基于DSSS-LFM-FRFT的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中抗RFID干擾研究

池 濤，嚴(yán)浩偉

(1.上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201306；2.農(nóng)業(yè)部 漁業(yè)信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306)

0 引 言

近年來隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與普及，越來越多的無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，使得農(nóng)作物養(yǎng)殖朝著精細(xì)化、智能化方向全面發(fā)展。ZigBee和RFID(radio frequency identification)(有源)2種設(shè)備已在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)運(yùn)而生，負(fù)責(zé)農(nóng)作物的監(jiān)測(cè)與追溯等工作，ZigBee和RFID都工作在2.4 GHz ISM頻段，由于在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中不需要連接的物理介質(zhì)，在同一頻帶內(nèi)運(yùn)行的多個(gè)無線模塊信號(hào)可能發(fā)生干擾，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信性能下降甚至失去連通性。目前對(duì)兩者的干擾分析與解決的成果還比較少，文獻(xiàn)[1]分析了ZigBee/RFID共存時(shí)的干擾模型并給出了干擾檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[2]剖析了干擾的原因，研究并總結(jié)了2.4 GHz開發(fā)頻段的抗干擾協(xié)調(diào)方法和措施，得到了物聯(lián)網(wǎng)短距離無線應(yīng)用框架。文獻(xiàn)[3]提出了時(shí)間調(diào)度與用于RFID的睡眠方案相結(jié)合并給出了時(shí)間序列模型，以進(jìn)一步降低碰撞率和能量消耗。文獻(xiàn)[4]分析了有源RFID會(huì)對(duì)同頻WiFi和Bluetooth產(chǎn)生影響，分析了頻域碰撞概率，利用信道切換方法進(jìn)行干擾避免。文獻(xiàn)[5]在智能建筑中布置ZigBee節(jié)點(diǎn)，測(cè)得ZigBee和WiFi共存時(shí)數(shù)據(jù)包的發(fā)送成功率、數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤率、數(shù)據(jù)包丟失率以及數(shù)據(jù)包延時(shí)等情況。文獻(xiàn)[6]通過判斷信道能量的高低來選擇信道進(jìn)行加入。迄今為止，ZigBee/RFID的共存性研究還比較少，已有的研究也都是從時(shí)域或頻域上進(jìn)行理論分析，但并沒有最大限度地利用頻譜資源且沒有進(jìn)行抗干擾研究。

針對(duì)上述情況，本文量化分析了共存場(chǎng)景下ZigBee/RFID的信號(hào)沖突干擾成因，利用實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)試兩者共存時(shí)ZigBee的丟包率，提出一種新的干擾檢測(cè)算法?？紤]到傳統(tǒng)的直接序列擴(kuò)頻雖然具有一定的抗干擾能力，但在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下容易達(dá)到飽和狀態(tài)，就需要在接收機(jī)前端加入干擾抑制技術(shù)。結(jié)合波形在時(shí)域/頻域的特征提出了直序擴(kuò)頻再線性調(diào)頻的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換自適應(yīng)抗干擾方法(direct sequence spread spectrum-linear frequency modulation-fractional Fourier transform，DSSS-LFM-FRFT),該方法在系統(tǒng)檢測(cè)到干擾時(shí)啟動(dòng)，首先在信號(hào)到來時(shí)展寬信號(hào)頻譜，進(jìn)行線性調(diào)頻，接收端利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換將干擾信號(hào)濾除之后進(jìn)行逆變換，通過解調(diào)和解擴(kuò)還原原始信號(hào)，提升ZigBee網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和頻譜資源利用率。

1 ZigBee/RFID信號(hào)沖突量化分析

1.1 工作在同一信道沖突分析

當(dāng)ZigBee和RFID在2.4 GHz頻段上進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，同一信道可能會(huì)產(chǎn)生碰撞，參考IEEE 802.15.4和ISO 18000-4標(biāo)準(zhǔn)，得到的數(shù)據(jù)包時(shí)間沖突模型如圖1所示，相關(guān)符號(hào)參數(shù)如表1所示。

