無線傳感器網(wǎng)絡(luò)CSMA協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)CSMA協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)
CSMA協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)信道競爭機(jī)制的協(xié)議,正逐漸應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。本文深入研究了射頻芯片CC2420的各種特性,針對其特性設(shè)計并實現(xiàn)了一個完善的CSMA機(jī)制,包括物理層信道信號強(qiáng)度采樣、強(qiáng)度閾值的動態(tài)更新以及MAC層的CSMA機(jī)制;詳細(xì)闡述了信道監(jiān)測中使用的判定規(guī)則、各關(guān)鍵閾值參數(shù)的選擇,以及對CSMA機(jī)制的優(yōu)化。
關(guān)鍵詞 CSMA IEEE 802.15.4 CC2420 信號強(qiáng)度采樣 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
CSMA協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中運用得最為廣泛的競爭協(xié)議,因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層大多使用CSMA機(jī)制來提供競爭信道的功能。隨著IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的制定,各射頻芯片廠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來替代原來無線傳感器網(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重新優(yōu)化設(shè)計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驗平臺,充分利用CC2420部分IEEE 802.15.4協(xié)議MAC封裝的特性,設(shè)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(shè)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(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CRC校驗、自動加密的功能,并維護(hù)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(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制和整形,最后發(fā)送出去。當(dāng)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(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,接收信號強(qiáng)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(dāng)前信道的信號強(qiáng)度值,并通過對該值的解析來判定當(dāng)前信道是空閑還是繁忙。另外,CC2420在接收到數(shù)據(jù)包時,可以自動在數(shù)據(jù)包的倒數(shù)第二個字節(jié)里填充當(dāng)前接收數(shù)據(jù)包時的RSSI值。這種特性對于信號強(qiáng)度閾值的更新維護(hù)十分有用。
1.2 信道監(jiān)測的設(shè)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(shè)置閾值。當(dāng)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(jìn)行一次完整的通道監(jiān)測,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)協(xié)議中,只需要進(jìn)行一次采樣作為偵聽。另外,它的判定機(jī)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(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(shè)置兩個適當(dāng)?shù)男盘枏?qiáng)度閾值,一個是最小信號強(qiáng)度minSignal,其含義是信道中有數(shù)據(jù)發(fā)送時的最小信號強(qiáng)度值;另一個是噪聲強(qiáng)度noiseStrength,其含義是信道空閑時的信號強(qiáng)度值。然后物理層在一段時間內(nèi)不斷地進(jìn)行RSSI采樣,并把采樣結(jié)果按照某種規(guī)則(在實現(xiàn)中有具體說明)與閾值進(jìn)行比較,從而得到信道的活動狀態(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狀態(tài)時,還應(yīng)有擴(kuò)展采樣機(jī)制。
另外,這兩個信號強(qiáng)度閾值并不是一直不變的,它們必須根據(jù)信道一段時期的信號強(qiáng)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(jī)制,它能根據(jù)當(dāng)前的信道信號強(qiáng)度和一些強(qiáng)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)系簡圖。
圖2 信道監(jiān)測接口與CSMA關(guān)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(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(shè)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(dāng)前信道的RSSI值,然后采用如下規(guī)則進(jìn)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(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(kuò)展規(guī)則。
2.2 信道活動狀態(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)則不能解決的問題。擴(kuò)展規(guī)則其實就是擴(kuò)展m次采樣,在這m次的擴(kuò)展采樣中使用對應(yīng)的擴(kuò)展規(guī)則來判定信道狀態(tài)。擴(kuò)展規(guī)則涉及一些統(tǒng)計的方法,需要維護(hù)一個extCSVal的統(tǒng)計變量。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,因為已經(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,同時給出更新閾值的標(biāo)志。
③ 如果在擴(kuò)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(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(dāng)擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展規(guī)則已經(jīng)可以得出一個準(zhǔn)確性較高的信道活動狀態(tài)判定,擴(kuò)展規(guī)則彌補(bǔ)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(jìn)入擴(kuò)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(dǎo)致進(jìn)入擴(kuò)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(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,但是整個網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)度閾值初值的選擇),因此使用該初始閾值進(jìn)行的測試結(jié)果顯示: 只有極少情況進(jìn)入擴(kuò)展采樣(約5 000次監(jiān)測進(jìn)入一次擴(kuò)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(shè)定,那么可將m值放大。
3 信號強(qiáng)度閾值的選擇和更新維護(hù)
從信道監(jiān)測的基本規(guī)則和擴(kuò)展規(guī)則可以看出,信號強(qiáng)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(dāng)前信道狀態(tài)動態(tài)更新閾值的機(jī)制。
3.1 信號強(qiáng)度閾值的更新機(jī)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(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后就對其進(jìn)行統(tǒng)計操作,為實現(xiàn)這個目的需要維護(hù)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(jìn)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(qiáng)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(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閾值需要針對兩種互補(bǔ)的情況來進(jìn)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(yīng)對其調(diào)整將其適當(dāng)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(dāng)前的busyRSSI來更新;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。這樣做是因為在busyRSSI的信號強(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,所以更接近實際的閾值。
第二種情況是對第一種情況的補(bǔ)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(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(jìn)行第一種
//更新,所以沒有進(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,它的選擇對更新機(jī)制尤為重要。因為minSignal的更新機(jī)制建立的基礎(chǔ)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(qiáng)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(yīng)該比initBusySignal小才對。
3.2 信號強(qiáng)度閾值初始值的選擇
信號強(qiáng)度閾值的初始值必須根據(jù)實際測試岀的大量強(qiáng)度值來設(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)兩個初值分別是initNoiseSignal和initBusySignal。下面給出部分測試強(qiáng)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(qiáng)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(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(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 本文實現(xiàn)的信道監(jiān)測機(jī)制的優(yōu)點
本文實現(xiàn)的信道監(jiān)測機(jī)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(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(jī)時間后,再次開始監(jiān)測,重復(fù)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行載波監(jiān)聽,首先隨機(jī)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(jī)選擇的目的是減少沖突,舉例說明:假設(shè)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(jī)回退一段時間后再次監(jiān)測信道。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。因為采樣窗口數(shù)小的節(jié)點(假設(shè)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(yīng)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(jī)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(qiáng)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(yù)設(shè)的閾值Y,就必須要調(diào)用MAC層提供的接口來對minSignal閾值進(jìn)行更新,參照上節(jié)信號強(qiáng)度閾值的更新機(jī)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(shè)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(luò)CSMA協(xié)議的實現(xiàn);并詳細(xì)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(guān)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(jìn)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(shè)計可以完全嵌入應(yīng)用到其他MAC層協(xié)議中,輔助其他協(xié)議完成信道競爭或信道檢測。