SimpliciTI網絡頻率捷變機制的研究*

楊 寧，史儀凱，袁小慶，黃 磊

(西北工業大學機電學院，西安 710072)

SimpliciTI是一種低速率、低功耗的短距離無線通訊技術，相對于Zigbee更適用于小型辦公場合，此網絡工作在ISM中的2.4 GHz公用頻段。由于該頻段的資源十分擁擠，因而會引起同一區域不同設備之間的頻率資源沖突和相互干擾問題［1－3］。為此協議引入的頻率捷變機制(Frequency Agility，FA)［4］避免了由于信道競爭產生的數據堵塞，使信道在受到外界干擾的情況下能夠自主地進行信道切換。但FA機制在信道預測方面存在不足，未能完全實現合理回避頻道沖突的功能。目前解決上述問題的理論研究是PSCP-FA，雖然該方法對各個節點進行周期性同步校正，但是不能保證整個網絡體系的實時同步，因此有必要結合跳頻技術對原有機制進行改進。

本文在跳頻信號最前端加入同步碼信息，以保持網絡設備載波跳變規律、頻隙起始時刻以及信號相位的一致性；通過計算時鐘差和傳輸時延，使網絡設備能更好地實現主從同步；根據簡化的SimpliciTI信道模型估算RSSI值［5－8］，并將該值作為信道列表比較閥值以減少頻率捷變的次數。經實驗證明，該方案能快速精確地完成全網絡主從同步，有效地提高了網絡工作穩定性，增強了SimpliciTI的實用性。

1 FA幀接入機制

1.1 現有FA機制缺陷

FA機制切換原理如圖1所示，首先將SimpliciTI網絡頻率分割成n個信道，并把時間劃分為m個時隙。在組網過程中，默認信道0在t0時刻啟動，假設信道0在t1時刻被占用或產生嚴重干擾，那么將采用FA方式切換信道至無干擾信道1。此時，數據中心向網絡發送廣播幀以通知其它節點設備切換至相應信道。當信道1在t2時刻遇到類似情況時，采取相同措施避開故障信道，以此類推，反復利用輪詢方式使網絡工作于可靠信道，保證其正常通信。

圖1 現有FA機制信道切換原理

根據上述原理，現有FA機制中存在以下三方面缺陷:

(1)當通信信道改變后，休眠設備無法連接至網絡，因此需采用輪詢訪問方式嘗試加入網絡，此措施不僅加大了組網開銷(如時間、能量)，而且加重了通信負載(如廣播幀、請求/應答幀)。

(2)在判斷信道是否被干擾或占用時存在一定的盲目性，即當RSSI值連續3次大于－85 dBm時，則判定該信道不可靠。

(3)由于網絡需要應用于不同的硬件設計以及開發環境，因此SimpliciTI協議無法對網絡中各個節點進行同步校正。

1.2 改進FA機制

針對上述三方面缺點，現有FA機制的改進由兩部分構成:整個網絡設備與網絡的同步和基于RSSI值的信道預測。其中，同步階段包括載波同步、幀同步和位同步；信道預測階段，接收處理RSSI值并利用其值判斷信道通信質量，通過不斷更新信道列表以完成信道切換工作，FA幀的網絡接入模型如圖2所示。

圖2 FA幀接入模型

2.4GHz頻段設備占用資源的方式可分為3類:固定單頻道方式、全頻段跳頻方式和動態多頻道方式。根據Zigbee相關理論可知［9－11］，在FA階段需采用動態多頻道方式，即通信雙方首先工作于某一特定的工作頻道上，一旦原頻道不能夠繼續工作，將會自動或通過人工選擇新的工作頻率。在競爭訪問階段，即在SimpliciTI數據幀的傳輸階段，MRFI層(Minimal RF Interface)仍采用基于IEEE 802.15.4標準的CSMA/CA方式(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)，通過載波偵聽機制防止數據碰撞，提高由于網絡節點移動、失效引起的動態拓撲結構適用性差的問題。

2 跳頻網絡同步分析

載波同步過程中未專門插入導頻，而是在接收端直接從發送信號中提取載波。由于網絡使用的是2.4GHz的高頻率載波，因此采用易于實現的Costas鎖相環對載波進行提取［12］。設輸入已調信號為f(t)cosωt，壓控振蕩器輸出信號為v1=cos(ωt+θ)，則它的正交信號為v2=sin(ωt+θ)，其中θ為與v1輸入已調信號載波之間的相位誤差。

