基于SimpliciTI協(xié)議的跳頻機(jī)制研究

杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 毛海明 陳科明 劉福濤

基于SimpliciTI協(xié)議的跳頻機(jī)制研究

杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 毛海明 陳科明 劉福濤

無(wú)線通信技術(shù)在日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，無(wú)線跳頻技術(shù)也由于其良好的抗干擾性而被廣泛應(yīng)用。本文在分析跳頻原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合SimpliciTI協(xié)議中的跳頻機(jī)制，針對(duì)該跳頻機(jī)制的不足進(jìn)行了研究和改進(jìn)，并在MSP430單片機(jī)控制CC1100E射頻芯片上進(jìn)行了軟件編程，從而進(jìn)一步提高了該協(xié)議中無(wú)線跳頻機(jī)制的抗干擾能力。

無(wú)線通信；抗干擾；跳頻機(jī)制

1.引言

隨著通信和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用步伐不斷加快，正日益走向成熟。由于其自身成本低廉、靈活性高、易用性強(qiáng)、施工周期短等優(yōu)勢(shì)，無(wú)線通信技術(shù)廣泛應(yīng)用在智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、抗災(zāi)搶險(xiǎn)等領(lǐng)域。然而，它也有一些缺點(diǎn)，如容易受干擾，安全性低，可靠性較差。因此，克服無(wú)線通信技術(shù)的這些缺點(diǎn)是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。該文就如何提高無(wú)線通信的抗干擾問(wèn)題上，利用MSP430單片機(jī)控制CC1100E射頻芯片，以SimpliciTI協(xié)議為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)了跳頻技術(shù)，從而提高了無(wú)線通信的抗干擾能力。

2.跳頻原理

跳頻通信技術(shù)作為一種有效的抗干擾通信技術(shù)，在現(xiàn)代無(wú)線抗干擾通信中應(yīng)用廣泛。跳頻工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照設(shè)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式。從通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)說(shuō)，跳頻是一種用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統(tǒng)。從時(shí)域上看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào)；從頻域上看，跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)跳變的信號(hào)[1，2]。與定頻通信相比，跳頻通信具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻道被干擾，還可以在其他頻道上進(jìn)行正常的通信。

3.SimpliciTI協(xié)議中的跳頻機(jī)制

3.1 跳頻機(jī)制的優(yōu)勢(shì)

在沒有跳頻機(jī)制的組網(wǎng)方式中，網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都使用固定的通信頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)信道遭遇噪聲干擾時(shí)，數(shù)據(jù)通信受影響，節(jié)點(diǎn)依靠暫存數(shù)據(jù)延時(shí)重復(fù)發(fā)送的方法來(lái)減少丟包率，這樣的方式會(huì)消耗大量的網(wǎng)絡(luò)能量、遇到長(zhǎng)時(shí)間阻塞信道會(huì)大量丟包。SimpliciTI協(xié)議的跳頻機(jī)制是在占用通信信道被外界強(qiáng)烈干擾下，進(jìn)行信道的選擇切換，找到可用信道再繼續(xù)通信的一種通信策略。這使得通信可靠性得到很大提高，信道的利用率增強(qiáng)，也提高了傳輸能力。

3.2 跳頻機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 SimpliciTI中跳頻的工作流程

網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)程序在mrfi_f1f2.c文件里都會(huì)有一個(gè)相同的信道列表，分別以邏輯信道0，1，2…的方式命名，一般為4個(gè)信道，在節(jié)點(diǎn)上電初始化后，節(jié)點(diǎn)默認(rèn)進(jìn)入邏輯信道0。在網(wǎng)絡(luò)中中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理和調(diào)度，是頻率跳變的發(fā)起者和組織者。該設(shè)備利用信道檢測(cè)算法持續(xù)監(jiān)測(cè)信道的噪聲干擾，如果判定網(wǎng)絡(luò)受到噪聲干擾，影響正常的網(wǎng)絡(luò)通信，則進(jìn)行頻率跳變，實(shí)現(xiàn)切換信道，它會(huì)向網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送一個(gè)廣播幀，通知其切換到相應(yīng)信道。處于激發(fā)態(tài)的節(jié)點(diǎn)會(huì)接收到廣播幀即時(shí)更改自身信道，這樣就可以繼續(xù)通信了[3]。

3.2.2 SimpliciTI中跳頻的軟件實(shí)現(xiàn)

基于以上RSSI的分析，中心節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)如下：首先檢測(cè)當(dāng)前所在信道，對(duì)當(dāng)前信道連續(xù)取RSSI值，如果當(dāng)前信道噪聲信號(hào)不強(qiáng)，則返回。如果檢測(cè)到當(dāng)前信道噪聲信號(hào)較強(qiáng)，可能會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間的通信，則中心節(jié)點(diǎn)發(fā)生頻率跳變，跳變到信道列表中其他信道。判斷時(shí)RSSI閥值取-70dBm，如果連續(xù)3次RSSI樣值大于-70dBm，則進(jìn)行頻率跳變[4，5]。中心節(jié)點(diǎn)頻率跳變的程序流程圖如圖1所示。

