IEEE 802.15.4協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡干擾測試?

何 平

（襄陽職業(yè)技術(shù)學院 襄陽 441050）

IEEE 802.15.4協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡干擾測試?

何 平

（襄陽職業(yè)技術(shù)學院 襄陽 441050）

在IEEE 802.15.4協(xié)議與WLAN局域網(wǎng)系統(tǒng)共存情況下，對IEEE 802.15.4協(xié)議下射頻層的抗干擾性能進行實驗研究。使用TI射頻芯片CC2430，根據(jù)課題目的設計節(jié)點間的無線通信程序，解決了針對研究IEEE 802.15.4通信協(xié)議抗干擾性能研究需要解決的關鍵技術(shù)問題：DMA控制器的數(shù)據(jù)傳輸方式、接收節(jié)點從寄存器讀取RSSI值、發(fā)送節(jié)點發(fā)送功率循環(huán)改變、發(fā)送節(jié)點及接收節(jié)點的信道循環(huán)改變并同步。根據(jù)CC2430提供的信道質(zhì)量參數(shù)對不同條件下的IEEE 802.15.4抗干擾性能進行實驗測試并對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，綜合測量數(shù)據(jù)，給出多種典型情況下干擾影響的定量分析。同時，分析了影響射頻層丟包率的因素及其與接收信號強度指示RSSI的相關性。

無線傳感器網(wǎng)絡；IEEE 802.15.4協(xié)議；無線局域網(wǎng)干擾；丟包率；RSSI

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡是當前信息技術(shù)領域研究與應用的熱點之一，經(jīng)過多年的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)快速進入實用階段［1］。IEEE 802.15.4通信協(xié)議是專門針對無線傳感器網(wǎng)絡設計的通信協(xié)議，是無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議中物理層與MAC層的具體實現(xiàn)［2］。實際應用環(huán)境中，存在各種干擾因素，導致無線傳感器網(wǎng)絡拓撲頻繁變化和部分節(jié)點孤立，影響無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，也會因通信量增加而大量消耗能量，縮短無線傳感器網(wǎng)絡生存時間［3］?；贗EEE 802.11b通信協(xié)議的無線局域網(wǎng)是重要的干擾源之一，它與無線傳感器網(wǎng)絡不可避免地會近距離共存。因此，研究IEEE 802.15.4通信協(xié)議抗干擾性能具有重要現(xiàn)實意義。

2 干擾研究衡量指標

以丟包率為通信質(zhì)量的衡量指標，研究WLAN與IEEE 802.15.4共存時，WLAN對IEEE802.15.4的干擾情況。

丟包率是指測試中丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率。丟包率按下式計算［4］：

根據(jù)WLAN的頻段占用情況，首先研究頻段重疊時IEEE802.15.4通信質(zhì)量的變化情況。其次，無線信號的強度將直接影響到信號的傳輸距離以及接收信號的強度，將研究IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點發(fā)送功率強度的變化對通信質(zhì)量的影響。另外，RSSI值是判定鏈路質(zhì)量的一個重要指標，空載時觀察RSSI的平均值，是判斷干擾情況的最主要手段。

無線傳感器網(wǎng)絡干擾測試主要進行三方面進行研究：WLAN工作信道對IEEE 802.15.4信道丟包率的影響；干擾環(huán)境不變時，IEEE 802.15.4發(fā)送功率對丟包率的影響；射頻層丟包率與RSSI的相關性。

3 關鍵技術(shù)的實現(xiàn)

無線傳感器網(wǎng)絡干擾測試系統(tǒng)采用TI的CC2430射頻芯片。CC2430是用來實現(xiàn)嵌入式Zig-Bee應用的片上系統(tǒng)，支持2.4GHz IEEE 802.15.4協(xié)議。芯片集成了RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準的8051 MCU、大容量的閃存和SRAM等高性能模塊。對CC2430射頻芯片的開發(fā)在IAR開發(fā)環(huán)境下進行［5］。

