面向IEEE802.15.4協(xié)議的跳頻信道接入方法*

劉述鋼，詹　杰（湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南湘潭411201）

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面向IEEE802.15.4協(xié)議的跳頻信道接入方法*

劉述鋼*，詹杰
（湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南湘潭411201）

摘要：IEEE802.15.4協(xié)議中2.4 GHz頻段的信道極易受Wi-Fi等信號干擾，且其規(guī)定節(jié)點丟失信標(biāo)幀數(shù)量超過aMaxLost?Beacons就判定為孤立節(jié)點，需要重新掃描信道進(jìn)行重新同步，這必將導(dǎo)致較大吞吐量降低和時間消耗。本文分析IEEE802.15.4和IEEE802.11在2.4 GHz頻段中信道重疊規(guī)律，提出一種利用信標(biāo)幀的周期性作為跳頻函數(shù)輸入變量生成的跳頻序列，以此快速選擇未受干擾的信道，該方法不需增加信標(biāo)幀負(fù)荷和開銷，且簡單易實現(xiàn)。Wi-Fi干擾源測試結(jié)果表明，平均吞吐量最低能提高約16%，平均傳輸延遲由25.86 ms降低到9.07 ms。

關(guān)鍵詞：IEEE802.15.4；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；跳頻；信道干擾；時間同步

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（61540012）)；湖南省教育廳科學(xué)研究項目（14C0442）；湖南省自然科學(xué)基金項目（2015JJ2060）

IEEE802.15.4協(xié)議作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的PHY和MAC層通信標(biāo)準(zhǔn)，正在我國的智能電網(wǎng)、智能集中抄表等自組網(wǎng)系統(tǒng)中大規(guī)模部推廣［1］。為了提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸效率，文獻(xiàn)［2-3］采用優(yōu)化MAC協(xié)議的信道訪問方法，但該方法實現(xiàn)時需要在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上增加通信開銷。同時，IEEE802.15.4協(xié)議中也沒有明確規(guī)定如何解決同頻段網(wǎng)絡(luò)的干擾問題，為盡可能避免同頻段網(wǎng)絡(luò)信號干擾，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，設(shè)計一個簡單可靠信道訪問的跳頻方法［4-8］用于提高通信抗干擾能力是至關(guān)重要的。因電、水、氣、熱等計量表大多位于室內(nèi)或居民樓道中，大量家用Wi-Fi、Blue?tooth等使用2.4 GHz頻段通信設(shè)備極易干擾IEEE802.15.4協(xié)議中2.4 GHz頻段，特別是功率強大的Wi-Fi信號，文獻(xiàn)［9-11］研究表明Wi-Fi嚴(yán)重影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

為提高通信質(zhì)量，文獻(xiàn)［12-13］對單信道MAC協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，采用預(yù)約數(shù)據(jù)交互機制或多次握手與批量傳輸機制，減少傳輸報文碰撞來改善QoS。這些單信道MAC協(xié)議優(yōu)化研究改善了報文沖突，但是大多是以增加協(xié)商報文為代價。因此，越來越多的文獻(xiàn)關(guān)注跳頻方式動態(tài)控制的多信道分配，文獻(xiàn)［9-11］采用獨立的控制信道實現(xiàn)多個物理信道間的跳頻同步控制，利用控制信道實現(xiàn)多個業(yè)務(wù)信道間的用戶調(diào)度，提高信道的利用率，這主要是解決網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點間的相互干擾；文獻(xiàn)［14-15］采用主動隨機跳頻的方式選擇信道，但隨機跳頻難以保證快速避免Wi-Fi等干擾信道，也可能增加網(wǎng)內(nèi)傳輸報文的沖突及同步時間。

針對IEEE802.15.4協(xié)議沒有約定重新選擇新信道的跳頻方法現(xiàn)實，本文著力分析與Wi-Fi通信信道之間的內(nèi)在重疊關(guān)系，設(shè)計一個可以平均使用所有信道的跳頻序列函數(shù)，能快速找到一個信道進(jìn)行通信。該方法在不增加信標(biāo)幀負(fù)荷和開銷的情況下能有效避免Wi-Fi信號干擾，極大改善IEEE802.15.4通信系統(tǒng)的平均吞吐量和平均傳輸延遲。

