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(hào)干擾，且其規(guī)定節(jié)點(diǎn)丟失信標(biāo)幀數(shù)量超過(guò)aMaxLost?Beacons就判定為孤立節(jié)點(diǎn)，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(shí)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(kāi)銷(xiāo)，且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。Wi-Fi干擾源測(cè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；跳頻；信道干擾；時(shí)間同步

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61540012）)；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（14C0442）；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015JJ2060）

IEEE802.15.4協(xié)議作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的PHY和MAC層通信標(biāo)準(zhǔn)，正在我國(guó)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(wú)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(wèn)方法，但該方法實(shí)現(xiàn)時(shí)需要在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上增加通信開(kāi)銷(xiāo)。同時(shí)，IEEE802.15.4協(xié)議中也沒(méi)有明確規(guī)定如何解決同頻段網(wǎng)絡(luò)的干擾問(wèn)題，為盡可能避免同頻段網(wǎng)絡(luò)信號(hào)干擾，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單可靠信道訪問(wèn)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(jì)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(qiáng)大的Wi-Fi信號(hào)，文獻(xiàn)［9-11］研究表明Wi-Fi嚴(yán)重影響無(wú)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(duì)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(jī)制或多次握手與批量傳輸機(jī)制，減少傳輸報(bào)文碰撞來(lái)改善QoS。這些單信道MAC協(xié)議優(yōu)化研究改善了報(bào)文沖突，但是大多是以增加協(xié)商報(bào)文為代價(jià)。因此，越來(lái)越多的文獻(xiàn)關(guān)注跳頻方式動(dòng)態(tài)控制的多信道分配，文獻(xiàn)［9-11］采用獨(dú)立的控制信道實(shí)現(xiàn)多個(gè)物理信道間的跳頻同步控制，利用控制信道實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(diǎn)間的相互干擾；文獻(xiàn)［14-15］采用主動(dòng)隨機(jī)跳頻的方式選擇信道，但隨機(jī)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(bào)文的沖突及同步時(shí)間。

針對(duì)IEEE802.15.4協(xié)議沒(méi)有約定重新選擇新信道的跳頻方法現(xiàn)實(shí)，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(jì)一個(gè)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(gè)信道進(jìn)行通信。該方法在不增加信標(biāo)幀負(fù)荷和開(kāi)銷(xiāo)的情況下能有效避免Wi-Fi信號(hào)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(wèn)題

IEEE 802.15.4協(xié)議中規(guī)定2.4 GHz頻段共有16個(gè)信道，其中心頻點(diǎn)表達(dá)式為：

其中，n為信道號(hào)。協(xié)議規(guī)定信標(biāo)幀傳輸?shù)氖〈螖?shù)達(dá)到一個(gè)aMaxLostBeacon（接收MAC層連續(xù)丟失的最大信標(biāo)幀數(shù)）上限時(shí)，協(xié)調(diào)器就以能量檢測(cè)掃描（ED-SCAN）的方式在16個(gè)信道中重新順序訪問(wèn)，找到一個(gè)可用新信道時(shí)，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(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)。如此一來(lái)，失去同步的節(jié)點(diǎn)就必須采用孤立節(jié)點(diǎn)掃描方式尋找新信道，同時(shí)也必將增加同步通信量，會(huì)導(dǎo)致較大的能量消耗。孤立節(jié)點(diǎn)掃描新信道時(shí)會(huì)存在以下主要問(wèn)題：

①能量消耗大：孤立節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描時(shí)，無(wú)線接收器都必須處于開(kāi)啟狀態(tài)，因此孤立節(jié)點(diǎn)掃描的時(shí)間越長(zhǎng)，將造成節(jié)點(diǎn)的能量消耗越大，對(duì)于以電池供電的節(jié)點(diǎn)而言，其使用壽命會(huì)嚴(yán)重縮短。