3.1 DMA控制器

首先完成對DMA信道的配置。DMA信道把DMAARM置1，便能進入工作狀態(tài)。進入工作狀態(tài)之后，若用戶設定好的DMA觸發(fā)事件發(fā)生，則DMA傳送開始。

發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送部分程序段設計如下：

RFD=（pPacketPointer-＞payloadLength + SPP_HEADER_AND_FOOTER_LENGTH）；

RFD=pPacketPointer-＞destAddress；

RFD=myAddress；

RFD=pPacketPointer-＞flags；

if（pPacketPointer-＞payloadLength）

｛

DMA_ARM_CHANNEL（dmaNumberTx）；

DMA_START_CHANNEL（dmaNumberTx）；

｝

上述程序段實現(xiàn)了將數(shù)據(jù)包長度、地址以及標志位寫入到TXFIFO的功能，并且調(diào)用DMA控制器開始數(shù)據(jù)傳送。

3.2 接收信號強度指示器（RSSI）

RSSI的值是判定鏈路質(zhì)量的一個重要指標，空載時觀察RSSI的平均值，是判斷干擾情況的最主要手段［6］。

RSSI寄存器值RSSI.RSSI_VAL在射頻中涉及到的電能P，可通過下式計算［7］：

式中，OFFSET是一個系統(tǒng)開發(fā)期間得到的來自前端增益的經(jīng)驗值。其近似值為-45。

CC2430通過硬件校驗CRC，將RSSI的值附加到數(shù)據(jù)幀之中。接收節(jié)點發(fā)送RSSI的值至串口的程序設計如下：

U0DBUF=RSSIL；

while（UTX0IF==0）；

UTX0IF=0；

3.3 空閑信道評估（CCA）

空閑信道評估（CCA）基于測量到的RSSI值以及通過編程來設置的閾值。IEEE 802.15.4一共指定了三種CCA模式，CC2430射頻芯片可以全部實現(xiàn)［8］。三種CCA模式都是通過設置MDMCTRL0L.CCA_MODE來完成。CCA的程序?qū)崿F(xiàn)如下：

if（FSMSTATE＞30）

｛

sppTxStatus=TX_IN_PROGRESS；

if（pPacketPointer-＞flags&DO_ACK）

｛

pAckData=pPacketPointer；

DMA_ABORT_CHANNEL（dmaNumberRx）；

waitForAck（）；

｝

else

｛

pAckData=NULL；

｝

RFIM|=IRQ_TXDONE；

｝

else

｛

ISFLUSHTX；

res=CHANNEL_BUSY；

RFIM&= ～IRQ_TXDONE；

if（！（pPacketPointer-＞flags&RETRANSMISSION））

｛

pPacketPointer-＞flags^=SEQUENCE_BIT；

｝

｝

｝

3.4 頻率和信道

IEEE 802.15.4 指定 16個信道［9］。它們位于2.4GHz頻段之內(nèi)，步長為 5MHz，編號為 11～26［10］。信道k的RF頻率由IEEE 802.15.4指定：

Fc=2405+5（k-11）MHz k=（11，12，…，26）

實現(xiàn)了發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的信道切換。其中，接收節(jié)點的信道切換是通過按鍵中斷的方式實現(xiàn)的。程序?qū)崿F(xiàn)如下：

