基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的ZigBee通信抗干擾的研究

劉盛堯，高淑春，于海霞

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程與傳媒學(xué)院，安徽 合肥 230013）

0 引 言

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于IEEE 802.15.4 規(guī)范的通信協(xié)議，用于家庭自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)備控制、醫(yī)療數(shù)據(jù)采集和其他低帶寬需求的無(wú)線局域網(wǎng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)的普及，設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)中的部署不斷增加，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了與其他網(wǎng)絡(luò)之間的干擾問(wèn)題。

目前很多研究在討論增強(qiáng)ZigBee 的安全性，緩解干擾的解決方法，一般分為避免和共存兩種。文獻(xiàn)研究了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)在受到無(wú)線Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)干擾時(shí)，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)信道分配來(lái)避免干擾。Kho等人提出了一種基于信道跳變的干擾避免方法，來(lái)提高 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信的包接受率。Huang等人利用Pareto 模型來(lái)預(yù)測(cè)Wi-Fi 信號(hào)的分組間隙，然后去動(dòng)態(tài)的調(diào)整ZigBee 數(shù)據(jù)包的分組長(zhǎng)度，在Wi-Fi 分組的間隙發(fā)送ZigBee 的分組，使兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包相互交替發(fā)送，達(dá)到共存。張招亮等提出了一種基于干擾強(qiáng)度和活躍比率干擾特征模型的信道分配機(jī)制，利用信道分配算法使得環(huán)境中所有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)相互共存。但是以上方法多為單一的Wi-Fi 干擾研究，在強(qiáng)干擾時(shí)，抗干擾效果還有待改善，以往研究很多通過(guò)調(diào)整合適的距離，或者頻偏來(lái)指導(dǎo)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的部署，但這在宿舍，家庭等人們居住的生活場(chǎng)景下不太適用。

本文，為了在干擾信號(hào)的情況下解碼ZigBee 信號(hào)，提出了一種基于學(xué)習(xí)的干擾抑制方法，該方法在物理層使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)線性空間濾波器來(lái)抑制干擾，而不需要對(duì)干擾有任何了解。需要解決的是如何訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其能夠?qū)崟r(shí)解碼數(shù)據(jù)包。為了解決這一問(wèn)題，采用了一個(gè)小型的沒(méi)有隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用內(nèi)在關(guān)系對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。

1 問(wèn)題描述

ZigBee 無(wú)線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，一般由一個(gè)ZigBee 網(wǎng)關(guān)服務(wù)于一個(gè)或多個(gè)ZigBee 設(shè)備，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有一些其他的無(wú)線信號(hào)形成了干擾源，干擾了ZigBee 的無(wú)線通信，對(duì)這些干擾源有以下假設(shè)：

（1）ZigBee 的接收設(shè)備不知道干擾信號(hào)的帶寬、波形和幀格式；

（2）干擾信號(hào)的帶寬可以大于、等于或小于ZigBee 信號(hào)的帶寬；

（3）干擾信號(hào)的波形可能會(huì)隨時(shí)間變化。

對(duì)于這些干擾信號(hào)，其目標(biāo)是確保ZigBee 設(shè)備的無(wú)線通信不受無(wú)線電干擾攻擊，本文設(shè)計(jì)了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過(guò)濾干擾信號(hào)，在存在未知干擾的情況下解碼數(shù)據(jù)包，而不需要任何干擾知識(shí)。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的干擾緩解方法

2.1 ZigBee 物理層規(guī)范

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的，工作在免許可的2.4 ～2.483 5 GHz（全球），902 ～928 MHz（北美和澳大利亞），868 ～868.6 MHz（歐洲）頻段.我國(guó)使用2.4 GHz頻段，段內(nèi)分配了16 個(gè)信道，每個(gè)信道使用2 MHz 帶寬每個(gè)信道間隔5 MHz。無(wú)線電使用直接序列擴(kuò)頻編碼（DSSS）以及偏移正交相移鍵控調(diào)制（O-QPSK），如圖1所示為2.4 GHz 調(diào)制和擴(kuò)展功能。每4 個(gè)bit 流數(shù)據(jù)映射成一個(gè)符號(hào)，共2=16 種不同的符號(hào)，接著每個(gè)符號(hào)映射成32 個(gè)碼片組成的一個(gè)PN 序列。PN 序列中的碼片被看成是半正弦脈沖，并通過(guò)O-QPSK 整形后調(diào)制到載波上，并分別將下標(biāo)為奇數(shù)的調(diào)制到Q 路正交支路上，將下標(biāo)為偶數(shù)的調(diào)制到I 路同相支路上。

圖1 2.4 GHz 調(diào)制和擴(kuò)展功能圖

2.2 信號(hào)傳輸公式化

如圖2，按照信號(hào)處理流程，在傳統(tǒng)的ZigBee 接收機(jī)物理框架中設(shè)計(jì)添加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在信號(hào)流經(jīng)過(guò)頻偏、相偏補(bǔ)償后送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，緩解干擾信號(hào)，恢復(fù)ZigBee 信號(hào)。（ 表示兩個(gè)信號(hào)流，一個(gè)是干擾信號(hào)，一個(gè)是ZigBee 的有用信號(hào)， 表示ZigBee 的有用信號(hào)）

圖2 ZigBee 接收機(jī)在面臨干擾信號(hào)時(shí)解碼ZigBee 數(shù)據(jù)包優(yōu)化圖

由于ZigBee 通常用于短程通信，因此，假設(shè)ZigBee 通信的無(wú)線電信號(hào)在視距和非視距下都是平坦信號(hào)。在此假設(shè)的基礎(chǔ)上，將干擾緩解問(wèn)題表述為一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題。(n)∈C為圖1中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的兩個(gè)輸入信號(hào)流，其中為ZigBee 幀的樣本數(shù)量。(n)∈C為ZigBee 信號(hào)，(n)∈C為干擾信號(hào)。那么，接收到的信號(hào)（）可以表示為：