②失去同步：協(xié)調(diào)器要跳離開(kāi)原來(lái)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(shí)節(jié)點(diǎn)成功收到“信道更新”命令的概率必將大大降低，如果節(jié)點(diǎn)沒(méi)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(diǎn)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(diǎn)如果無(wú)法接收的信標(biāo)幀次數(shù)超過(guò)aMaxLostBeacons值時(shí)，會(huì)將自己判定為孤立節(jié)點(diǎn)，必將與協(xié)調(diào)器失去同步。孤立節(jié)點(diǎn)接著通過(guò)運(yùn)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(diǎn)信道掃描耗費(fèi)時(shí)間一般都比較長(zhǎng)，最差的情況需把16個(gè)信道全部掃描完后方能找到自己所屬的協(xié)調(diào)器，花費(fèi)時(shí)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(gè)最小單UBP。例如：BO=6，需要花費(fèi)近16 s才能完成孤立節(jié)點(diǎn)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(diǎn)信道掃描時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間延遲與節(jié)點(diǎn)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(wú)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(qiáng)大的Wi-Fi信號(hào)，與IEEE 802.15.4頻段有重疊，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道干擾的重要來(lái)源之一，其經(jīng)常會(huì)造成IEEE802.15.4通信的中斷，迫使節(jié)點(diǎn)跳離原有通信信道。見(jiàn)式（1）可知，2.4 GHz頻段上共16個(gè)信道，分別為信道11（ch11）～信道26（ch26），每個(gè)信道的中心頻率相隔5 MHz，信道間無(wú)頻譜重疊。而IEEE 802.11b （Wi-Fi）在2.4 GHz的頻段上共劃分為11個(gè)子信道，每個(gè)子信道的帶寬為22 MHz，子信道的中心頻點(diǎn)間隔5 MHz，相鄰多個(gè)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(gè)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(wú)沖突的信道分別是ch15、ch20、ch25以及ch26，理論上說(shuō)，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(shí)際應(yīng)用中，通信的頻點(diǎn)會(huì)有漂移，因此在上述非重疊的4個(gè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最可靠的一個(gè)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(jì)

為了確保網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的MAC定時(shí)器與其所歸屬協(xié)調(diào)器MAC定時(shí)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(gè)實(shí)時(shí)性跳頻事件來(lái)處理，在MAC層建立一個(gè)專用定時(shí)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(shí)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(kāi)銷(xiāo)，見(jiàn)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(shí)鐘信息，用做所屬每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信道同步。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都以此時(shí)鐘作為一個(gè)跳頻函數(shù)的輸入來(lái)產(chǎn)生跳頻序列表，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)讓MAC定時(shí)器同步操作以及周期性啟動(dòng)跳頻的事件，節(jié)點(diǎn)依照跳頻序列表周期性地選擇新信道。例如：當(dāng)有節(jié)點(diǎn)想要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其使用主動(dòng)（Active）掃描或是被動(dòng)（Passive）掃描方式來(lái)掃描整個(gè)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(jī)制，因此節(jié)點(diǎn)將會(huì)按照信標(biāo)幀負(fù)荷里所含的MAC同步時(shí)鐘信息將本身MAC定時(shí)器與之同步，并啟動(dòng)跳頻機(jī)制，以確保跳頻同步。同時(shí)，跳頻周期設(shè)計(jì)與信標(biāo)間隔BI（Beacon Interval）相同，這樣能夠保證至少有一個(gè)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(diǎn)掃描是依16個(gè)信道順序進(jìn)行，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)信道受干擾時(shí)，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(gè)信道等概率使用，把重疊的15個(gè)信道平均劃分為3組，可設(shè)計(jì)跳頻序列函數(shù)的表達(dá)式為：

