錢光明　易超

摘要：看今天的無線網(wǎng)絡(luò)，不同的頻段選擇、不同的協(xié)議描述、不同的標準出臺以及不同的應(yīng)用登場，都令我們應(yīng)接不暇。同時，無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性越來越吸引了應(yīng)用者和研究者的注意。該文基于2.4G非授權(quán)頻段，從當今文獻中提煉出三個典型技術(shù)手段：基于時分的調(diào)度技術(shù)、多頻率、多信道和同時多發(fā)。這三個手段是提高無線網(wǎng)絡(luò)實時性和/或可靠性的重要方法。

關(guān)鍵詞：時分;跳頻;同時多發(fā)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0033-03

1 引言

相信我們當今的社會生活離不開無線網(wǎng)。在朝著萬物互聯(lián)的方向而努力的同時，人們不會只滿足于手機通信、藍牙耳機、WiFi上網(wǎng)這些應(yīng)用，自然要考慮將無線網(wǎng)技術(shù)用于監(jiān)測、控制等場合，而這些場合往往要求有更高的可靠性、可調(diào)度性和/或其他指標保證，本文稱這樣的無線網(wǎng)為實時無線網(wǎng)。多年來，許多學(xué)者和機構(gòu)已經(jīng)開展了這方面的工作。例如，HighwayAddressable Remote Transducer（HART） Communication Founda-tion提出了一個WirelessHART標準[1]，International Society ofAutomation發(fā)布過ISAlOO.llac2].促進了IEEE 802.15. 4-TSCH的出臺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT（Industrial Internet of Things）的研究和應(yīng)用[3]。相比傳統(tǒng)的有線網(wǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)有許多獨自的特征。那么，現(xiàn)有技術(shù)是如何駕馭這些特征，進而爭取到較好的實時指標呢？

2 基于時分的調(diào)度技術(shù)

毫無疑問，“延時”是無線網(wǎng)中的一個重要指標。對多個來源的數(shù)據(jù)采用時分處理，有利于對整個調(diào)度過程和延時指標進行把控。因此，從早期的研究[4][5]，到近年的實時無線技術(shù)[3][6]，許多都采用TDMA（time division multiple access）的時分方式來進行調(diào)度，一個時槽為最小調(diào)度單位，系統(tǒng)給不同的任務(wù)分配不同的時槽。

WirelessHART標準中，每個時槽寬度固定為lOrfisc7]。而在ISAlOO.lla中，時槽寬度則是在節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，由統(tǒng)籌全局的系統(tǒng)管理器指定的[8]。若干時槽組成一個超幀（superframe）。整個網(wǎng)絡(luò)中，超幀周期地重復(fù)，它也由系統(tǒng)管理器來管理。當系統(tǒng)管理器為通信的兩個節(jié)點分配一個連接（link）時，要指定信道和超幀，還要指明相對于該超幀第一個時槽的時槽偏移量，即在哪一個時槽中服務(wù)該連接。時槽分配，加上適當?shù)恼{(diào)度算法，可以盡量做到全網(wǎng)的高度計劃和協(xié)調(diào)，使重要指標得到較好的可預(yù)見性。

基于競爭型協(xié)議的無線網(wǎng)不能保障實時性[9l，尤其是重負載的時候。例如IEEE 802.15.4中，一個超幀包含CAP（conten-tion access period）和CFP（collision free period）[10]，在CAP期間，使用帶時槽的媒體競爭機制可能導(dǎo)致較長的響應(yīng)時間[11]。而在后繼協(xié)議IEEE 802.15. 4-TSCH中，雖然也保留了一種共享時槽用于廣播傳輸，但節(jié)點之間的單播數(shù)據(jù)傳送采用與Wire-lessHART -樣的分配型時槽（dedicated slot）嘲。

基于時槽分配而進行調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)是計劃型的，不過，它有時也不能完全做到無沖突。比如多個節(jié)點同時發(fā)出數(shù)據(jù)請求時[12]，又如多個相鄰節(jié)點在同一頻率通道同一時槽同時發(fā)送廣告EB（enhanced beacon）時[13]，都必然存在沖突的可能，需要設(shè)計合適的調(diào)度算法來處理。

3 多頻率多信道

3.1 選頻

Wifi，藍牙和zigbee等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)都處在2.4G非授權(quán)頻段，對于工作在同一波段的實時無線網(wǎng)，它們是不可忽視的干擾源。為無線通信選擇頻率信道時，針對已知的干擾源，可以選擇它們不用的信道。例如，基于802.llb/g的WiFi網(wǎng)中，1號、6號和11號信道會成為主要干擾源[6]，但在這幾個信道之間存在一定的間隔，在這些間隔中選擇通信頻率時，就可以避開它們帶來的干擾，藍牙4.0的3個廣播信道2402MHz、2426MHz和2480MHz就是這樣選擇的[14]。

對多個2.4G非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的共存問題，還可以采用更深入的研究方法。如一個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測并估算另一網(wǎng)絡(luò)的發(fā)包情況，進而采取相應(yīng)措施，自己發(fā)包時選擇不同時間和/或不同頻率[15]。很明顯，這樣實施起來比較復(fù)雜，并且要取得好的去干擾效果也不容易。