#ifndef device1

#pragma vector=P0INT_VECTOR

__interrupt void P0_ISR（void）

｛

if（P0IFG＞0）

｛EA=0；//關中斷

halWait（50）；//延時防抖

if（P0_4==1）

｛P0IFG=0；

RX_CHANNEL+=1；

…

…

…

｝

｝

｝

頻率初始化是通過以下語句實現(xiàn)的：

UINT32 frequency=2405000+（（UINT32）CHANNEL-11）*5000；

其中，CHANNEL的值對應上述程序段中RX_CHANNEL的值。

4 干擾研究方案設計

4.1 干擾研究的測試場景

實驗設置兩種場景。場景一是無明顯不可控干擾的實驗室環(huán)境以及在該環(huán)境下設定可控干擾源。場景一介紹如下：實驗室長約6m，寬約5m。IEEE802.11b可控干擾源與IEEE 802.15.4通信節(jié)點布局如圖2所示。通過路由器、兩臺筆記本電腦搭建無線局域網(wǎng)，它們按照電腦、路由器、電腦的順序依次并排擺放，間隔很小。兩個CC2430通信節(jié)點之間的距離為1m。WLAN干擾源與通信節(jié)點之間的垂直距離為3.2m。設定無線路由器工作在某一特定信道，兩臺筆記本電腦之間以10Mbit/s左右的穩(wěn)定速率進行大文件傳輸，構(gòu)成相對穩(wěn)定的WLAN干擾源，作為可監(jiān)控的特定WLAN干擾。

場景二是WLAN覆蓋比較廣泛的街道，存在明顯不可控干擾。在該場景下進行實驗時保持兩個CC2430通信節(jié)點的距離為1m。

圖1 場景一中IEEE 802.11b干擾源與IEEE 802.15.4通信節(jié)點布局

4.2 干擾研究實驗設計

設計四組實驗：

第一組在場景一中進行，測量WLAN工作信道對IEEE 802.15.4不同信道丟包率的影響。該組包括以下兩個實驗：

實驗1：無可監(jiān)控的固定WLAN干擾信號。

實驗2：設定可控特定的無線局域網(wǎng)干擾。無線路由器分別設置工作在第2信道與第11信道。

第二組即實驗3，在場景一中進行，測量干擾環(huán)境不變的情況下，IEEE 802.15.4發(fā)送功率對丟包率的影響。設置IEEE 802.15.4節(jié)點發(fā)送功率依次為-25dBm、-15dBm、-3dBm、-1dBm、0dBm。

第三組即實驗4，在場景一中進行，研究影響射頻層丟包率的因素與RSSI的相關性。

第四組即實驗5，在場景二中進行，研究WLAN干擾源信道、強度未知的情況下，IEEE 802.15.4通信節(jié)點受WLAN的影響情況。

4.3 WLAN信道變化對節(jié)點丟包率的影響

該組實驗中，CC2430無線通信節(jié)點射頻發(fā)送功率設定為-10dBm，從11信道開始，每個信道發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包后切換至下一個信道，直至26信道。數(shù)據(jù)包在發(fā)送過程中不采用數(shù)據(jù)包重發(fā)機制，啟用空閑信道評估技術(shù)。

圖2 無可監(jiān)控的固定干擾信號時的丟包率

實驗1：無可監(jiān)控的固定WLAN干擾信號。根據(jù)式（1）計算得，丟包率如圖2所示。其中，橫坐標表示IEEE 802.15.4信道，縱坐標表示丟包率。

實驗2：設定可控特定的無線局域網(wǎng)干擾。無線路由器分別設置工作在第2信道與第11信道。得到丟包率情況如圖3所示。

圖3 存在可控干擾信號時的丟包率

圖2 顯示，當無可監(jiān)控的固定干擾信號時，通信節(jié)點沒有出現(xiàn)明顯的丟包現(xiàn)象，13，14，15等八個信道的丟包率為零，其余信道最高丟包率不超過1.1%?？芍車h(huán)境WLAN對IEEE 802.15.4每個信道的干擾都是極其微小的，這與實驗環(huán)境周圍無固定大功率的WLAN干擾源存在相符。

圖3顯示，當WLAN設定為2信道時，IEEE 802.15.4的第13，14，15，16信道的丟包率很高，分別為88.1%，88.9%，94.6%和87.9%，其它信道為零丟包率或接近零丟包率。當WLAN設定為11信道時，IEEE 802.15.4的21，22，23，24信道的丟包率很高，分別為77.9%，94.4%，91.5%和70%，其它信道為零丟包率或接近零丟包率。