其中，i為同步信號(hào)索引。因受干擾的信道共有15個(gè)，即i=tmod15，t是觸發(fā)跳頻事件的MAC定時(shí)器時(shí)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(méi)有重疊的ch26沒(méi)有出現(xiàn)在圖3中，為了加強(qiáng)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(shí)同步信號(hào)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(gè)Wi-Fi無(wú)線訪問(wèn)點(diǎn)（AP）時(shí)，最多與5個(gè)IEEE802.15.4通信信道重疊，即重疊的概率為：

②只有2個(gè)Wi-Fi無(wú)線訪問(wèn)點(diǎn)（AP）時(shí)，最多與10個(gè)IEEE802.15.4的信道重疊，即重疊的概率為：

③只有3個(gè)Wi-Fi無(wú)線訪問(wèn)點(diǎn)（AP）時(shí)，最多與15個(gè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)ch11至ch25被Wi-Fi信號(hào)完全重疊，整個(gè)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(diǎn)與協(xié)調(diào)器間的同步。

4　實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證時(shí)鐘同步模式跳頻機(jī)制的運(yùn)行效果，構(gòu)建如圖5所示意的實(shí)驗(yàn)環(huán)境：

①實(shí)驗(yàn)設(shè)備為：3臺(tái)IEEE 802.11b無(wú)線AP，即AP1、AP2和AP3；3臺(tái)內(nèi)置IEEE 802.11筆記本，即B1、B2和B3；2臺(tái)IEEE 802.15.4節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)M1）。

②實(shí)驗(yàn)條件為：AP之間、筆記本之間的距離約為3 m，1臺(tái)AP只與1臺(tái)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(tái)AP的工作信道分別為ch1、ch6和ch11，且以網(wǎng)線與同一臺(tái)交換機(jī)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(gè)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(gè)字節(jié)），工作在非跳頻狀態(tài)時(shí)，其通信信道固定于ch12。

圖5　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證示意圖

表1顯示4種干擾條件下連續(xù)統(tǒng)計(jì)（每秒做一次統(tǒng)計(jì)）平均吞吐量實(shí)驗(yàn)結(jié)果（每種情況做600次實(shí)驗(yàn)）。在無(wú)AP工作、AP1工作、AP1和AP2同時(shí)工作、3臺(tái)AP同時(shí)工作等4種情況，在C1與M1通信過(guò)程中，無(wú)AP開(kāi)啟工作時(shí)，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(kāi)啟的3種情況，C1與M1固定信道通信時(shí)，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(shí)，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(duì)于無(wú)干擾時(shí)的83.3%、67.5%、49.9%，這些理論數(shù)據(jù)與表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近，因此可以看出理論推算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(wèn)延遲時(shí)間。延遲時(shí)間的定義為每一幀依次傳輸，并將傳輸此序號(hào)幀的初次傳輸時(shí)間記錄下來(lái)，直到收到此幀的ACK，將收到的ACK的時(shí)間減去幀傳輸?shù)臅r(shí)間即得訪問(wèn)延遲。在非跳頻通信時(shí)，平均訪問(wèn)延遲由7.42 ms增加到25.86 ms，增加約3.5倍，而使用跳頻機(jī)制通信時(shí)，平均訪問(wèn)延遲由7.48 ms增加到9.07 ms，卻只增加約1.2倍，這說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的跳頻信道訪問(wèn)機(jī)制大大改善了平均訪問(wèn)延遲時(shí)間。

表2　平均訪問(wèn)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(shí)現(xiàn)都需要盡力采用一定的跳頻技術(shù)來(lái)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(jì)者只是對(duì)提出的方法加以實(shí)施，而IEEE 802.15.4協(xié)議沒(méi)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(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)，能快速準(zhǔn)確選擇未受干擾信道的信道訪問(wèn)方法，Wi-Fi干擾源測(cè)試結(jié)果表明平均吞吐量和平均訪問(wèn)延遲都有明顯的改善，為智能居民小區(qū)自動(dòng)抄表等自組網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)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(wú)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?yàn)楝F(xiàn)代通信理論和無(wú)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(hào)：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-1699（2016）03-0434-05