圖1 ZigBee/RFID數(shù)據(jù)包沖突模型Fig.1 ZigBee/RFID packet collision model

參數(shù)符號(hào)說明X隨機(jī)時(shí)間TZZigBee數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間SIFS短幀幀間隔時(shí)間Tackack數(shù)據(jù)包時(shí)間LIFS長幀幀間隔時(shí)間TidleZZigBee數(shù)據(jù)包之間空閑時(shí)間Tbackoff退避時(shí)間TCZigBee和RFID沖突時(shí)間TidleRFID數(shù)據(jù)包之間空閑時(shí)間TRRFID數(shù)據(jù)包命令和響應(yīng)時(shí)間LRRFID數(shù)據(jù)包之間空閑時(shí)間

由于ZigBee的數(shù)據(jù)包長度最大為127 Byte且最大通信速率為250 kbit/s，而RFID數(shù)據(jù)包長度為8 Byte且通信速率為40kbit/s左右，可見ZigBee和RFID的數(shù)據(jù)包傳送時(shí)間較為接近，假設(shè)2個(gè)系統(tǒng)使用同一信道通信，根據(jù)ZigBee和RFID的數(shù)據(jù)包長度和通信速率大小可以分析出以下情況,由圖1可計(jì)算出沖突時(shí)間如下。

1)TZ≤TR且TZ>Tidle

(1)

2)TZ>TRTidle

(2)

3)TR

(3)

4)TZ>TR且Tidle≤TZ≤LR

(4)

1.2 工作在不同信道沖突分析

根據(jù)ISO 18000-4標(biāo)準(zhǔn)[7]，RFID工作頻率為2 400～2 483.5 MHz且工作在100個(gè)信道,信道之間有重疊，如圖2所示。

圖2 RFID工作頻率分布Fig.2 RFID working frequency distribution

RFID的工作信道可以表示為

(5)

根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[8]，2.4 GHz頻段定義了16個(gè)信道，ZigBee工作頻率為2 400～2 483.5 MHz且信道間隔為5 MHz，如圖3所示。

圖3 ZigBee工作頻率分布Fig.3 ZigBee working frequency distribution

ZigBee的工作信道可以表示為

fc=2 405+5(k-11)，k=11,12,13,…,26

(6)

ZigBee使用DSSS技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)頻通信，而RFID使用FHSS(frequency-hopping spraed spectrum)技術(shù)進(jìn)行跳頻通信，RFID通信時(shí)信道在100個(gè)信道之間進(jìn)行切換且通信帶寬為0.819 2 MHz，ZigBee的通信帶寬為2 MHz，所以，頻域沖突可用PC表示為

(7)

通過ZigBee和RFID的信道分布可看出它們之間的不重疊頻域可表示為2 401+5(i-11)～2 404+5(i-11)=11,12, 13,…,27。因此，可以控制RFID的安全信道跳頻數(shù)為45個(gè)信道(0，1，2，7，8，9，13，14，15，19，20，21，25，26，27，32，33，38，39，40，44，45，50，51，56，57，58，62，63，64，68，69，70，74，75，76，80，81，82，86，87，88，93，94，99)，這樣雖然可以保證兩者之間信道不沖突，但同時(shí)也降低了頻譜資源利用率。

2 DSSS-LFM-FRFT自適應(yīng)抗干擾方法

為解決RFID場(chǎng)景下ZigBee同頻干擾問題，本文提出了新的抗干擾方法：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)信號(hào)受到干擾，即切換到抗干擾機(jī)制，本文利用一種DSSS-LFM-FRFT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展ZigBee網(wǎng)絡(luò)信道射頻信號(hào)頻譜，利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換濾除掉RFID的干擾信號(hào)。具體的方法框圖如圖4所示。在發(fā)送端，偽隨機(jī)碼對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，即將信源的頻譜擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去，然后進(jìn)行線性調(diào)頻，接收機(jī)前端進(jìn)行濾波處理后，再進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和解擴(kuò)。

