SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)頻率捷變機(jī)制的研究*

楊 寧，史儀凱，袁小慶，黃 磊

(西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072)

SimpliciTI是一種低速率、低功耗的短距離無線通訊技術(shù)，相對于Zigbee更適用于小型辦公場合，此網(wǎng)絡(luò)工作在ISM中的2.4 GHz公用頻段。由于該頻段的資源十分擁擠，因而會引起同一區(qū)域不同設(shè)備之間的頻率資源沖突和相互干擾問題［1－3］。為此協(xié)議引入的頻率捷變機(jī)制(Frequency Agility，F(xiàn)A)［4］避免了由于信道競爭產(chǎn)生的數(shù)據(jù)堵塞，使信道在受到外界干擾的情況下能夠自主地進(jìn)行信道切換。但FA機(jī)制在信道預(yù)測方面存在不足，未能完全實(shí)現(xiàn)合理回避頻道沖突的功能。目前解決上述問題的理論研究是PSCP-FA，雖然該方法對各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性同步校正，但是不能保證整個網(wǎng)絡(luò)體系的實(shí)時同步，因此有必要結(jié)合跳頻技術(shù)對原有機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)。

本文在跳頻信號最前端加入同步碼信息，以保持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備載波跳變規(guī)律、頻隙起始時刻以及信號相位的一致性；通過計(jì)算時鐘差和傳輸時延，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能更好地實(shí)現(xiàn)主從同步；根據(jù)簡化的SimpliciTI信道模型估算RSSI值［5－8］，并將該值作為信道列表比較閥值以減少頻率捷變的次數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方案能快速精確地完成全網(wǎng)絡(luò)主從同步，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定性，增強(qiáng)了SimpliciTI的實(shí)用性。

1 FA幀接入機(jī)制

1.1 現(xiàn)有FA機(jī)制缺陷

FA機(jī)制切換原理如圖1所示，首先將SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)頻率分割成n個信道，并把時間劃分為m個時隙。在組網(wǎng)過程中，默認(rèn)信道0在t0時刻啟動，假設(shè)信道0在t1時刻被占用或產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，那么將采用FA方式切換信道至無干擾信道1。此時，數(shù)據(jù)中心向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播幀以通知其它節(jié)點(diǎn)設(shè)備切換至相應(yīng)信道。當(dāng)信道1在t2時刻遇到類似情況時，采取相同措施避開故障信道，以此類推，反復(fù)利用輪詢方式使網(wǎng)絡(luò)工作于可靠信道，保證其正常通信。

圖1 現(xiàn)有FA機(jī)制信道切換原理

根據(jù)上述原理，現(xiàn)有FA機(jī)制中存在以下三方面缺陷:

(1)當(dāng)通信信道改變后，休眠設(shè)備無法連接至網(wǎng)絡(luò)，因此需采用輪詢訪問方式嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，此措施不僅加大了組網(wǎng)開銷(如時間、能量)，而且加重了通信負(fù)載(如廣播幀、請求/應(yīng)答幀)。

(2)在判斷信道是否被干擾或占用時存在一定的盲目性，即當(dāng)RSSI值連續(xù)3次大于－85 dBm時，則判定該信道不可靠。

(3)由于網(wǎng)絡(luò)需要應(yīng)用于不同的硬件設(shè)計(jì)以及開發(fā)環(huán)境，因此SimpliciTI協(xié)議無法對網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步校正。

1.2 改進(jìn)FA機(jī)制

針對上述三方面缺點(diǎn)，現(xiàn)有FA機(jī)制的改進(jìn)由兩部分構(gòu)成:整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的同步和基于RSSI值的信道預(yù)測。其中，同步階段包括載波同步、幀同步和位同步；信道預(yù)測階段，接收處理RSSI值并利用其值判斷信道通信質(zhì)量，通過不斷更新信道列表以完成信道切換工作，F(xiàn)A幀的網(wǎng)絡(luò)接入模型如圖2所示。

