基于線性調(diào)頻再擴(kuò)頻的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中WiFi干擾避免方法*

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

基于線性調(diào)頻再擴(kuò)頻的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中WiFi干擾避免方法*

朱 黎，譚建軍**

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

針對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)共享2.4 GHz頻段造成的信道干擾問題，提出了一種基于線性調(diào)頻再擴(kuò)頻技術(shù)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中WiFi干擾避免方法。該方法根據(jù)檢測(cè)接收數(shù)據(jù)包中的鏈路質(zhì)量指示值計(jì)算ZigBee網(wǎng)絡(luò)鏈路通信質(zhì)量，將鏈路通信質(zhì)量作為判斷WiFi網(wǎng)絡(luò)干擾強(qiáng)弱的依據(jù)：當(dāng)鏈路通信質(zhì)量低于最低容忍閾值時(shí)，利用線性調(diào)頻再擴(kuò)頻技術(shù)展寬ZigBee網(wǎng)絡(luò)信道射頻信號(hào)頻譜，反之則保持原有射頻信號(hào)頻譜帶寬傳輸數(shù)據(jù)。Matlab仿真結(jié)果表明，該方法能明顯提升ZigBee網(wǎng)絡(luò)抗擊WiFi信號(hào)干擾的能力，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)；WiFi網(wǎng)絡(luò)；同頻干擾；線性調(diào)頻再擴(kuò)頻;鏈路通信質(zhì)量

1 引 言

ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，ZigBee技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化、智能家居、智慧醫(yī)療、智慧城市等領(lǐng)域。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)共享2.4 GHz的ISM(Industrial Scientific Medical)頻段，且發(fā)射功率較小，同區(qū)域安裝的WiFi網(wǎng)絡(luò)會(huì)干擾ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，使其通信質(zhì)量下降，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失和延時(shí)，降低數(shù)據(jù)包接收率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，嚴(yán)重影響ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信性能。

當(dāng)前解決WiFi網(wǎng)絡(luò)干擾的策略可以分為避免和共存兩種。MIN等[1]提出了一種基于動(dòng)態(tài)簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的干擾感知多信道策略，張招亮等[2]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，但這兩種方法都只考慮了信道的全局特性，忽略了局部特征。LI等[3]提出了一種基于泰森多邊形頻率分配方法，將頻譜空閑的區(qū)域利用泰森多邊形分配給不同的節(jié)點(diǎn)；唐偉華等[4]提出了一種基于概率的CSMA(Carrier Sense Multiple Access)開啟和關(guān)閉控制策略提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的吞吐量；SHI等[5]提出了一種基于多信道的干擾避免方法，通過干擾評(píng)估、目的信道選擇、連通性維護(hù)3個(gè)基本機(jī)制提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信性能，但當(dāng)WiFi干擾強(qiáng)度較大時(shí)，以上方法的抗干擾效果還有待改善。

針對(duì)以上問題，本文提出一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)信道射頻信號(hào)頻譜帶寬自適應(yīng)擴(kuò)展的干擾避免方法：當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)受到WiFi信號(hào)較強(qiáng)干擾時(shí)，啟用擴(kuò)頻功能，通過線性調(diào)頻再擴(kuò)頻技術(shù)展寬ZigBee網(wǎng)絡(luò)信道射頻信號(hào)頻譜，提升ZigBee網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。

2 同頻抗干擾理論分析

2.1基于LQI的頻帶擴(kuò)展機(jī)制

鏈路質(zhì)量指示(Link Quality Indication，LQI)可以用來判斷網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量[6-7]。本文提出的ZigBee網(wǎng)絡(luò)信道信號(hào)頻譜擴(kuò)展及自適應(yīng)切換方法通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)接收端的LQI值來判斷是否需要擴(kuò)展頻帶，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)頻帶自適應(yīng)切換系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall diagram of anadaptive frequency switching ZigBee network

從圖1可以看出，本方法主要通過判斷ZigBee網(wǎng)絡(luò)的LQI值與最低容忍閾值VTHmin的大小關(guān)系來切換網(wǎng)絡(luò)信道射頻信號(hào)的頻譜模式。當(dāng)檢測(cè)到的LQI值小于所設(shè)定的最低容忍閾值VTHmin時(shí)，說明當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)丟包嚴(yán)重，鏈路連接質(zhì)量下降嚴(yán)重，系統(tǒng)將通過線性調(diào)頻再擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)信道射頻信號(hào)頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力；當(dāng)檢測(cè)到的LQI值大于所設(shè)定的最低容忍閾值VTHmin時(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)常態(tài)通信模式。