同一網(wǎng)絡(luò)中也存在選頻的問題。針對IEEE 802.15. 4-TSCH，文獻[6]指出：如何使多個相鄰連接（link）在同一時間內(nèi)不使用同一頻率，是一個挑戰(zhàn)性的問題。作者提出不能用的黑名單信道（blacklisted channeD要在一定時間內(nèi)讓全網(wǎng)知曉，使得可用信道總數(shù)能被及時更新，以便快速計算出一個新信道。文獻[13]提出的基于多時槽幀（slotframe）的沖突避免調(diào)度算法，既要選時槽，更主要是選頻，為將要發(fā)送EB的節(jié)點在多時槽幀中分配好時頻資源。

3.2 跳頻

為了避免臨近空間同頻率的干擾，早期的藍牙就采用了跳頻技術(shù)（frequency hopping），每次數(shù)據(jù)交換所用的載波頻率按一定方式選擇，以便較好地避開受干擾的頻率通道[14]。藍牙5.0仍然保留它[16]。早期的IEEE 802.15.4采用了抗干擾能力較好的直序擴頻通信技術(shù)DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），而在當今為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIOT而準備的IEEE 802.15. 4-TSCH標準中，不但保留了DSSS，而且引入了跳頻技術(shù)，TSCH的英文全稱就是Time-Slotted Channel Hopping，即基于時槽的跳頻[3]?？梢娞l對提高無線通信質(zhì)量很受重視。

為了避開受干擾的頻率信道，藍牙5.0共有40個信道可以選擇，IEEE 802.15. 4-TSCH共有16個信道（其中最后一個信道在某些國家不合法）。

選頻和跳頻在文獻中似乎沒有刻意區(qū)分。在無法預(yù)知干擾源（外人）的情況下，基于非黑名單不斷地變換通信頻率，毫無疑問是一個跳頻手段。在同一網(wǎng)絡(luò)中，為了避免臨近節(jié)點（自己人）的干擾，給各節(jié)點選擇不同頻率的過程稱為選頻似乎更合適。如果通過各節(jié)點自己獨立地跳頻來選頻，那么，要完全避免頻率沖突，確實是挑戰(zhàn)性的問題。

4 同時多發(fā)

同時多發(fā)CT（concurrent transmission）是一個網(wǎng)絡(luò)同步手段，也是可以提高數(shù)據(jù)傳輸成功率的一個引人注目的方法。它始于文獻[17]提出的Glossy泛洪結(jié)構(gòu)：正確收到數(shù)據(jù)包的所有節(jié)點，再同時將該包以同頻率發(fā)送出去。在多跳無線網(wǎng)中，數(shù)據(jù)發(fā)送的過程如波浪前行，使得遠端節(jié)點正確收包的概率大增。

干擾信號相對較弱時，因為捕獲效應(yīng)的存在，節(jié)點仍然能夠接收數(shù)據(jù)包[18]。但當節(jié)點密度較高時，它們進行同時多發(fā)，相互造成的影響會嚴重降低該包的正確接收概率。很幸運，文獻[17]基于IEEE 802.15.4進行分析和實驗，指出只要節(jié)點間同時發(fā)包的時間偏差△不超過0.5μs，就會有很高的正確收包率。這樣，節(jié)點同時發(fā)包盡管是一種相互影響，但是一種construc-tive interference，這種同時多發(fā)機制使得整個多跳無線網(wǎng)可以看作一個單一的通信體，進而可以采用經(jīng)典的單處理器實時調(diào)度算法來調(diào)度。據(jù)此，文獻[19]提出了一個Blink協(xié)議，采用EDF（earliest deadline first）調(diào)度算法[20]，不但正確收包率高，而且可以支持端到端的截止期設(shè)定，還能實現(xiàn)最小能耗計算。

文獻[21]則基于藍牙5.0進行同時多發(fā)，稱為BlueFlood。雖然與IEEE 802.15.4的物理層相比，在藍牙5.0上的效果相對脆弱，但只要同時發(fā)包的時間偏差△在一定范圍內(nèi)（如2Mbps速率時△不超過0.25 μS），加上藍牙特有的高速性能，同時多發(fā)是完全可行的。

當然，同時多發(fā)方式對數(shù)據(jù)傳送的速度會有一定影響。但它不但提高了可靠性，將全網(wǎng)看作一個整體，而且無須收集全局信息。而在WirelessHART和IEEE 802.15. 4-TSCH等協(xié)議中，為了得到較好的調(diào)度效果，是需要使用全局信息的。

5 結(jié)束語

基于時分的調(diào)度技術(shù)有利于全網(wǎng)的計劃和調(diào)度結(jié)果的可預(yù)見性，選頻和跳頻有利于抗干擾和進一步減少沖突，同時多發(fā)技術(shù)有利于進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。實際上，這些手段在其他頻段也可大顯身手。例如，文獻[22]就通過實驗證實了同時多發(fā)在LoRa網(wǎng)中也是可行的。

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基金項目：長沙市科技局資助項目（ZD1802001）

作者簡介：錢光明，男，教授，主要研究方向為嵌入式和實時系統(tǒng);易超，男，在讀研究生。