當同向正交環工作時，輸入已調信號分別與v1、v2相乘，經低通濾波器去除2ω高次諧波得到的兩個信號分別為 0.5f(t)cosθ和 0.5f(t)sinθ；將這兩個信號加于相乘器后，最終得到調整信號

式(1)表明，V的大小與相位誤差θ成正比。因此，可以利用信號V去調整壓控振蕩器輸出信號的相位，使穩態相位誤差降低到最小；同時得到的v1也就是所需要提取的載波信號。

對于位同步和幀同步的過程，則采用自同步法實現，即每隔一定數量的信息碼元插入一個幀同步碼。假設恢復基帶信號誤比特率為Pb，同步碼的碼元數為N，檢測器允許碼組中錯誤碼元的最大數為n，則同步碼的正確檢測概率為

錯誤檢測概率為

在數據碼組中，可能含有與所要識別的同步碼相同的碼元，這時會產生數據碼被誤認為是同步碼的現象，因此還需考慮假同步概率Pa。設數據碼組中出現“0”和“1”的概率均為50%，則組成N位碼組的所有可能碼組數為2N。若n=0，則數據碼組的識別數為；若n=1，則數據碼組的識別數為。依此類推，得到數據碼的假同步概率為

當同步碼的碼元數設置為20，誤比特率控制在1%時，圖3給出了錯誤檢測概率Pf與假同步概率Pa之間的關系。

圖3 Pf和Pa分別與n的關系曲線

如圖3所示，隨著n的增大，Pf隨之減小，Pa反而增大；鑒于兩項指標存在的矛盾關系，這里選取檢測器中允許錯誤碼元的最大數為3，此時，錯誤檢測概率與假同步概率均只有0.13%。

同步字頭的組裝完成后，需要對網絡的主從同步體系進行構建。SimpliciTI網絡中，規定數據中心設備(AP，Access Point)為參考節點，其它設備為非參考節點，主從同步過程主要是通過收發FA幀中的同步信息并對其解析實現的。假設參考節點AP的時鐘超前一級節點范圍擴展設備(RE，Range Extender)的時間為ΔT，信息傳播時延為s。初始化后，RE首先在t1時刻向AP發送一個同步請求，AP在t2時刻收到該請求，那么可知t2=t1+ΔT+s；延遲一段時間后，AP在t3時刻回復一個應答信息，其內容包含相應ID和時間信息t2；最后經過傳輸時延s，RE在t4時刻獲得了應答信息，則t4=t3－ΔT+s。根據上述分析可以得出時鐘差ΔT和傳輸時延s分別為

若一級節點RE被主節點AP同步時間為T1，同步其子節點的時間為T2，則整個網絡時間同步所需要的時間Ts為

式中，J為網絡跳數。

由式(6)可知，全網絡同步花費的時間與網絡跳數有關，因此可通過降低網絡跳數的方式達到降低傳輸時延的目的。同時，利用式(4)和式(5)完成各個子節點自身的時鐘調整，圖4給出了同步誤差與節點數量A(取A=10J)和網絡跳數J(J≤4)的關系。

圖4 同步誤差隨網絡跳數變化關系

3 網絡算法分析

對于理論模型，常采用自由空間傳播模型來分析無線電傳播路徑損耗，其模型為

式中，Pt為發射功率(dBm)。

該模型表明，RSSI的衰減與距離成指數衰減關系，當距離增大時，衰減增大；同時RSSI取值還跟節點之間有無障礙物及物體運動速度快慢有關。設節點發射功率為0 dBm，以250 kbit/s的速率連續發送150個數據包(數據包長度為20 byte)，經測量得到不同干擾源對接收節點RSSI的影響，部分結果如表1所示。