圖2與圖3對比得知，WLAN干擾源影響的是通信頻段與之重疊的IEEE 802.15.4信道。當WLAN干擾源信號很強時，對與之信道重疊的四個IEEE 802.15.4信道產(chǎn)生嚴重的干擾，有的信道丟包率甚至達到了94%以上，造成信道阻塞。

由此，得到一個重要的實驗結(jié)論：每個WLAN信道會嚴重影響與之頻段重疊的四個IEEE 802.15.4信道的數(shù)據(jù)傳輸，而對不重疊的IEEE 802.15.4信道基本不存在影響。因此，在WLAN干擾下，選擇合適的IEEE 802.15.4信道可大大提高其通信質(zhì)量。

4.4 IEEE 802.15.4節(jié)點發(fā)送功率變化

實驗3：無線路由器工作頻段設置在11信道，CC2430通信節(jié)點設定為24信道。數(shù)據(jù)包在發(fā)送過程中不采用數(shù)據(jù)包重發(fā)機制，啟用空閑信道評估技術(shù)。改變節(jié)點發(fā)送功率分別為-25dBm、-15dBm、-3dBm、-1dBm、0dBm，采集到24信道的丟包率以及數(shù)據(jù)包RSSI平均值如圖4所示。其中，數(shù)據(jù)RSSI值是在接收數(shù)據(jù)包的同時獲取計算的，可認為是數(shù)據(jù)包的強度。

圖4 丟包率與數(shù)據(jù)包RSSI的關系

圖4 顯示，當節(jié)點發(fā)送功率為-25dBm，即數(shù)據(jù)包RSSI平均值為-88.9dBm時，24信道丟包率為97%，信道幾乎完全被阻塞。當節(jié)點發(fā)送功率逐漸增大，依次為-15dBm、-3dBm、-1dBm、0dBm時，24信道丟包率依次為94.7%、92.2%、90.3%和73%。

圖6的實驗結(jié)果分析表明，當WLAN干擾強度基本不變時，隨著無線通信節(jié)點射頻發(fā)送功率的增大，丟包率逐漸減小。因此，在應用到實際工作中時，可以通過提高節(jié)點發(fā)送功率來減小丟包率。但是，在節(jié)點能源不能及時補充的情況下，提高節(jié)點發(fā)送功率要以縮短節(jié)點的生存周期為代價。在實際應用中，可采用功率動態(tài)調(diào)整的方式達到能耗與通信質(zhì)量的平衡。

4.5 影響射頻層丟包率大小的因素與環(huán)境RSSI值的相關性

實驗4：進行實驗2時，同時采集了無線路由器工作在2信道和11信道時環(huán)境RSSI平均值。為方便對比，記錄丟包率以及環(huán)境RSSI平均值如圖5所示。其中，環(huán)境RSSI值是數(shù)據(jù)包傳送間隙內(nèi)獲取計算的，此時無數(shù)據(jù)包到達，可認為是環(huán)境噪聲的強度。圖5中，橫坐標表示IEEE 802.15.4信道，主縱坐標軸表示丟包率，次縱坐標軸表示環(huán)境RSSI平均值。

圖5 存在可控干擾信號時的環(huán)境RSSI平均值

顯示，當WLAN設定為2信道時，與其頻段重疊的IEEE 802.15.4的12、13、14、15信道的環(huán)境RS-SI平均值在-80dBm～-70dBm之間，明顯大于其它信道的環(huán)境RSSI值，而這四個信道的丟包率也明顯遠遠大于其它信道。當WLAN設定為11信道時，與其頻段重疊的IEEE 802.15.4的21、22、23、24信道的環(huán)境RSSI平均值在-90dBm～-75dBm之間，明顯大于此時其它信道的環(huán)境RSSI值，而這四個信道的丟包率也明顯遠遠大于其它信道。