檢測(cè)當(dāng)前信道判斷是否要發(fā)生頻率跳變的函數(shù)checkChangeChannel(void)關(guān)鍵代碼如下：

4.跳頻機(jī)制的改進(jìn)措施

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)采用跳頻機(jī)制，在一定程度上有效地解決了外界對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的干擾問(wèn)題。但是，對(duì)于中心節(jié)點(diǎn)而言，當(dāng)需要進(jìn)行跳頻時(shí)，由改變信道的函數(shù)changeChannel(void)可知，改變到新的信道是按照邏輯順序依次向上遞增的，這樣就存在著一個(gè)問(wèn)題，就是跳頻過(guò)程中有一定的盲目性。針對(duì)這種情況，該文提出了基于RSSI的預(yù)測(cè)信道質(zhì)量算法，使得在跳頻時(shí)更快找到合理的信道，減少盲目性。

該算法是在中心節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)基于噪聲信號(hào)強(qiáng)度的列表，這一列表與信道列表一一對(duì)應(yīng)，并定時(shí)更新這一列表。當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)需要跳頻時(shí)，就可以選取噪聲信號(hào)強(qiáng)度最弱所對(duì)應(yīng)的信道進(jìn)行切換，避免了切換到新信道后噪聲強(qiáng)度更大的可能性。中心節(jié)點(diǎn)改進(jìn)后頻率跳變的程序流程圖如圖2所示。

更新噪聲信號(hào)強(qiáng)度列表的函數(shù)關(guān)鍵代碼如下：

圖1 改進(jìn)前頻率跳變流程圖

圖2 改進(jìn)后頻率跳變流程圖

圖3 改進(jìn)前頻率跳變過(guò)程

圖4 改進(jìn)后頻率跳變過(guò)程

在2.2.2中改變信道的函數(shù)change Channel(void)中將if語(yǔ)句段去掉，之后添加一條語(yǔ)句sChannel=chan_ok();即可。

接下來(lái)進(jìn)行測(cè)試比較，其測(cè)試條件為：AP初始化時(shí)有4個(gè)信道，開始在信道0進(jìn)行通信，我們?cè)谛诺?和信道1均產(chǎn)生噪聲信號(hào)，觀察AP進(jìn)行跳頻的過(guò)程。改進(jìn)前跳頻過(guò)程如圖3所示，改進(jìn)后跳頻過(guò)程如圖4所示。從圖中可以看出改進(jìn)前AP是從信道0跳到信道1，再跳到信道2（圖中01和02表示），而改進(jìn)后AP是直接從信道0跳到信道2（圖中02表示）。這樣就提高了AP的跳頻效率。

5.結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試改進(jìn)后的跳頻通信系統(tǒng)在相同噪聲干擾條件下的跳頻次數(shù)明顯減少，從而節(jié)約了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量消耗。隨著無(wú)線頻譜資源的日益緊張，采取跳頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗干擾通信將會(huì)顯得越來(lái)越重要，跳頻通信技術(shù)的應(yīng)用提高了無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹2]。而利用低功耗MSP430單片機(jī)和CC1100E射頻芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)無(wú)線跳頻系統(tǒng)是一種廉價(jià)、方便的解決方案，所以必將在民用市場(chǎng)受到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。

[1]李文仲,段朝玉,等.短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006:196-197.

[2]李立早,魏欣.基于CC2510的無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].江蘇科技信息,2010,10:41-43.

[3]王軍強(qiáng).基于SimpliciTI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué)通信工程學(xué)院,2009:31-38.

[4]宋繼勛.無(wú)線小型自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京交通大學(xué)2009:47-49.

[5]Texas Instruments.Application Note:SimpliciTI Frequency Agility[A].Texas Instruments,2007(1):4-13.

Signal Strength Indicator)表示接受信號(hào)強(qiáng)度指示。CC 1100E芯片中的RSSI值是對(duì)當(dāng)前信道中信號(hào)功率電平的評(píng)估值，在接受模式下，RSSI狀態(tài)寄存器的值會(huì)不斷更新，所以，可以在空載時(shí)讀取RSSI值來(lái)判斷該信道中噪聲信號(hào)的強(qiáng)度，作為跳頻的依據(jù)。

RSSI（

毛海明（1987—），男，浙江上虞人，杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院2010級(jí)碩士研究生，研究方向：電路與系統(tǒng)。