圖2 FA幀接入模型

2.4GHz頻段設(shè)備占用資源的方式可分為3類:固定單頻道方式、全頻段跳頻方式和動態(tài)多頻道方式。根據(jù)Zigbee相關(guān)理論可知［9－11］，在FA階段需采用動態(tài)多頻道方式，即通信雙方首先工作于某一特定的工作頻道上，一旦原頻道不能夠繼續(xù)工作，將會自動或通過人工選擇新的工作頻率。在競爭訪問階段，即在SimpliciTI數(shù)據(jù)幀的傳輸階段，MRFI層(Minimal RF Interface)仍采用基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA方式(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)，通過載波偵聽機(jī)制防止數(shù)據(jù)碰撞，提高由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動、失效引起的動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用性差的問題。

2 跳頻網(wǎng)絡(luò)同步分析

載波同步過程中未專門插入導(dǎo)頻，而是在接收端直接從發(fā)送信號中提取載波。由于網(wǎng)絡(luò)使用的是2.4GHz的高頻率載波，因此采用易于實(shí)現(xiàn)的Costas鎖相環(huán)對載波進(jìn)行提?。?2］。設(shè)輸入已調(diào)信號為f(t)cosωt，壓控振蕩器輸出信號為v1=cos(ωt+θ)，則它的正交信號為v2=sin(ωt+θ)，其中θ為與v1輸入已調(diào)信號載波之間的相位誤差。

當(dāng)同向正交環(huán)工作時，輸入已調(diào)信號分別與v1、v2相乘，經(jīng)低通濾波器去除2ω高次諧波得到的兩個信號分別為 0.5f(t)cosθ和 0.5f(t)sinθ；將這兩個信號加于相乘器后，最終得到調(diào)整信號

式(1)表明，V的大小與相位誤差θ成正比。因此，可以利用信號V去調(diào)整壓控振蕩器輸出信號的相位，使穩(wěn)態(tài)相位誤差降低到最??；同時得到的v1也就是所需要提取的載波信號。

對于位同步和幀同步的過程，則采用自同步法實(shí)現(xiàn)，即每隔一定數(shù)量的信息碼元插入一個幀同步碼。假設(shè)恢復(fù)基帶信號誤比特率為Pb，同步碼的碼元數(shù)為N，檢測器允許碼組中錯誤碼元的最大數(shù)為n，則同步碼的正確檢測概率為

錯誤檢測概率為

在數(shù)據(jù)碼組中，可能含有與所要識別的同步碼相同的碼元，這時會產(chǎn)生數(shù)據(jù)碼被誤認(rèn)為是同步碼的現(xiàn)象，因此還需考慮假同步概率Pa。設(shè)數(shù)據(jù)碼組中出現(xiàn)“0”和“1”的概率均為50%，則組成N位碼組的所有可能碼組數(shù)為2N。若n=0，則數(shù)據(jù)碼組的識別數(shù)為；若n=1，則數(shù)據(jù)碼組的識別數(shù)為。依此類推，得到數(shù)據(jù)碼的假同步概率為

當(dāng)同步碼的碼元數(shù)設(shè)置為20，誤比特率控制在1%時，圖3給出了錯誤檢測概率Pf與假同步概率Pa之間的關(guān)系。

圖3 Pf和Pa分別與n的關(guān)系曲線

如圖3所示，隨著n的增大，Pf隨之減小，Pa反而增大；鑒于兩項(xiàng)指標(biāo)存在的矛盾關(guān)系，這里選取檢測器中允許錯誤碼元的最大數(shù)為3，此時，錯誤檢測概率與假同步概率均只有0.13%。