圖5的實驗數(shù)據(jù)表明，當存在特定信道的WLAN干擾源時，與其頻段重疊的IEEE 802.15.4信道的環(huán)境RSSI明顯增大。環(huán)境RSSI值明顯增大時，信道丟包率也明顯上升。在無線傳感器網(wǎng)絡實際應用中，需要對信道的受干擾情況進行分析并通過跳頻的方式動態(tài)調(diào)整工作信道，以避開受干擾比較嚴重的信道，保證無線傳感器網(wǎng)絡的鏈路質(zhì)量。該實驗表明，RSSI可以實時反映IEEE 802.15.4信道的受干擾情況。因此，在實際應用中，可以對RSSI進行實時監(jiān)控，將其作為判斷鏈路質(zhì)量的一項動態(tài)指標，確定跳頻方案。

4.6 WLAN干擾源信道、強度未知

實驗5：本次實驗在WLAN覆蓋比較廣泛的街道上進行。其余的實驗步驟同實驗1，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 WLAN干擾源未知時的丟包率

圖6 顯示，IEEE 802.15.4信道的丟包率起伏不定，最大丟包率出現(xiàn)在13信道，為33%，最小丟包率出現(xiàn)在26信道，為5.7%，且丟包率的大小變化也是無確定規(guī)律的。由此可見，此時，IEEE 802.15.4信道的丟包率呈現(xiàn)出隨機性現(xiàn)象。

由于該實驗在街道上進行，街道周圍可能有多個WLAN干擾源存在，其工作信道未知，與實驗用的通信節(jié)點的距離遠近不一，因此WLAN干擾源強度不定，對通信節(jié)點各個信道的影響也呈現(xiàn)出一定的隨機性。觀察圖6得到，IEEE802.15.4每個信道都不同程度地受到很大影響，有的信道丟包率達到30%以上，這在很大程度上影響了IEEE 802.15.4通信節(jié)點數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文得到三個重要結(jié)論：每個WLAN信道會嚴重影響與之頻段重疊的四個IEEE 802.15.4信道的數(shù)據(jù)傳輸，而對不重疊的IEEE 802.15.4信道基本不存在影響。當WLAN干擾強度基本不變時，隨著IEEE 802.15.4無線通信節(jié)點射頻發(fā)送功率的增大，IEEE 802.15.4通信質(zhì)量受WLAN的干擾影響程度逐漸減弱。當存在特定信道的WLAN干擾源時，與其頻段重疊的IEEE 802.15.4信道的環(huán)境RSSI明顯增大。環(huán)境RSSI值與信道丟包率為正相關關系。

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IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Network Protocol Interference Testing

HE Ping
（Xiangyang Vocational and Technology College，Xiangyang 441050）

Under the IEEE 802.15.4 protocol and LAN system WLAN coexistence，layer anti-jamming performance under IEEE 802.15.4 radio protocol is studied experimentally.TI radio frequency chip CC2430 is used according to the radio communication program design task object nodes to solve the key problems study IEEE 802.15.4 communication protocol for the study of anti-jamming performance need to be addressed：DMA controller for data transmission，the receiving node from the register read RSSI value，the sending node transmit power cycle changes，the sending node and the receiving node channel circulation changes and synchronization.According to channel quality parameters provided by the CC2430 and experimental test results for data analysis of IEEE 802.15.4 jamming performance under different conditions，measurement data is integrated，a variety of interference effects typically quantitative analysis are given.At the same time，it analyzes the factors affecting the RF layer packet loss rate and the

signal strength indication RSSI correlation.

wireless sensor networks，IEEE 802.15.4 protocol，WLAN interference，packet loss rate，RSSI

TP61

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.036

Class Number TP61

2017年5月7日，

2017年6月57日

何平，女，講師，研究方向：計算機網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)庫。