圖4 DSSS-LFM-FRFT方法框圖Fig.4 Block diagram of DSSS-LFM-FRFT method

2.1 干擾檢測(cè)算法

無線通信共存時(shí)常常以PER(packet error rate)或RSSI(received signal strength indication)的值來判斷系統(tǒng)有無受到干擾，然后采用相應(yīng)的抗干擾算法進(jìn)行干擾避免。傳統(tǒng)的干擾檢測(cè)算法檢測(cè)到數(shù)據(jù)發(fā)生丟失時(shí)，會(huì)判斷PER或RSSI的值有無超過閾值，一旦沒有超過閾值，就判斷通信沒有其他信號(hào)干擾，但這樣帶來的問題是會(huì)忽略某些低功率無線信號(hào)的干擾[9-11]。

結(jié)合ZigBee和RFID的時(shí)域和頻域沖突時(shí)間，可以得到?jīng)_突時(shí)間為

T=TC×PC

(8)

X是一個(gè)描述時(shí)間的偏移量函數(shù)，所以平均沖突時(shí)間可以表示為

(9)

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和MAC層，其中,ZigBee的物理層在2.4 GHz頻段采用偏移四相相移鍵控(offset-QPSK)。Eb/N0表示每比特平均能量與加性高斯白噪聲(AWGN)信道下接收機(jī)收到的噪聲功率譜密度的比值。因此，ZigBee的誤比特率可以用PB,Z表示[12],γ≈0.85，即

(10)

(11)

有多個(gè)RFID干擾下的ZigBee的誤比特率PB,Z,R可表示如下

(12)

(13)

(13)式中：SINRR(K)表示RFID干擾下的ZigBee的信噪比；PRX，Z表示ZigBee接收端接收到的ZigBee信號(hào)功率；PN0表示噪聲功率；K表示多個(gè)閱讀器同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)而產(chǎn)生碰撞。PRX，R表示RFID干擾功率。所以，綜合考慮ZigBee在有RFID信號(hào)干擾下和無RFID信號(hào)干擾下的丟包率PER可以表示為

PER=1-(1-PB,Z)Tave/Tb(1-PB,Z,R)(TB-Tave)/Tb

(14)

(14)式中，Tb表示ZigBee的比特持續(xù)時(shí)間。

目前ZigBee自身有一定的抗干擾能力[13-14]，主要包括空閑信道評(píng)估(clear channel assessment,CCA)，通過判斷信道是否空閑，來選擇是否加入網(wǎng)絡(luò)；直序擴(kuò)頻技術(shù)將原來較高功率、較窄的頻率變成較寬頻的低功率頻率，以在無線通信的時(shí)候獲得一定的抗噪聲能力；應(yīng)答重傳和幀緩存使得傳送數(shù)據(jù)幀給設(shè)備時(shí)，如果接收設(shè)備處于忙或者休眠狀態(tài)則不能接收該幀，雖然調(diào)制方式簡單，但也具有一定的抗干擾能力。ZigBee自身的抗干擾機(jī)制存在隱藏終端問題[15],因此，本文結(jié)合PER提出新的ZigBee干擾檢測(cè)算法，算法步驟可分為以下3個(gè)步驟。

步驟1判斷是否發(fā)生分組丟失，如是，轉(zhuǎn)步驟2，如否，p=0;

步驟2執(zhí)行信道干擾掃描評(píng)估;

步驟3判斷干擾信號(hào)是否超過閾值P(通過(13)式得到)，如是，確定信道受到干擾，如否,p=p+1，如p達(dá)到閾值P1，則同樣確定信道受到干擾，如p沒有達(dá)到P1，則轉(zhuǎn)到步驟1。

2.2 DSSS-LFM-FRFT方法

線性調(diào)頻LFM是一種瞬時(shí)頻率與時(shí)間成正比的正弦波信號(hào)，具有很好的自相關(guān)性和互相關(guān)性等頻域特性[16]，線性調(diào)頻公式可表示為

(15)