同步字頭的組裝完成后，需要對網(wǎng)絡(luò)的主從同步體系進(jìn)行構(gòu)建。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)中，規(guī)定數(shù)據(jù)中心設(shè)備(AP，Access Point)為參考節(jié)點(diǎn)，其它設(shè)備為非參考節(jié)點(diǎn)，主從同步過程主要是通過收發(fā)FA幀中的同步信息并對其解析實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)參考節(jié)點(diǎn)AP的時鐘超前一級節(jié)點(diǎn)范圍擴(kuò)展設(shè)備(RE，Range Extender)的時間為ΔT，信息傳播時延為s。初始化后，RE首先在t1時刻向AP發(fā)送一個同步請求，AP在t2時刻收到該請求，那么可知t2=t1+ΔT+s；延遲一段時間后，AP在t3時刻回復(fù)一個應(yīng)答信息，其內(nèi)容包含相應(yīng)ID和時間信息t2；最后經(jīng)過傳輸時延s，RE在t4時刻獲得了應(yīng)答信息，則t4=t3－ΔT+s。根據(jù)上述分析可以得出時鐘差ΔT和傳輸時延s分別為

若一級節(jié)點(diǎn)RE被主節(jié)點(diǎn)AP同步時間為T1，同步其子節(jié)點(diǎn)的時間為T2，則整個網(wǎng)絡(luò)時間同步所需要的時間Ts為

式中，J為網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)。

由式(6)可知，全網(wǎng)絡(luò)同步花費(fèi)的時間與網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)有關(guān)，因此可通過降低網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)的方式達(dá)到降低傳輸時延的目的。同時，利用式(4)和式(5)完成各個子節(jié)點(diǎn)自身的時鐘調(diào)整，圖4給出了同步誤差與節(jié)點(diǎn)數(shù)量A(取A=10J)和網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)J(J≤4)的關(guān)系。

圖4 同步誤差隨網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)變化關(guān)系

3 網(wǎng)絡(luò)算法分析

對于理論模型，常采用自由空間傳播模型來分析無線電傳播路徑損耗，其模型為

式中，Pt為發(fā)射功率(dBm)。

該模型表明，RSSI的衰減與距離成指數(shù)衰減關(guān)系，當(dāng)距離增大時，衰減增大；同時RSSI取值還跟節(jié)點(diǎn)之間有無障礙物及物體運(yùn)動速度快慢有關(guān)。設(shè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為0 dBm，以250 kbit/s的速率連續(xù)發(fā)送150個數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)包長度為20 byte)，經(jīng)測量得到不同干擾源對接收節(jié)點(diǎn)RSSI的影響，部分結(jié)果如表1所示。

式中，d為距信標(biāo)的距離(km)；f為無線電傳播頻率(MHz)；β的值與阻擋物等環(huán)境因素有關(guān)，其范圍一般在1.8～5之間。

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到環(huán)境因素，空間電磁波的傳輸損耗符合對數(shù)正態(tài)Shadowing模型，則有

式中，Pr(d)為傳播經(jīng)過距離d后的路徑損耗；Pr(d0)為傳播經(jīng)過距離d0后的路徑損耗；XdB為服從N(0，σ2)分布的隨機(jī)變量。

根據(jù)式(7)和式(8)可以給出簡化的SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)信道模型為

通過表1可以看出，在不遮擋天線的情況下，靜止物體對RSSI影響很小，僅有0.5 dBm；當(dāng)通信過程有快速物體移動時，瞬間對RSSI造成的影響較大，約為4 dBm～6 dBm。結(jié)合式(9)，在室內(nèi)情況下(d≤8 m)，當(dāng)發(fā)射功率為Pt=－10 dBm時，RSSI的合理取值在－75 dBm附近(該值可根據(jù)系統(tǒng)發(fā)射功率的大小調(diào)整)。