式中，d為距信標的距離(km)；f為無線電傳播頻率(MHz)；β的值與阻擋物等環境因素有關，其范圍一般在1.8～5之間。

在實際應用中，考慮到環境因素，空間電磁波的傳輸損耗符合對數正態Shadowing模型，則有

式中，Pr(d)為傳播經過距離d后的路徑損耗；Pr(d0)為傳播經過距離d0后的路徑損耗；XdB為服從N(0，σ2)分布的隨機變量。

根據式(7)和式(8)可以給出簡化的SimpliciTI網絡信道模型為

通過表1可以看出，在不遮擋天線的情況下，靜止物體對RSSI影響很小，僅有0.5 dBm；當通信過程有快速物體移動時，瞬間對RSSI造成的影響較大，約為4 dBm～6 dBm。結合式(9)，在室內情況下(d≤8 m)，當發射功率為Pt=－10 dBm時，RSSI的合理取值在－75 dBm附近(該值可根據系統發射功率的大小調整)。

由于初始信道在受到嚴重頻率沖突時，會導致收發雙方無法握手的現象發生，因此頻率捷變機制還需要具有自動捕獲初始信道的功能。設定收發兩端的邏輯信道號都是從0到4，發送端的信道以2 ms的周期切換信道，而接收端的邏輯信道號則以10 ms的周期循環變換。這意味著，無論收發雙方的初始信道是否一致，在接收端當前信道的10 ms周期內總會有2 ms的時間與發送端的信道號相一致，從而使收發兩端能夠自動約定初始信道，其算法流程如圖5所示。

圖5 改進的頻率捷變算法流程

SimpliciTI中的頻率捷變算法是通過檢測RSSI值來避免環境中的噪聲干擾:若當前信道噪聲較弱，則正常通信；若當前信道噪聲較強，則進行信道切換。考慮到原算法在頻道切換方面存在盲目性，改進算法建立了用于保存RSSI測試值的信道列表，該列表中的RSSI值按從大到小順序排列。網絡節點通過比較列表中前三項RSSI的平均值與設定閥值的大小，判斷網絡是否需要進行信道切換；同時，將閥值比較次數設置為3次，即需要檢測30次RSSI的值，以降低由于瞬間干擾造成信道切換的可能性。

為了驗證該算法在信道切換方面的可靠性和有效性，對SimpliciTI網絡進行了測試。實驗環境為18 m×2 m辦公場所，區域內有如WLAN等2.4 GHz干擾信號；選取40個網絡節點，包括1個AP，3個RE以及36個終端設備；將終端設備排列在區域兩端，并使AP和RE均勻分布在兩列終端設備之間；測試干擾源(行人)以2 m/s的速度對測試節點的傳輸路徑進行阻礙，算法改進前后的信道切換次數對比值如表2所示。

表2 算法改進前后的信道切換次數對比

為了驗證該算法對傳輸數據的影響，采取分別測試AP節點和任意一個ED節點通信包的方式進行驗證，無線網絡測試結果如圖6所示。

圖6 數據通信測試結果

通過上圖可以看出，ED設備的發送數據長度和AP設備的接收數據長度均為3 ms；雖然在路徑損耗的作用下AP接收信號幅值為2.8 V略低于發送信號的幅值3.2 V，但不影響總體無線通信性能，能夠保證數據傳輸的準確性。

4 結論與分析

本文通過FA幀模型和RSSI閥值檢測算法改進現有SimpliciTI網絡的頻率捷變機制，研究結果表明:采用FA幀同步碼可提高網絡的抗干擾能力，尤其適用于輻射干擾源較多的環境；同時，通過時鐘調節算法可將整個網絡的同步時間誤差控制在1.2 ms內，并得到同步時鐘誤差與網絡跳數呈近似線性的關系；RSSI閥值的選擇和信道列表的應用增強了檢測算法的適應性，使信道切換次平均降低3次。因此，改進的頻率捷變機制在綜合性能上有較大提高，起到降低網絡開銷的作用。在小型辦公場合，選擇SimpliciTI網絡代替功耗和復雜度都很高的Zigbee網絡具有一定的現實意義。

隨著輻射源種類的日益增加，無線網絡的抗干擾能力體現著日趨重要的作用，因此，SimpliciTI協議中主從同步技術的可靠性和網絡拓撲結構的合理性需要在大規模通信環境下進一步研究和認證。此外，如何利用功率放大器件增加發射功率，進而加大節點間的通信距離，使SimpliciTI不受限于小型工作網絡將是下一步研究的重要方向。

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