實(shí)時(shí)無(wú)線網(wǎng)的典型技術(shù)分析

錢光明　易超

摘要：看今天的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，不同的頻段選擇、不同的協(xié)議描述、不同的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)以及不同的應(yīng)用登場(chǎng)，都令我們應(yīng)接不暇。同時(shí)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實(shí)時(shí)性越來(lái)越吸引了應(yīng)用者和研究者的注意。該文基于2.4G非授權(quán)頻段，從當(dāng)今文獻(xiàn)中提煉出三個(gè)典型技術(shù)手段：基于時(shí)分的調(diào)度技術(shù)、多頻率、多信道和同時(shí)多發(fā)。這三個(gè)手段是提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和/或可靠性的重要方法。

關(guān)鍵詞：時(shí)分;跳頻;同時(shí)多發(fā)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）09-0033-03

1 引言

相信我們當(dāng)今的社會(huì)生活離不開(kāi)無(wú)線網(wǎng)。在朝著萬(wàn)物互聯(lián)的方向而努力的同時(shí)，人們不會(huì)只滿足于手機(jī)通信、藍(lán)牙耳機(jī)、WiFi上網(wǎng)這些應(yīng)用，自然要考慮將無(wú)線網(wǎng)技術(shù)用于監(jiān)測(cè)、控制等場(chǎng)合，而這些場(chǎng)合往往要求有更高的可靠性、可調(diào)度性和/或其他指標(biāo)保證，本文稱這樣的無(wú)線網(wǎng)為實(shí)時(shí)無(wú)線網(wǎng)。多年來(lái)，許多學(xué)者和機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了這方面的工作。例如，HighwayAddressable Remote Transducer（HART） Communication Founda-tion提出了一個(gè)WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)[1]，International Society ofAutomation發(fā)布過(guò)ISAlOO.llac2].促進(jìn)了IEEE 802.15. 4-TSCH的出臺(tái)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT（Industrial Internet of Things）的研究和應(yīng)用[3]。相比傳統(tǒng)的有線網(wǎng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有許多獨(dú)自的特征。那么，現(xiàn)有技術(shù)是如何駕馭這些特征，進(jìn)而爭(zhēng)取到較好的實(shí)時(shí)指標(biāo)呢？

2 基于時(shí)分的調(diào)度技術(shù)

毫無(wú)疑問(wèn)，“延時(shí)”是無(wú)線網(wǎng)中的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)多個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)采用時(shí)分處理，有利于對(duì)整個(gè)調(diào)度過(guò)程和延時(shí)指標(biāo)進(jìn)行把控。因此，從早期的研究[4][5]，到近年的實(shí)時(shí)無(wú)線技術(shù)[3][6]，許多都采用TDMA（time division multiple access）的時(shí)分方式來(lái)進(jìn)行調(diào)度，一個(gè)時(shí)槽為最小調(diào)度單位，系統(tǒng)給不同的任務(wù)分配不同的時(shí)槽。

WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)中，每個(gè)時(shí)槽寬度固定為lOrfisc7]。而在ISAlOO.lla中，時(shí)槽寬度則是在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由統(tǒng)籌全局的系統(tǒng)管理器指定的[8]。若干時(shí)槽組成一個(gè)超幀（superframe）。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，超幀周期地重復(fù)，它也由系統(tǒng)管理器來(lái)管理。當(dāng)系統(tǒng)管理器為通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)連接（link）時(shí)，要指定信道和超幀，還要指明相對(duì)于該超幀第一個(gè)時(shí)槽的時(shí)槽偏移量，即在哪一個(gè)時(shí)槽中服務(wù)該連接。時(shí)槽分配，加上適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法，可以盡量做到全網(wǎng)的高度計(jì)劃和協(xié)調(diào)，使重要指標(biāo)得到較好的可預(yù)見(jiàn)性。

基于競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)不能保障實(shí)時(shí)性[9l，尤其是重負(fù)載的時(shí)候。例如IEEE 802.15.4中，一個(gè)超幀包含CAP（conten-tion access period）和CFP（collision free period）[10]，在CAP期間，使用帶時(shí)槽的媒體競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制可能導(dǎo)致較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間[11]。而在后繼協(xié)議IEEE 802.15. 4-TSCH中，雖然也保留了一種共享時(shí)槽用于廣播傳輸，但節(jié)點(diǎn)之間的單播數(shù)據(jù)傳送采用與Wire-lessHART -樣的分配型時(shí)槽（dedicated slot）嘲。