本文測(cè)試了在不同的WiFi干擾強(qiáng)度下的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，表1為當(dāng)WiFi干擾強(qiáng)度分別為-95 dBm、-40 dBm、-20 dBm時(shí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的丟包率和LQI值，TX表示發(fā)送端數(shù)據(jù)包，RX表示接收端數(shù)據(jù)包。

表1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)丟包率測(cè)試表Tab.1 Packet loss rate test result of ZigBee network

從表1可以看出，當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)遭受同頻干擾時(shí),隨著WiFi干擾強(qiáng)度增強(qiáng)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟包率上升，LQI值下降，網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量下降。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，當(dāng)WiFi干擾強(qiáng)度為-40 dBm時(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)LQI值將小于10，網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定性下降，可靠性變差。因此，本文用于測(cè)試的最低容忍閾值VTHmin設(shè)為10。

2.2LQI值檢測(cè)

通過將接收端數(shù)據(jù)包(RX)中獲取的RSSI參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換可得到鏈路質(zhì)量指示LQI值。接收端數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。

圖2 接收端數(shù)據(jù)包格式
Fig.2 The format of receiver packet

LQI值的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：RSSI指的是接收的信號(hào)強(qiáng)度指示[8]。

為檢測(cè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)遭受WiFi信號(hào)干擾時(shí)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行鏈路質(zhì)量(LQI值)和網(wǎng)絡(luò)丟包率，按圖3所示流程進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程通過串口1發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)包，并通過串口2接收數(shù)據(jù)包，根據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量統(tǒng)計(jì)值來計(jì)算丟包率；測(cè)試過程中還要將接收到的數(shù)據(jù)包(RX)中的RSSI值進(jìn)行換算得到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的LQI值。

圖3 丟包率和LQI測(cè)試流程Fig.3 Test flow of loss rate and LQI

3 線性調(diào)頻再擴(kuò)頻調(diào)制

為解決WiFi場(chǎng)景中同頻干擾的問題，本文利用一種線性調(diào)頻再擴(kuò)頻技術(shù)(Linear Frequency Modulation and Direct Sequence Spread Spectrum, LFM-DS-SS)實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展ZigBee網(wǎng)絡(luò)信道射頻信號(hào)頻譜，擴(kuò)頻工作模式自適應(yīng)切換。

3.1直序擴(kuò)頻(DS-SS)

直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum ,DS-SS)是高安全性高抗擾性的一種無線序列傳輸方式，通過利用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)[9-10]。最常用的二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制DS-SS發(fā)射機(jī)如圖4所示。

圖4 二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制DS-SS發(fā)射機(jī)原理圖Fig.4 Principle diagram of DS-SS transmitter based on BPSK

在DS-SS系統(tǒng)發(fā)射機(jī)前端，由碼片時(shí)鐘的偽隨機(jī)噪聲生成器生成一個(gè)偽隨機(jī)碼p(t)，與待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)m(t)經(jīng)過一個(gè)加法器混合后經(jīng)由基帶傳輸；然后通過一個(gè)乘法器得到一個(gè)復(fù)合碼，對(duì)頻率為fc的載波進(jìn)行調(diào)制，得到擴(kuò)頻后的信號(hào)SSS。SSS表達(dá)式為

(2)

待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)相乘后被偽隨機(jī)碼打亂，增加了信源信號(hào)的保密性和信道的抗干擾能力。

3.2線性調(diào)頻(LFM)

線性調(diào)頻信號(hào)(Linear Frequency Modulation ,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)性以及極低的互相關(guān)性等頻域特性[11-13]。線性調(diào)頻信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)是由于LFM的匹配濾波器是一種大時(shí)寬帶寬積信號(hào)[14]，導(dǎo)致了其對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感。

線性調(diào)頻矩形脈沖信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式為

(3)

式中：A為信號(hào)振幅，τ為脈沖寬度，μ為信號(hào)瞬時(shí)頻率的變化斜率，w0為發(fā)射初始角頻率。對(duì)公式(3)進(jìn)行傅里葉變換可得到頻域表達(dá)式H(ω)。