由于初始信道在受到嚴(yán)重頻率沖突時，會導(dǎo)致收發(fā)雙方無法握手的現(xiàn)象發(fā)生，因此頻率捷變機(jī)制還需要具有自動捕獲初始信道的功能。設(shè)定收發(fā)兩端的邏輯信道號都是從0到4，發(fā)送端的信道以2 ms的周期切換信道，而接收端的邏輯信道號則以10 ms的周期循環(huán)變換。這意味著，無論收發(fā)雙方的初始信道是否一致，在接收端當(dāng)前信道的10 ms周期內(nèi)總會有2 ms的時間與發(fā)送端的信道號相一致，從而使收發(fā)兩端能夠自動約定初始信道，其算法流程如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的頻率捷變算法流程

SimpliciTI中的頻率捷變算法是通過檢測RSSI值來避免環(huán)境中的噪聲干擾:若當(dāng)前信道噪聲較弱，則正常通信；若當(dāng)前信道噪聲較強(qiáng)，則進(jìn)行信道切換?？紤]到原算法在頻道切換方面存在盲目性，改進(jìn)算法建立了用于保存RSSI測試值的信道列表，該列表中的RSSI值按從大到小順序排列。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過比較列表中前三項(xiàng)RSSI的平均值與設(shè)定閥值的大小，判斷網(wǎng)絡(luò)是否需要進(jìn)行信道切換；同時，將閥值比較次數(shù)設(shè)置為3次，即需要檢測30次RSSI的值，以降低由于瞬間干擾造成信道切換的可能性。

為了驗(yàn)證該算法在信道切換方面的可靠性和有效性，對SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為18 m×2 m辦公場所，區(qū)域內(nèi)有如WLAN等2.4 GHz干擾信號；選取40個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括1個AP，3個RE以及36個終端設(shè)備；將終端設(shè)備排列在區(qū)域兩端，并使AP和RE均勻分布在兩列終端設(shè)備之間；測試干擾源(行人)以2 m/s的速度對測試節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑進(jìn)行阻礙，算法改進(jìn)前后的信道切換次數(shù)對比值如表2所示。

表2 算法改進(jìn)前后的信道切換次數(shù)對比

為了驗(yàn)證該算法對傳輸數(shù)據(jù)的影響，采取分別測試AP節(jié)點(diǎn)和任意一個ED節(jié)點(diǎn)通信包的方式進(jìn)行驗(yàn)證，無線網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)通信測試結(jié)果

通過上圖可以看出，ED設(shè)備的發(fā)送數(shù)據(jù)長度和AP設(shè)備的接收數(shù)據(jù)長度均為3 ms；雖然在路徑損耗的作用下AP接收信號幅值為2.8 V略低于發(fā)送信號的幅值3.2 V，但不影響總體無線通信性能，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

4 結(jié)論與分析

本文通過FA幀模型和RSSI閥值檢測算法改進(jìn)現(xiàn)有SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)的頻率捷變機(jī)制，研究結(jié)果表明:采用FA幀同步碼可提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，尤其適用于輻射干擾源較多的環(huán)境；同時，通過時鐘調(diào)節(jié)算法可將整個網(wǎng)絡(luò)的同步時間誤差控制在1.2 ms內(nèi)，并得到同步時鐘誤差與網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)呈近似線性的關(guān)系；RSSI閥值的選擇和信道列表的應(yīng)用增強(qiáng)了檢測算法的適應(yīng)性，使信道切換次平均降低3次。因此，改進(jìn)的頻率捷變機(jī)制在綜合性能上有較大提高，起到降低網(wǎng)絡(luò)開銷的作用。在小型辦公場合，選擇SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)代替功耗和復(fù)雜度都很高的Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著輻射源種類的日益增加，無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力體現(xiàn)著日趨重要的作用，因此，SimpliciTI協(xié)議中主從同步技術(shù)的可靠性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性需要在大規(guī)模通信環(huán)境下進(jìn)一步研究和認(rèn)證。此外，如何利用功率放大器件增加發(fā)射功率，進(jìn)而加大節(jié)點(diǎn)間的通信距離，使SimpliciTI不受限于小型工作網(wǎng)絡(luò)將是下一步研究的重要方向。

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