基于時(shí)槽分配而進(jìn)行調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)是計(jì)劃型的，不過(guò)，它有時(shí)也不能完全做到無(wú)沖突。比如多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)[12]，又如多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)在同一頻率通道同一時(shí)槽同時(shí)發(fā)送廣告EB（enhanced beacon）時(shí)[13]，都必然存在沖突的可能，需要設(shè)計(jì)合適的調(diào)度算法來(lái)處理。

3 多頻率多信道

3.1 選頻

Wifi，藍(lán)牙和zigbee等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)都處在2.4G非授權(quán)頻段，對(duì)于工作在同一波段的實(shí)時(shí)無(wú)線網(wǎng)，它們是不可忽視的干擾源。為無(wú)線通信選擇頻率信道時(shí)，針對(duì)已知的干擾源，可以選擇它們不用的信道。例如，基于802.llb/g的WiFi網(wǎng)中，1號(hào)、6號(hào)和11號(hào)信道會(huì)成為主要干擾源[6]，但在這幾個(gè)信道之間存在一定的間隔，在這些間隔中選擇通信頻率時(shí)，就可以避開(kāi)它們帶來(lái)的干擾，藍(lán)牙4.0的3個(gè)廣播信道2402MHz、2426MHz和2480MHz就是這樣選擇的[14]。

對(duì)多個(gè)2.4G非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的共存問(wèn)題，還可以采用更深入的研究方法。如一個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)并估算另一網(wǎng)絡(luò)的發(fā)包情況，進(jìn)而采取相應(yīng)措施，自己發(fā)包時(shí)選擇不同時(shí)間和/或不同頻率[15]。很明顯，這樣實(shí)施起來(lái)比較復(fù)雜，并且要取得好的去干擾效果也不容易。

同一網(wǎng)絡(luò)中也存在選頻的問(wèn)題。針對(duì)IEEE 802.15. 4-TSCH，文獻(xiàn)[6]指出：如何使多個(gè)相鄰連接（link）在同一時(shí)間內(nèi)不使用同一頻率，是一個(gè)挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。作者提出不能用的黑名單信道（blacklisted channeD要在一定時(shí)間內(nèi)讓全網(wǎng)知曉，使得可用信道總數(shù)能被及時(shí)更新，以便快速計(jì)算出一個(gè)新信道。文獻(xiàn)[13]提出的基于多時(shí)槽幀（slotframe）的沖突避免調(diào)度算法，既要選時(shí)槽，更主要是選頻，為將要發(fā)送EB的節(jié)點(diǎn)在多時(shí)槽幀中分配好時(shí)頻資源。

3.2 跳頻

為了避免臨近空間同頻率的干擾，早期的藍(lán)牙就采用了跳頻技術(shù)（frequency hopping），每次數(shù)據(jù)交換所用的載波頻率按一定方式選擇，以便較好地避開(kāi)受干擾的頻率通道[14]。藍(lán)牙5.0仍然保留它[16]。早期的IEEE 802.15.4采用了抗干擾能力較好的直序擴(kuò)頻通信技術(shù)DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），而在當(dāng)今為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIOT而準(zhǔn)備的IEEE 802.15. 4-TSCH標(biāo)準(zhǔn)中，不但保留了DSSS，而且引入了跳頻技術(shù)，TSCH的英文全稱就是Time-Slotted Channel Hopping，即基于時(shí)槽的跳頻[3]?？梢?jiàn)跳頻對(duì)提高無(wú)線通信質(zhì)量很受重視。

為了避開(kāi)受干擾的頻率信道，藍(lán)牙5.0共有40個(gè)信道可以選擇，IEEE 802.15. 4-TSCH共有16個(gè)信道（其中最后一個(gè)信道在某些國(guó)家不合法）。