由于線性調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率是時(shí)間的線性函數(shù)(公式(4))，線性調(diào)頻信號(hào)可以產(chǎn)生均勻的信號(hào)帶寬[15]。

(4)

式中：f0為初始頻率，k為頻率增長斜率。

為了驗(yàn)證公式(3)和公式(4)所描述的特性，利用Matlab進(jìn)行仿真。為了便于分析，對(duì)仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了簡(jiǎn)化。設(shè)定仿真參數(shù)：振幅為1，起始頻率100 Hz，終止頻率4 000 Hz，掃頻時(shí)間1 s。仿真后得到了圖5所示的LFM的時(shí)域波形圖和對(duì)應(yīng)的頻域頻譜圖。從LFM頻譜圖可以看出，在掃頻區(qū)域內(nèi)頻譜比較平坦，保證了經(jīng)過解擴(kuò)后的信號(hào)能最大限度地準(zhǔn)確譯碼。

(a)LFM的時(shí)域信號(hào)(Frame:826)

(b)LFM的頻域頻譜圖(Frame:13)圖5 LFM的時(shí)域波形圖和頻域頻譜圖Fig.5 The time domain signal and frequency domain signal of LFM

3.3線性調(diào)頻再擴(kuò)頻(LFM-DS-SS)

使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻后ZigBee網(wǎng)絡(luò)信道通信雖然具有一定的抗干擾能力，但在WiFi強(qiáng)干擾場(chǎng)景中信道抗干擾容限容易達(dá)到飽和狀態(tài)。為了避免這種情況出現(xiàn)，就需要在接收機(jī)解擴(kuò)之前采用干擾抑制技術(shù)。

(5)

式中：SSS是經(jīng)DS-SS擴(kuò)頻后的信號(hào)，ui(t)是經(jīng)LFM調(diào)制后的信號(hào)，Y(t)是經(jīng)LFM-DS-SS線性調(diào)頻再擴(kuò)頻后的輸出信號(hào)。

4 仿真結(jié)果分析

為了對(duì)LFM-DS-SS線性調(diào)頻再擴(kuò)頻擴(kuò)展ZigBee網(wǎng)絡(luò)信道射頻信號(hào)頻譜的效果進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過Matlab分別對(duì)DS-SS和LFM-DS-SS兩種機(jī)制進(jìn)行了仿真分析。圖6和圖7分別為DS-SS和LFM-DS-SS仿真設(shè)計(jì)圖。為了便于仿真分析，仿真環(huán)境參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。仿真中Chirp調(diào)頻信號(hào)源起始頻率設(shè)定為1 000 Hz，終止頻率設(shè)定為4 000 Hz，掃頻時(shí)間設(shè)定1 s；Walsh Code信號(hào)源的Code length設(shè)定為64，Code index設(shè)定為60；PN Sequence信號(hào)源Generator polynomial設(shè)為“1000011”，Initial States設(shè)為“000001”；Sine Wave取值為100 kHz。

圖6 DS-SS調(diào)制仿真Fig.6 DS-SS modulation simulation

圖7 LFM-DS-SS調(diào)制仿真Fig.7 LFM-DS-SS modulation simulation

在圖6中信號(hào)與偽隨機(jī)碼模2相加后經(jīng)過基帶濾波器再與載波信號(hào)乘法運(yùn)算后輸出，這是典型的DS-SS調(diào)制技術(shù)；圖7中增加了線性調(diào)頻發(fā)生器和一個(gè)乘法器，構(gòu)成了LFM-DS-SS調(diào)制技術(shù)，通過接入示波器和頻譜分析儀，可以非常直觀地觀察到系統(tǒng)的仿真運(yùn)行結(jié)果。

圖8(a)和圖8(b)分別為DS-SS和LFM-DS-SS仿真得到的時(shí)域波形圖。從圖8(a)中可以清晰看到典型的碼片調(diào)幅波，而圖8(b)中LFM-DS-SS仿真時(shí)域波形經(jīng)過線性調(diào)頻擴(kuò)頻后已看不到碼片波形。

(a)DS-SS擴(kuò)頻后信號(hào)時(shí)域波形圖(Frame:565)

(b)LFM-DS-SS擴(kuò)頻后信號(hào)時(shí)域波形圖(Frame:214)圖8 DS-SS和LFM-DS-SS擴(kuò)頻后信號(hào)時(shí)域波形圖Fig.8 Time domain waveform of DS-SS and LFM-DS-SS signal