(15)式中：A為信號(hào)振幅；τ為脈沖寬度；ω0為發(fā)射初始角頻率；μ為信號(hào)瞬時(shí)頻率的變化斜率。

為了驗(yàn)證(15)式所描述的特性，利用MATLAB工具進(jìn)行仿真，為了便于分析，仿真參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了簡化。線性調(diào)頻信號(hào)仿真參數(shù)設(shè)置：振幅為1，脈沖持續(xù)時(shí)間10 μs,頻率帶寬為30 MHz，時(shí)域圖如圖5所示，頻域圖如圖6所示，通過觀察可知，頻譜較為平坦，保證了信號(hào)經(jīng)過解擴(kuò)后能較為準(zhǔn)確地進(jìn)行譯碼。

圖5 線性調(diào)頻時(shí)域圖Fig.5 Linear frequency modulation time domain diagram

圖6 線性調(diào)頻頻域圖Fig.6 Linear frequency modulation frequency domain diagram

分?jǐn)?shù)階傅里葉變換是傅里葉變換的廣義形式，它將信號(hào)分解到同一調(diào)頻率、不同起始頻率的線性調(diào)頻基函數(shù)上，描述了信號(hào)從時(shí)域到頻域漸變的過程。具體公式可以用fp(u)表示[17]

(16)

分?jǐn)?shù)階傅里葉抗干擾原理可簡單描述為通過參數(shù)估計(jì),形成能量分布圖，利用峰值搜索找到FrFT階次p0,通過設(shè)置自適應(yīng)的干擾檢測(cè)門限，*M(u)相當(dāng)于中心頻率為u0的理想帶阻濾波器，將干擾所在單元做置零處理，經(jīng)過p0階次的逆變換，達(dá)到RFID干擾濾除的目的[18]。濾波過程如圖7所示。

圖7 濾波原理Fig.7 Filtering principle

直接序列擴(kuò)頻是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼(PN碼)線性調(diào)頻時(shí)域圖擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上，接收端用與發(fā)射端擴(kuò)展相同的偽隨機(jī)碼接收擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成原來的信號(hào),原理圖如圖8所示。

圖8 DSSS發(fā)射端原理圖Fig.8 Transmitter schematic diagram of DSSS

將待傳輸信號(hào)利用偽噪聲序列進(jìn)行調(diào)制，由基帶傳輸后與乘法器得到復(fù)合碼得到擴(kuò)頻信號(hào)，接收機(jī)利用相同的調(diào)制器作為解擴(kuò)器，得到原始載波信號(hào)。擴(kuò)頻后的信號(hào)可表示為如下形式

(17)

(17)式中：m(t)/TS表示載波功率；m(t)為數(shù)據(jù)信號(hào)；p(t)表示生成器生成的偽隨機(jī)碼；fc為載波頻率θ為相位，將濾除的信號(hào)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的方法，此方法的好處是信號(hào)已經(jīng)是濾除掉干擾信號(hào)，減少頻譜資源的競爭率，使得解碼譯碼操作更加方便。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證ZigBee/RFID共存時(shí)ZigBee的丟包率，實(shí)驗(yàn)采用基于CC2530的ZigBee實(shí)驗(yàn)儀器和基于nRF24LE1的RFID實(shí)驗(yàn)儀器在農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行測(cè)試。RFID儀器進(jìn)行收發(fā)實(shí)驗(yàn)作為干擾源進(jìn)行跳頻收發(fā)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試共存時(shí)ZigBee的丟包率，ZigBee儀器相距7 m，RFID干擾源與ZigBee接收機(jī)相距分別1，2，3，4，5，6 m。ZigBee儀器通過串口顯示丟包率與沒有干擾時(shí)進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為平均值，實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際測(cè)量的值與理論分析基本一致，當(dāng)ZigBee/RFID共存時(shí)相隔一定距離RFID通信時(shí)會(huì)對(duì)ZigBee產(chǎn)生一定的干擾。當(dāng)無干擾時(shí)，ZigBee接收機(jī)丟包率較低，隨著距離的增加，丟包率的值更高，但能較好地實(shí)現(xiàn)通信；當(dāng)存在干擾時(shí)，丟包率的值較高，尤其在干擾距離較近時(shí)，嚴(yán)重影響了ZigBee的正常通信。