1　 IEEE802.15.4協(xié)議存在的信道選擇問題

IEEE 802.15.4協(xié)議中規(guī)定2.4 GHz頻段共有16個信道，其中心頻點表達(dá)式為：

其中，n為信道號。協(xié)議規(guī)定信標(biāo)幀傳輸?shù)氖〈螖?shù)達(dá)到一個aMaxLostBeacon（接收MAC層連續(xù)丟失的最大信標(biāo)幀數(shù)）上限時，協(xié)調(diào)器就以能量檢測掃描（ED-SCAN）的方式在16個信道中重新順序訪問，找到一個可用新信道時，協(xié)調(diào)器發(fā)送“信道更新”命令取代信標(biāo)幀通知其所屬節(jié)點，下一次超幀將使用的通信信道。然而由于原信道存在干擾，協(xié)調(diào)器所屬節(jié)點很難收到“信道更新”命令，易與協(xié)調(diào)器失去同步而成為孤立節(jié)點。如此一來，失去同步的節(jié)點就必須采用孤立節(jié)點掃描方式尋找新信道，同時也必將增加同步通信量，會導(dǎo)致較大的能量消耗。孤立節(jié)點掃描新信道時會存在以下主要問題：

①能量消耗大：孤立節(jié)點進(jìn)行掃描時，無線接收器都必須處于開啟狀態(tài)，因此孤立節(jié)點掃描的時間越長，將造成節(jié)點的能量消耗越大，對于以電池供電的節(jié)點而言，其使用壽命會嚴(yán)重縮短。

②失去同步：協(xié)調(diào)器要跳離開原來的通信信道，往往是在原信道收到嚴(yán)重干擾的情況下發(fā)生，這時節(jié)點成功收到“信道更新”命令的概率必將大大降低，如果節(jié)點沒成功收到改變信道的信息，仍然繼續(xù)維持原信道通信，就難以正確收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)幀，這就造成節(jié)點與協(xié)調(diào)器失去同步。根據(jù)IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)定，節(jié)點如果無法接收的信標(biāo)幀次數(shù)超過aMaxLostBeacons值時，會將自己判定為孤立節(jié)點，必將與協(xié)調(diào)器失去同步。孤立節(jié)點接著通過運行新信道掃描流程尋找可使用的信道進(jìn)行重新同步，然而每次執(zhí)行孤立節(jié)點信道掃描耗費時間一般都比較長，最差的情況需把16個信道全部掃描完后方能找到自己所屬的協(xié)調(diào)器，花費時間為(48×2BO+1)×16 UBP，其中：BO（Beacon Order）為信標(biāo)順序，UBP（Unit Backoff Period）為退避周期單元，IEEE802.15.4中1 s含有3 125個最小單UBP。例如：BO=6，需要花費近16 s才能完成孤立節(jié)點掃描。在電、水、氣、熱等自組網(wǎng)通信應(yīng)用中，通常BO遠(yuǎn)大于超幀順序SO（Superframe Order），孤立節(jié)點信道掃描時間會更長，造成數(shù)據(jù)傳輸時間延遲與節(jié)點能耗增大。

2　 IEEE 802.15.4與Wi-Fi信道重疊分析

Wi-Fi、Bluetooth等設(shè)備與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備都可采用ISM的2.4 GHz頻段，因此同頻干擾是不可避免的，特別是功率強大的Wi-Fi信號，與IEEE 802.15.4頻段有重疊，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道干擾的重要來源之一，其經(jīng)常會造成IEEE802.15.4通信的中斷，迫使節(jié)點跳離原有通信信道。見式（1）可知，2.4 GHz頻段上共16個信道，分別為信道11（ch11）～信道26（ch26），每個信道的中心頻率相隔5 MHz，信道間無頻譜重疊。而IEEE 802.11b （Wi-Fi）在2.4 GHz的頻段上共劃分為11個子信道，每個子信道的帶寬為22 MHz，子信道的中心頻點間隔5 MHz，相鄰多個信道存在頻率重疊，如：信道1（ch1）與信道2（ch2）、信道3（ch1）、信道4 （ch4）、信道5（ch5）有頻率重疊。如圖1所示W(wǎng)i-Fi常使用3個不重疊的信道為主，分別為ch1、ch6和ch11，可以看出IEEE802.15.4與IEEE802.11b之間無沖突的信道分別是ch15、ch20、ch25以及ch26，理論上說，在這些非重疊信道上建立的通信，與IEEE 802.11b不易發(fā)生沖突干擾，但在實際應(yīng)用中，通信的頻點會有漂移，因此在上述非重疊的4個IEEE 802.15.4信道，除ch26外，其它的信道或多或少地存在一定的干擾，因此ch26是2.4 GHz頻段無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最可靠的一個信道。

