無線傳感器網絡CSMA協(xié)議的設計與實現(xiàn)

無線傳感器網絡CSMA協(xié)議的設計與實現(xiàn)

CSMA協(xié)議作為網絡中實現(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 無線傳感器網絡

　　CSMA協(xié)議是網絡中運用得最為廣泛的競爭協(xié)議，因此無線傳感器網絡的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的功能結構如圖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，并送入調制模塊進行數(shù)據(jù)調制和整形，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)經過模/數(shù)轉換后送入數(shù)字解調器中進行幀同步；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的RSSI（Receive Signal Strength Indicator，接收信號強度指示器）信息。

圖1 CC2420功能結構圖