選頻和跳頻在文獻(xiàn)中似乎沒(méi)有刻意區(qū)分。在無(wú)法預(yù)知干擾源（外人）的情況下，基于非黑名單不斷地變換通信頻率，毫無(wú)疑問(wèn)是一個(gè)跳頻手段。在同一網(wǎng)絡(luò)中，為了避免臨近節(jié)點(diǎn)（自己人）的干擾，給各節(jié)點(diǎn)選擇不同頻率的過(guò)程稱為選頻似乎更合適。如果通過(guò)各節(jié)點(diǎn)自己獨(dú)立地跳頻來(lái)選頻，那么，要完全避免頻率沖突，確實(shí)是挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

4 同時(shí)多發(fā)

同時(shí)多發(fā)CT（concurrent transmission）是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步手段，也是可以提高數(shù)據(jù)傳輸成功率的一個(gè)引人注目的方法。它始于文獻(xiàn)[17]提出的Glossy泛洪結(jié)構(gòu)：正確收到數(shù)據(jù)包的所有節(jié)點(diǎn)，再同時(shí)將該包以同頻率發(fā)送出去。在多跳無(wú)線網(wǎng)中，數(shù)據(jù)發(fā)送的過(guò)程如波浪前行，使得遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)正確收包的概率大增。

干擾信號(hào)相對(duì)較弱時(shí)，因?yàn)椴东@效應(yīng)的存在，節(jié)點(diǎn)仍然能夠接收數(shù)據(jù)包[18]。但當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度較高時(shí)，它們進(jìn)行同時(shí)多發(fā)，相互造成的影響會(huì)嚴(yán)重降低該包的正確接收概率。很幸運(yùn)，文獻(xiàn)[17]基于IEEE 802.15.4進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)，指出只要節(jié)點(diǎn)間同時(shí)發(fā)包的時(shí)間偏差△不超過(guò)0.5μs，就會(huì)有很高的正確收包率。這樣，節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)包盡管是一種相互影響，但是一種construc-tive interference，這種同時(shí)多發(fā)機(jī)制使得整個(gè)多跳無(wú)線網(wǎng)可以看作一個(gè)單一的通信體，進(jìn)而可以采用經(jīng)典的單處理器實(shí)時(shí)調(diào)度算法來(lái)調(diào)度。據(jù)此，文獻(xiàn)[19]提出了一個(gè)Blink協(xié)議，采用EDF（earliest deadline first）調(diào)度算法[20]，不但正確收包率高，而且可以支持端到端的截止期設(shè)定，還能實(shí)現(xiàn)最小能耗計(jì)算。

文獻(xiàn)[21]則基于藍(lán)牙5.0進(jìn)行同時(shí)多發(fā)，稱為BlueFlood。雖然與IEEE 802.15.4的物理層相比，在藍(lán)牙5.0上的效果相對(duì)脆弱，但只要同時(shí)發(fā)包的時(shí)間偏差△在一定范圍內(nèi)（如2Mbps速率時(shí)△不超過(guò)0.25 μS），加上藍(lán)牙特有的高速性能，同時(shí)多發(fā)是完全可行的。

當(dāng)然，同時(shí)多發(fā)方式對(duì)數(shù)據(jù)傳送的速度會(huì)有一定影響。但它不但提高了可靠性，將全網(wǎng)看作一個(gè)整體，而且無(wú)須收集全局信息。而在WirelessHART和IEEE 802.15. 4-TSCH等協(xié)議中，為了得到較好的調(diào)度效果，是需要使用全局信息的。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于時(shí)分的調(diào)度技術(shù)有利于全網(wǎng)的計(jì)劃和調(diào)度結(jié)果的可預(yù)見(jiàn)性，選頻和跳頻有利于抗干擾和進(jìn)一步減少?zèng)_突，同時(shí)多發(fā)技術(shù)有利于進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?shí)際上，這些手段在其他頻段也可大顯身手。例如，文獻(xiàn)[22]就通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了同時(shí)多發(fā)在LoRa網(wǎng)中也是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] HART Field Communication Protocol Specification， Revision7.0， HART Communication Foundation， Sept. 2007.

[2] Wireless Systems for Industrial Automation： Process Control and Related Applications. lSA-lOO.lla-2009 Standard， 2009.

[3] lEEE Standard for Low-Rate Wireless Personal Area Net-works （LRWPANs）. lEEE Std 802.15.4-2015 （Revision ofIEEE Std 802.15.4-2011）， April 2016.

[4]V.0.K.Li. Fair spatial TDMA channel access protocols formultihop radio networks[C]. In Proc. IEEE lNFOCOM Conf.，Apr. 1991：1064 - 1073.