圖1　IEEE 802.15.4與Wi-Fi信道重疊分布

3　跳頻序列設(shè)計

為了確保網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的MAC定時器與其所歸屬協(xié)調(diào)器MAC定時器保持同步，可利用信標(biāo)幀的周期性特征，將收發(fā)信標(biāo)幀作為一個實時性跳頻事件來處理，在MAC層建立一個專用定時器和事件處理器作為觸發(fā)跳頻事件的產(chǎn)生和處理，以時鐘同步的方式完成跳頻同步。為了不增加信標(biāo)幀的負(fù)荷或開銷，見圖2超幀結(jié)構(gòu)示意圖，信標(biāo)幀負(fù)荷中保留欄可以重新定義，本文定義為MAC跳頻同步時鐘信息，用做所屬每個節(jié)點的信道同步。整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都以此時鐘作為一個跳頻函數(shù)的輸入來產(chǎn)生跳頻序列表，每個節(jié)點根據(jù)跳頻序列表周期性地選擇通信信道。這種跳頻方法是充分利用了超幀的保留欄，并不需要更改協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)流程，僅多了一個讓MAC定時器同步操作以及周期性啟動跳頻的事件，節(jié)點依照跳頻序列表周期性地選擇新信道。例如：當(dāng)有節(jié)點想要加入網(wǎng)絡(luò)時，其使用主動（Active）掃描或是被動（Passive）掃描方式來掃描整個網(wǎng)絡(luò)，若在掃描的結(jié)果里發(fā)現(xiàn)有支持跳頻事件模式的跳頻指示，表示此網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器正在使用跳頻機制，因此節(jié)點將會按照信標(biāo)幀負(fù)荷里所含的MAC同步時鐘信息將本身MAC定時器與之同步，并啟動跳頻機制，以確保跳頻同步。同時，跳頻周期設(shè)計與信標(biāo)間隔BI（Beacon Interval）相同，這樣能夠保證至少有一個完整的超幀可以使用。

圖2　超幀規(guī)格域中跳頻通知欄定義

IEEE802.15.4協(xié)議中孤立節(jié)點掃描是依16個信道順序進(jìn)行，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，當(dāng)一個信道受干擾時，相鄰信道受干擾的可能性相應(yīng)增加，為了提高選擇新信道可用性，根據(jù)圖1的ch11至ch25與Wi-Fi重疊分析，為保證這15個信道等概率使用，把重疊的15個信道平均劃分為3組，可設(shè)計跳頻序列函數(shù)的表達(dá)式為：

其中，i為同步信號索引。因受干擾的信道共有15個，即i=tmod15，t是觸發(fā)跳頻事件的MAC定時器時鐘除以BI的商，由此跳頻序列函數(shù)所產(chǎn)生的跳頻序列如圖3所示。

圖3　ch11-ch25的跳頻序列分布

完全沒有重疊的ch26沒有出現(xiàn)在圖3中，為了加強抗干擾能力，可把該信道平均插入到被Wi-Fi重疊的3組信道中，需要插入3次后產(chǎn)生新跳頻信道序列，此時同步信號索引變?yōu)閕=tmod18，跳頻序列變?yōu)槿鐖D4所示。

圖4　ch11-ch26跳頻序列分布

假設(shè)p是此跳頻序列產(chǎn)生的信道與Wi-Fi信道重疊的概率，根據(jù)圖4可以做如下幾種情況的推導(dǎo)：

①只有1個Wi-Fi無線訪問點（AP）時，最多與5個IEEE802.15.4通信信道重疊，即重疊的概率為：

②只有2個Wi-Fi無線訪問點（AP）時，最多與10個IEEE802.15.4的信道重疊，即重疊的概率為：

③只有3個Wi-Fi無線訪問點（AP）時，最多與15個IEEE 802.15.4的信道重疊，即重疊的概率為：

綜上所述，因ch26平均插入的緣故，即使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ch11至ch25被Wi-Fi信號完全重疊，整個網(wǎng)絡(luò)至少約有16%的概率可能免受干擾，則可利用ch26的特性協(xié)調(diào)節(jié)點與協(xié)調(diào)器間的同步。

4　實驗方法及結(jié)果分析

為了驗證時鐘同步模式跳頻機制的運行效果，構(gòu)建如圖5所示意的實驗環(huán)境：

①實驗設(shè)備為：3臺IEEE 802.11b無線AP，即AP1、AP2和AP3；3臺內(nèi)置IEEE 802.11筆記本，即B1、B2和B3；2臺IEEE 802.15.4節(jié)點，分別為低壓集中抄表系統(tǒng)的集中器（協(xié)調(diào)器C1）和電表（普通節(jié)點M1）。

②實驗條件為：AP之間、筆記本之間的距離約為3 m，1臺AP只與1臺筆記本通信（AP1與B1、AP2與B2、AP3與B3），流量設(shè)定為2 MB/s，3臺AP的工作信道分別為ch1、ch6和ch11，且以網(wǎng)線與同一臺交換機相連，AP與筆記本之間通信用作IEEE802.15.4的干擾源；C1與M1距離約為2 m，BO與SO都設(shè)置為3，因此一個超幀的大小為122.88 ms，幀的大小設(shè)置為45Bytes；C1每10 ms產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)（即每秒的通信量為4 500個字節(jié)），工作在非跳頻狀態(tài)時，其通信信道固定于ch12。

