無線傳感器網(wǎng)絡CSMA協(xié)議的設計

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。