一种无线传感器网络CSMA协议的设计与实现

CSMA协议是网络中运用得最为广泛的竞争协议，因此无线传感器网络的MAC层大多使用CSMA机制来提供竞争信道的功能。随着IEEE 802.15.4标准的制定，各射频芯片厂家也纷纷推出了性能更好、功能更强的射频芯片。TI公司（原Chipcon）推出CC2420来替代原来无线传感器网络使用最多的射频芯片CC1000。由于各射频芯片特性功能各不相同，为了使CSMA协议达到更好的性能，根据射频芯片的具体特性来重新优化设计CSMA机制也就变得很有必要。

本文使用TI公司的MSP4301611超低功耗MCU，以及CC2420射频芯片作为硬件实验平台，充分利用CC2420部分IEEE 802.15.4协议MAC封装的特性，设计并实现了一个全新的、灵活的CSMA协议。

1　信道监测的设计

实现CSMA协议的最基本的条件就是物理层必须提供可靠、实用的信道监测手段，因此首先要了解射频芯片的一些特性。

1.1　CC2420的相关特性

CC2420是TI公司推出的2.4 GHz射频芯片，其硬件封装支持部分IEEE 802.15.4的MAC层协议规定。CC2420的功能结构如图1所示，CC2420的数字接口具有自动CRC校验、自动加密的功能，并维护两个缓冲区（一个接收FIFO，一个发送FIFO）。数字接口通过SPI通信接口与微处理器相连。CC2420是以数据包为单位的射频芯片，即必须从微处理器收满一个数据包，才会发送该数据包。数字接口收满一整包后，自动添加CRC校验，并送入调制模块进行数据调制和整形，最后发送出去。当监测到信道有数据时，将数据经过模/数转换后送入数字解调器中进行帧同步；如果同步就将数据填入接收缓冲区中，最后填充当前信道内的RSSI（Receive Signal Strength Indicator，接收信号强度指示器）信息。

图1　CC2420功能结构图

CC2420提供一个读取RSSI值的命令，开发者可以调用该命令来得到当前信道的信号强度值，并通过对该值的解析来判定当前信道是空闲还是繁忙。另外，CC2420在接收到数据包时，可以自动在数据包的倒数第二个字节里填充当前接收数据包时的RSSI值。这种特性对于信号强度阈值的更新维护十分有用。

1.2　信道监测的设计

CC2420提供了一项CSMACA的功能，称为CCA（Clear Channel Assessment,空闲信道评估）,它使用一个寄存器来设置阈值。当CC2420收到CCA命令后，就开始采样RSSI值，只有采样到的RSSI值小于寄存器中的阈值时才允许发送数据。CCA虽然实现了信道监测的基本功能，但是也有其自身的缺点： 不够灵活且开放程度不够，只能进行一次完整的通道监测，并不能设置采样次数。这就限制了它在其他协议中的使用，例如在LPL（Low Power Listening，低功耗侦听）协议中，只需要进行一次采样作为侦听。另外，它的判定机制并不够完善，只有一个阈值，因而开发者难以找到合适的阈值。