其中=[]是ZigBee 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的信道系數(shù)，=[]為干擾設(shè)備與ZigBee 接收機(jī)之間的信道系數(shù)，（）為ZigBee 接收器的噪聲。

2.3 緩解干擾的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

這時(shí)，采用一個(gè)小型的沒(méi)有隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)替代濾波器，實(shí)時(shí)解碼ZigBee 數(shù)據(jù)包，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量為ZigBee 信號(hào)以及干擾信號(hào)（即（）=[（），（）]）的實(shí)部和虛部，輸出是ZigBee 有用信號(hào)流（即（））的實(shí) 部和虛部，用R 和I 表示實(shí)部和虛部。

利用網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的內(nèi)在關(guān)系，有：

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包檢測(cè)，提出了一種加速訓(xùn)練過(guò)程的方法。根據(jù)（2）式，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重參數(shù)，定義=R()，=I()，=R()，=I()，故上式可以表示為：

其中R()+I()+R()+I ()可映射為輸出信號(hào)流實(shí)部 R()，I()-R()+I()-R()可映射為輸出信號(hào)流虛部I（）。此時(shí)僅有四個(gè)權(quán)重?cái)?shù)，訓(xùn)練次數(shù)大大降低。用于緩解干擾信號(hào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 緩解干擾信號(hào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重訓(xùn)練

ZigBee 物理層幀結(jié)構(gòu)中的前導(dǎo)域共4 個(gè)字節(jié)（32 bit）。對(duì)于這32 bit，每4 個(gè)bit 被調(diào)制成32 個(gè)碼片組成的一個(gè)PN 序列。前導(dǎo)域中包含8 個(gè)Q/I 路的PN 序列，共256個(gè)碼片。故選擇一個(gè)總數(shù)256×4×2=2 048 個(gè)樣本來(lái)更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)權(quán)重，根據(jù)（3）式，按圖4的模型訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。其中256 是前導(dǎo)域碼片數(shù)，4 為過(guò)采樣率，2 為復(fù)數(shù)的分量數(shù)。如圖所示，前1 024 個(gè)樣本對(duì)應(yīng)幀前導(dǎo)域中256 個(gè)碼片的實(shí)部，后1 024 個(gè)樣本對(duì)應(yīng)幀前導(dǎo)域中256 個(gè)碼片的虛部。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重訓(xùn)練圖

在該算法中，使用反向傳播訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，并將平方誤差作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的代價(jià)函數(shù)。在訓(xùn)練過(guò)程中，使用自適應(yīng)步長(zhǎng)來(lái)更新權(quán)重。其中，對(duì)于圖2中前1 024 個(gè)樣本數(shù)據(jù)集，更新權(quán)重為：

3 仿真結(jié)果與性能分析

3.1 ZigBee 接收器的性能指標(biāo)

首先定義一些指標(biāo)來(lái)評(píng)估ZigBee 接收器的性能.

干擾信號(hào)比ISR：針對(duì)ZigBee 接收機(jī)在干擾前后接收到的無(wú)線電信號(hào)，定義ISR 為：

其中，y（）為關(guān)閉ZigBee 發(fā)射機(jī)，ZigBee 接收機(jī)接收到的干擾信號(hào)，y（）為關(guān)閉干擾設(shè)備，ZigBee 接收機(jī)接收到的ZigBee 信號(hào)，N為被測(cè)信號(hào)采樣數(shù).

包接收率PRR：報(bào)文接收率是指解碼成功的包占總發(fā)送包數(shù)的比例。

3.2 仿真分析

由于僅考慮ZigBee 的前導(dǎo)域，它是ZigBee 信號(hào)到達(dá)事件檢測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題。其他信號(hào)干擾前導(dǎo)域即會(huì)導(dǎo)致ZigBee樣本存在較大失真。發(fā)射的ZigBee 信號(hào)的Q/I 路采樣流都由多個(gè)正、負(fù)半正弦脈沖組成，故通過(guò)MATLAB 仿真ZigBee 半正弦脈沖信號(hào)模型和ISR 值不同的干擾信號(hào)，ISR 從-10 dB 到20 dB，對(duì) MSE 以及PRR 進(jìn)行相關(guān)分析。

圖5為本文提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同ISR 值的解碼MSE.可以看出，當(dāng)ISR 為20 dB 時(shí)，MSE 小于3.5%。這意味著即使干擾信號(hào)比ZigBee 信號(hào)強(qiáng)20 dB，所提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的方法也可以在零噪聲情況下解碼ZigBee 數(shù)據(jù)包。表1為使用本文算法以及未使用本文算法傳統(tǒng)接收機(jī)對(duì)不同ISR 值時(shí)的平均包接受率PRR，可以看到，提出的ZigBee 接收器達(dá)到了平均98%的PRR，而傳統(tǒng)接收器的平均PRR 僅為49.34%，且在ISR 即干擾信號(hào)越大，對(duì)包接受率影響越大。

圖5 不同ISR 下的MSE 圖示

表1 包接受率隨JSR 值不同的變化

4 結(jié) 論

在本文中，提出了一種無(wú)隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解碼有干擾信號(hào)的ZigBee 數(shù)據(jù)包，并用ZigBee 包的幀前導(dǎo)域進(jìn)行訓(xùn)練。仿真結(jié)果表明，在干擾信號(hào)下可以解碼ZigBee 信號(hào)，整個(gè)傳輸過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，而且采集到的數(shù)據(jù)值準(zhǔn)確，表明系統(tǒng)具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)今后ZigBee 接收機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的理論意義。