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      面向IEEE802.15.4協(xié)議的跳頻信道接入方法*

      2016-05-03 12:35:40劉述鋼湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院湖南湘潭411201
      傳感技術(shù)學(xué)報 2016年3期
      關(guān)鍵詞:跳頻信標(biāo)頻段

      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

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      中國新通信(2015年1期)2015-05-30 10:30:46
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      水道港口(2015年1期)2015-02-06 01:25:45
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