圖9 干擾檢測(cè)Fig.9 Interference detection

通過直序擴(kuò)頻再線性調(diào)頻，利用Matlab仿真可以得到信號(hào)頻譜圖如圖10所示。仿真參數(shù)設(shè)置如下：chirp信號(hào)初始頻率為1 000 Hz，終止頻率為4 000 Hz，Sample time為1 s，信號(hào)源碼長為64，Code index為60，PN sequence信號(hào)源generator polynomial設(shè)為1000011，初始狀態(tài)為000001，Sine Wave取值為100 Hz。

圖10 DSSS和DSSS-LFM頻域圖Fig.10 DSSS and DSSS-LFM frequency domain diagram

通過觀察圖10可以看出，圖10b的頻譜分布在較寬的頻帶上，使得抗干擾能力有了一定的提升。為了更好地濾除掉干擾信號(hào)，在接收機(jī)前端使用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換。

在線性調(diào)頻信號(hào)中加入RFID干擾信號(hào)之后的線性調(diào)頻信號(hào)如圖11所示，RFID仿真參數(shù)根據(jù)(13)式設(shè)置，可見信號(hào)較之前信號(hào)變得不平坦起來。

圖11 ZigBee/RFID線性調(diào)頻信號(hào)Fig.11 ZigBee/RFID linear frequency modulation signal

對(duì)共存信號(hào)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，階數(shù)變化為(0，2)，步長為0.01，得到線性調(diào)頻信號(hào)能量分布圖如圖12所示，通過峰值檢測(cè)可以得出：p0=1.3，u=300。對(duì)共存信號(hào)進(jìn)行階數(shù)等于1.3進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，得到變換結(jié)果如圖13所示。

圖12 信號(hào)能量分布圖Fig.12 Signal energy distribution diagram

圖13 分?jǐn)?shù)階傅里葉變換信號(hào)Fig.13 Fractional Fourier transform signal

以u(píng)=300對(duì)變換后的結(jié)果進(jìn)行窄帶濾波，將干擾單元u置零，達(dá)到干擾濾除目的，濾除后的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域的波形如圖14所示。將濾波后的信號(hào)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉逆變換，得到濾波后的波形圖如圖15所示。

從前后圖對(duì)比來看，利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換之后的波形因?yàn)檫吔缧?yīng)的影響兩邊發(fā)生震蕩，但其他部分基本保留了原波形的特征，利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，在信號(hào)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻之前就進(jìn)行信號(hào)的濾波處理，不僅達(dá)到了干擾濾除的目的，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的本身的抗干擾性能。

本文對(duì)DSSS-LFM-FRFT方法較傳統(tǒng)的DSSS方法進(jìn)行誤碼率的仿真對(duì)比，仿真結(jié)果如圖16所示。

通過仿真結(jié)果圖16可以看出，本文提出的新方法系統(tǒng)性能方面得到了一定改善，能夠有效抑制RFID干擾信號(hào)從而提升系統(tǒng)性能，提高了無線網(wǎng)絡(luò)通信效率。

圖14 濾波后的波形Fig.14 Waveform after filtering

圖15 分?jǐn)?shù)階傅里葉逆變換后的波形Fig.15 Waveform after fractional Fourier inverse transform

圖16 誤碼率對(duì)比圖Fig.16 Waveforms after filtering

4 結(jié)束語

為了解決ZigBee/RFID共存時(shí)信號(hào)干擾以及頻譜資源利用率低問題，提出了DSSS-LFM-FRFT自適應(yīng)抗干擾方法，該方法在系統(tǒng)檢測(cè)到干擾時(shí)，將直接序列擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，在信號(hào)到來前先展寬信號(hào)頻譜，進(jìn)行線性調(diào)頻，接收機(jī)前端利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換濾除RFID干擾信號(hào)之后再進(jìn)行解擴(kuò)。實(shí)驗(yàn)表明，DSSS-LFM-FRFT方法不僅提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)因?yàn)樽赃m應(yīng)工作模式，相對(duì)于其他抗干擾方法減小了系統(tǒng)的能耗并提高了頻譜資源利用率，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。