圖5　實驗驗證示意圖

表1顯示4種干擾條件下連續(xù)統(tǒng)計（每秒做一次統(tǒng)計）平均吞吐量實驗結(jié)果（每種情況做600次實驗）。在無AP工作、AP1工作、AP1和AP2同時工作、3臺AP同時工作等4種情況，在C1與M1通信過程中，無AP開啟工作時，平均吞吐量基本相同，分別為4 429 B/s和4 426 B/s，通信成功率都在98%以上；在AP開啟的3種情況，C1與M1固定信道通信時，信道受干擾非常嚴(yán)重，吞吐量降低都約60%以上，而在跳頻通信時，平均吞吐量都有明顯的改善，分別為3 739 byte/s、2 996 byte/s、2 234 byte/s。根據(jù)式（3）、式（4）和式（5）所推導(dǎo)結(jié)果可知，在IEEE 802.11信道重疊干擾環(huán)境下平均吞吐量下降的理論值分別為16.7%、33.5%、50.1%，即理論平均吞吐量相對于無干擾時的83.3%、67.5%、49.9%，這些理論數(shù)據(jù)與表1的實驗結(jié)果非常接近，因此可以看出理論推算結(jié)果與實驗大致相同。

表1　平均吞吐量

表2顯示了有AP干擾的3種情況下分別成功傳輸5 000數(shù)據(jù)幀的平均訪問延遲時間。延遲時間的定義為每一幀依次傳輸，并將傳輸此序號幀的初次傳輸時間記錄下來，直到收到此幀的ACK，將收到的ACK的時間減去幀傳輸?shù)臅r間即得訪問延遲。在非跳頻通信時，平均訪問延遲由7.42 ms增加到25.86 ms，增加約3.5倍，而使用跳頻機制通信時，平均訪問延遲由7.48 ms增加到9.07 ms，卻只增加約1.2倍，這說明本文設(shè)計的跳頻信道訪問機制大大改善了平均訪問延遲時間。

表2　平均訪問延遲

5　結(jié)論

2.4GHz的ISM頻段信道環(huán)境日趨惡劣，每種協(xié)議實現(xiàn)都需要盡力采用一定的跳頻技術(shù)來減少干擾或避免干擾。有些協(xié)議里規(guī)定了跳頻方法，設(shè)計者只是對提出的方法加以實施，而IEEE 802.15.4協(xié)議沒有約定重新選擇信道的跳頻方法，因此本文提出了利用信標(biāo)幀周期性特征產(chǎn)生跳頻序列，在不增加信標(biāo)幀負(fù)荷和開銷的同時，能快速準(zhǔn)確選擇未受干擾信道的信道訪問方法，Wi-Fi干擾源測試結(jié)果表明平均吞吐量和平均訪問延遲都有明顯的改善，為智能居民小區(qū)自動抄表等自組網(wǎng)系統(tǒng)的實施提供一種有效的技術(shù)參考。

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劉述鋼（1978-），男，博士，湖南科技大學(xué)講師，主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、電力線載波通信等現(xiàn)代通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究，liusgkd@126.com；

詹杰（1973-），男，博士，湖南科技大學(xué)副教授，主要研究方向為現(xiàn)代通信理論和無線傳感網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)。

Channel Access Method of Frequency-Hopping for IEEE 802.15.4 Protocol*

LIU Shugang*，ZHAN Jie
（School of Physics and Electronic Science，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

Abstract：The channels of 2.4 GHz frequency-band of IEEE802.15.4 protocol are vulnerable to interference of Wi-Fi signals. Furthermore，anode can be sentenced as orphan node if a number of dropped Beacons is exceed to aMax?LostBeacons in IEEE802.15.4 protocol，and it re-scan all channels in order to synchronize Coordinator. So this may lead to decline the throughput and increase the time-consumption. In this paper，through analyzing overlapping dis?cipline of channels between IEEE802.15.4 with IEEE802.11，based on beacon periodicity we propose a frequency hopping function to generate the frequency-hopping sequence，which help to quickly select a communication chan?nel without interference. The proposed method is easy to implement，however，the payload and overhead of Beacon frame need not increase. The experimental results under Wi-Fi interference indicate that the average throughput may be increased by about 16%，and the average transmission delay is reduced from 25.86 ms to 9.07 ms.

Key words：IEEE802.15.4；wireless sensor networks；frequency-hopping；channel interference；time synchronization EEACC：7230

doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.03.022

收稿日期：2015-10-24修改日期：2015-12-13

中圖分類號：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）03-0434-05