(wěn)定幾乎不變。

　　noiseLevel閾值的更新相對簡單，因為噪聲信號強度十分穩(wěn)定，因此不必對noiseRSSI做統(tǒng)計，每次讀取noiseRSSI后可直接對noiseLevel進行更新。更新規(guī)則也是采用1/4權(quán)重，即noiseLevel = (noiseLevel ? 1) + ((noiseLevel + noiseRSSI) ? 2)。

　　minSignal閾值需要針對兩種互補的情況來進行更新調(diào)整。第一種情況是一段時間內(nèi)的采樣結(jié)果全是信道空閑，說明所有的采樣值都小于minSignal，因此有可能minSignal的值過高，應對其調(diào)整將其適當降低。該情況在監(jiān)測信道結(jié)果為空閑時觸發(fā)更新，更新方法是直接利用當前的busyRSSI來更新；只要busyRSSI的值小于當前的minSignal值，那么就將busyRSSI的值作為最新的minSignal值。這樣做是因為在busyRSSI的信號強度下已經(jīng)能夠接收數(shù)據(jù)了，而busyRSSI又比當前的minSignal要小，所以更接近實際的閾值。

　　第二種情況是對第一種情況的補充。在做了第一種情況的修改后，如果長時間內(nèi)監(jiān)測到的都是信道繁忙（如載波監(jiān)聽幾次回退后都返回繁忙）,那么就可能是minSignal的值設置得太低,因此要適當調(diào)高該值，以避免使用第一種更新方式后由于設置的minSignal值太低而導致不能使用信道的情況。該情況提供一個接口由上層(MAC層)來調(diào)用更新。更新需要借助統(tǒng)計量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，就說明沒有進行第一種
//更新，所以沒有進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，它的選擇對更新機制尤為重要。因為minSignal的更新機制建立的基礎就是initBusySignal非常接近實際臨界值。initBusySignal本身也是經(jīng)過大量測試后選擇的一個信道活動最小強度值，而它肯定會大于(最小等于)實際的臨界值，所以minSignal更新后應該比initBusySignal小才對。

3.2? 信號強度閾值初始值的選擇

　　信號強度閾值的初始值必須根據(jù)實際測試岀的大量強度值來設定，如果設置失誤，將導致信道狀態(tài)判斷不準確。本文假設兩個初值分別是initNoiseSignal和initBusySignal。下面給出部分測試強度的數(shù)據(jù)，如表1所列。測試時使用兩個節(jié)點，且兩個節(jié)點都是使用新電池(即電源充沛)。表中，“阻隔”指的是一堵大約10 cm厚的墻。

表1? 信號強度測試數(shù)據(jù)

　　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(jù)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(diào)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(xiàn)的信道監(jiān)測機制的優(yōu)點

　　本文實現(xiàn)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(jié)果的正確性；靈活是指向調(diào)用方提供了采樣窗口數(shù)的設置，使得調(diào)用方可以在每次監(jiān)測時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爭的MAC協(xié)議直接調(diào)用。

4??CSMA協(xié)議的實現(xiàn)

　　本文實現(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)點在發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包。反之，如果監(jiān)測結(jié)果為信道繁忙，即信道已經(jīng)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(xiàn)CSMA協(xié)議時，本文結(jié)合信道監(jiān)測提供的接口對協(xié)議做了一些優(yōu)化調(diào)整。另外，由于無線傳感器網(wǎng)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(xiàn)與標準的CSMA協(xié)議有些不同，但原理一致，其實現(xiàn)如下：

　　如果節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)包，需要先進行載波監(jiān)聽，首先隨機選擇一個采樣窗口數(shù)(即信道采樣次數(shù))，該采樣數(shù)屬于某一個范圍，本文選擇為8～32。采樣數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)固定，根據(jù)信道監(jiān)測的規(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(shù)可以降低上面情況的發(fā)生率。因為采樣窗口數(shù)小的節(jié)點（假設為節(jié)點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B在后面的采樣中發(fā)現(xiàn)信道繁忙(因為節(jié)點A已經(jīng)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(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(shù)據(jù)包的時間為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)測并得出信道繁忙的結(jié)論，因此回退時間應該要大于數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間。又因為采樣窗口數(shù)已經(jīng)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(xiàn)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(jié)果都是繁忙，且累計超過一個預設的閾值Y，就必須要調(diào)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(jù)實際的測試分析，Y的取值一般為30～60。

結(jié)語

　　本文靈活利用CC2420射頻芯片的特點，設計并實現(xiàn)了一整套從物理層到MAC層的無線傳感器網(wǎng)絡CSMA協(xié)議的實現(xiàn)；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(shù)的選擇。經(jīng)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(diào)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。