通過基本規(guī)則和擴展規(guī)則已經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1ms,即1ms采樣一次。擴展采樣次數m取值越大，準確性自然就越高，但是整個網絡性能有所下降（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5000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RS2SI值，本文稱為noiseRSSI。這兩個值可以在物理層每接收到一個數據包時獲取，因為CC2420接收到一個數據包時將在數據包的倒數第二個字節(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；而在剛接收完數據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min2Signal的初值即初始閾值，并按1/4的權重進行統(tǒng)計，即avgSignal=（avgSignalm1）+（（avgSignal+busyRSSI）m2）。noiseRSSI的值并不需要統(tǒng)計，這是因為讀出nois2eRSSI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noise2RSSI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=（noiseLevelm1）+（（noiseLevel+noiseRSSI）m2）。 minSignal閾值需要針對兩種互補的情況來進行更新調整。第一種情況是一段時間內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min2Signal的值過高，應對其調整將其適當降低。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min2Signal值。這樣做是因為在busyRSSI的信號強度下已經能夠接收數據了，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minSig2nal的值設置得太低，因此要適當調高該值，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）：
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min2Signal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init2BusySignal。下面給出部分測試強度的數據，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10cm厚的墻。 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init2NoiseSignal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、B2MAC等有特殊要求的基于競爭的MAC協議直接調用。 4 CSMA協議的實現 本文實現的CAMA協議是基于使用廣泛的非持續(xù)性CSMA協議的，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協議時，本文結合信道監(jiān)測提供的接口對協議做了一些優(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250kb/s,即發(fā)送一個字節(jié)的時間為32μs,因此發(fā)送一個最大數據包的時間為133×32=4256μs。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4.5ms,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minSig2nal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。 5 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協議的實現；并詳細闡述了協議中信道監(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協議的設計可以完全嵌入應用到其他MAC層協議中，輔助其他協議完成信道競爭或信道檢測。
CSMA協議是網絡中運用得最為廣泛的競爭協議，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IEEE802.15.4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協議達到更好的性能，根據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IEEE802.15.4協議MAC封裝的特性，設計并實現了一個全新的、靈活的CSMA協議。
1 信道監(jiān)測的設計
實現CSMA協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2.4GHz射頻芯片，其硬件封裝支持部分IEEE802.15.4的MAC層協議規(guī)定。
CC2420的功能結構如圖1所示，CC2420的數字接口具有自動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）。數字接口通過SPI通信接口與微處理器相連。CC2420是以數據包為單位的射頻芯片，即必須從微處理器收滿一個數據包，才會發(fā)送該數據包。
數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據調制和整形，最后發(fā)送出去。當監(jiān)測到信道有數據時，將數據經過模/數轉換后送入數字解調器中進行幀同步；如果同步就將數據填入接收緩沖區(qū)中，最后填充當前信道內的RSSI（ReceiveSignalStrengthIn2dicator,接收信號強度指示器）信息。
CC2420提供一個讀取RSSI值的命令，開發(fā)者可以調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在接收到數據包時，可以自動在數據包的倒數第二個字節(jié)里填充當前接收數據包時的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CSMA2CA的功能，稱為CCA（ClearChannelAssessment,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)送數據。CCA雖然實現了信道監(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。
這就限制了它在其他協議中的使用，例如在LPL（LowPowerListening,低功耗偵聽）協議中，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：先設置兩個適當的信號強度閾值，一個是最小信號強度minSignal,其含義是信道中有數據發(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不斷地進行RSSI采樣，并把采樣結果按照某種規(guī)則（在實現中有具體說明）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，因此本文還實現了一種閾值更新機制，它能根據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，這樣上層就可以根據不同的實際情況來設定采樣數。
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。
2 信道監(jiān)測的實現
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,因此轉換后的值都是為正的，后面提到的RSSI值指的都是轉換后的值。
假設上層設定信道采樣窗口數為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128μs,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1ms循環(huán)觸發(fā)（這1ms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：
?、偃绻蓸拥降腞SSI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。
?、谌绻恢辈蓸拥阶詈螅易詈笠淮蔚腞SSI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)送數據。注意，只要判定為信道空閑，就要給出更新閾值標志，原因將在后面的閾值維護中說明。
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min2Signal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：
?、贁U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，然后結束擴展采樣。
?、谛诺揽臻e的判定與基本規(guī)則不同，因為已經處于擴展采樣，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。
?、廴绻跀U展采樣中并沒有出現以上兩種情況，那么就必須要計算extCSVal來做判斷。先說明賦給extCS2Val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=（ex2tCSVal+RSSI）m1（即取平均值）。
?、苋绻鹠次擴展采樣，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）m1），那么就判定信道忙；反之，則判定信道空閑。
?、葑詈笫亲顗牡囊环N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。
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