圖9(a)和圖9(b)分別為DS-SS和LFM-DS-SS的頻譜能量分布圖。圖9(a)譜圖顯示DS-SS的信號(hào)能量較集中分布在載頻的兩邊很小的范圍內(nèi)，非常容易被WiFi頻譜覆蓋；圖9(b)譜圖顯示LFM-DS-SS信號(hào)的能量幾乎是均勻分布在很寬的頻帶上，WiFi的譜能量不足以覆蓋。因此，基于LFM-DS-SS的ZigBee網(wǎng)絡(luò)在有WiFi干擾的場(chǎng)景中，其抗干擾的能力有了很大的提高。

(a)DS-SS信號(hào)頻域能量分布(Frame:442)

(b)LFM-DS-SS擴(kuò)頻后信號(hào)頻域能量分布(Frame:168)圖9 DS-SS信號(hào)和LFM-DS-SS擴(kuò)頻后信號(hào)頻域能量分布Fig.9 Frequency domain energy distribution of DS-SS signal and LFM-DS-SS signal

5 結(jié) 論

本文基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有資源，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。由于再擴(kuò)頻后系統(tǒng)代碼運(yùn)行量及射頻信號(hào)能量的增加，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)耗電量及頻帶資源占用量增大，因此本文通過對(duì)LQI值的判定，根據(jù) WiFi信號(hào)干擾強(qiáng)度確定是否啟動(dòng)線性調(diào)頻再擴(kuò)頻，實(shí)現(xiàn)了工作模式的自適應(yīng)切換。

基于LFM-DS-SS擴(kuò)展ZigBee信號(hào)頻譜提高抗干擾的方法不僅有效地增強(qiáng)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力，同時(shí)因其自適應(yīng)工作模式，相對(duì)于常態(tài)工作于再擴(kuò)頻狀態(tài)，在一定程度上節(jié)省了頻帶資源和電池供電電能，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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WiFiInterferenceAvoidanceinZigBeeNetworksBasedonLinearFrequencyModulationandDirectSequenceSpreadSpectrum

ZHU Li, TAN Jianjun, HUANG Shuanglin, HU Tao,XU Pengfei

(School of Information Engineering, Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

To solve the channel interference problem caused by WiFi network at 2.4 GHz in ZigBee networks, an interference avoidance method based on Linear Frequency Modulation and Direct Sequence Spread Spectrum(LFM-DS-SS) is proposed. Link communication quality is employed to determine the strength of WiFi networks interference, which is calculated based on

signal strength indication(RSSI). The radio frequency signal spectrum of ZigBee networks will be expanded based on LFM-DS-SS when the link communication quality is smaller than the preset tolerance threshold. On the contrary, the radio frequency signal spectrum will be held. Experimental result based on Matlab shows that the method can significantly improve the anti-interference ability of ZigBee network against WiFi signal interference.Keywords：ZigBee network；WiFi network；co-channel interference；LFM-DS-SS;link communication quality

2017-06-09；

：2017-08-23 Received date:2017-06-09；Revised date：2017-08-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61461018，61771188)；2016年恩施州科技計(jì)劃項(xiàng)目(XYJ2016000155)

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.09.016

朱黎，譚建軍，黃雙林，等.基于線性調(diào)頻再擴(kuò)頻的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中WiFi干擾避免方法[J].電訊技術(shù)，2017,57(9):1071-1076.[ZHU Li,TAN Jianjun,HUANG Shuanglin,et al.WiFi interference avoidance in ZigBee networks based on linear frequency modulation and direct sequence spread spectrum[J].Telecommunication Engineering,2017,57(9):1071-1076.]

TP393

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：1001-893X(2017)09-1071-06

朱黎(1984—)，女，湖北咸豐人，2009年于中國地質(zhì)大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

Email:lier_zhu@163.com

譚建軍(1960—)，男，湖北利川人，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

Email：es_tjj@qq.com

黃雙林(1975— )，男，湖北應(yīng)城人，副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o線通信和協(xié)同通信；

胡濤(1984—)，男，湖北來鳳人，講師，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

徐鵬飛(1990—)，男，湖北公安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

**通信作者：es_tjj@qq.com Corresponding author：es_tjj@qq.com，黃雙林，胡 濤，徐鵬飛