[5]R.Nelson and L.Kleinrock， "Spatial TDMA：A collision freemultihop channel access protocol[J]. IEEE Trans. Commun.，1985.COM-33： 934 944.

[6] Zorbas D，Papadopoulos G Z，Douligeris C.Local or global ra-dio channel blacklisting for IEEE 802.15. 4-TSCH networks？[C]. In 2018 IEEE Intemational Conference on Communica-tions （lCC）. IEEE， 2018： 1-6.

[7] K.S.J.Pister，L-Doherty. TSMP： Time synchronized meshprotocoI[C]. In Proceedings of the lASTED International Sym-posium on Distributed Sensor Networks， Nov. Orland， Florida，USA. 2008：391-398.

[8] Petersen S，Carlsen S.WirelessHART vs. lSAIOO. lla： TheFormat War Hits the Factory Floor[J]. IEEE Industrial Elec-tronics Magazine， 2011， 5（4）： 23-34.

[9] Ziouva E，Antonakopoulos T.CSMA/CA performance underhigh traffic conditions： throughput and delay analysis[J]. Com-puter communications， 2002， 25（3）： 313-321.

[10] IEEE Standard for Low-Rate Wireless Personal Area Net-works （LR-WPANs）， lEEE Std 802.15.4-2006 （2006）.

[11] El Gholami K，Hou K M，Elkamoun N.Enhanced Super-frame Structure of the lEEE802.15.4 Standard for Real-timeData Transmission in Star Network[J]. International Journal ofComputer Applications， 2012， 51（1）;26-32.

[12] Hemdndez-Solana A.Perez-Diaz-de-Cerio D，Valdovinos A， et al.Proposal and evaluation of BLE discovery processbased on new features of bluetooth 5.O[J]. Sensors， 2017， 17（9）： 1988.

[13] Karalis A，Zorbas D，Douligeris C.Collision-Free Advertise-ment Scheduling for lEEE 802.15.4-TSCH Networks[J]. Sen-sors. 2019，19（8）：1789.

[14] Bluetooth Special Interest Group， "Bluetooth Core Specifica-tion Version： 4.0; 4.1; 4.2，" 2010; 2013; 2014.

[15] Chiasserini C F，Rao R R.Coexistence mechanisms for inter- ference mitigation between lEEE 802.11 WLANs and Blue-tooth[C]. In P roc. Twenty-First Annual Joint Conference ofthe lEEE Computer and Communications Societies. IEEE，2002， 2： 590-598.

[16] Bluetooth Special Interest Group， "Bluetooth Core Specifica-tion Version： 5.0，" 2016.

[17] Ferrari F， Zimmerling M， Thiele L， et al. Efficient networkflooding and time synchronization with glossy[C]. In Proceed-ings of the lOth ACM/IEEE International Conference on Infor-mation Processing in Sensor Networks. lEEE， 2011： 73-84.

[18] Leentvaar K. Flint J. The capture effect in FM receivers[J].lEEE Transactions on Communications， 1976， 24（5）： 531-539.

[19] Zimmerling M， Mottola L， Kumar P， et al. Adaptive real-time communication for wireless cyber-physical systems[J].ACM Transactions on Cyber-Physical Systems， 2017， 1（2）： 8.

[20] C.L.Liu， J.W.Laylan. Scheduling Algorithms for Multiprogram-ming in a Hard Real - Time Environment[J]. J.ACM， 1973，20 （1）：40-61.

[21] Al Nahas B， Duquennoy S， Landsiedel 0. Concurent Trans-misions for Multi-hop Bluetooth 5[C]. In Proceedings of the2019 International Conference on Embedded Wireless Systemsand Networks， To appear. 2019.

[22] Bor， M. Vidler， J. E. Roedig， U. Lora for the Internet ofThings[C]. In Proceedings of the 2016 Intemational Confer-ence on Embedded Wireless Systems and Networks， TU Graz，Austria，15 - 17 February 2016：361 - 366.

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)沙市科技局資助項(xiàng)目（ZD1802001）

作者簡(jiǎn)介：錢光明，男，教授，主要研究方向?yàn)榍度胧胶蛯?shí)時(shí)系統(tǒng);易超，男，在讀研究生。