一種用于移動無線傳感網的自適應變頻抗干擾機制*

陳始茂，吳超宇

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

一種用于移動無線傳感網的自適應變頻抗干擾機制*

陳始茂，吳超宇

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

針對特種車隊對移動無線傳感網的應用需求，設計了一種自適應變頻抗干擾機制，以提升移動無線傳感網的抗干擾能力。移動無線傳感網設置了8個工作頻點，根據網絡規劃選擇其中一個頻點作為網絡當前工作頻點，其他頻點作為備用頻點；在網絡受到嚴重干擾時，該抗干擾機制啟動備用頻點底噪掃描程序，從中選出信道底噪最小的備用頻點，并將網絡切換到該備用頻點上工作，以規避干擾。經試驗驗證，設計的自適應變頻機制達到預期的抗干擾效果。

特種車隊；移動無線傳感網；抗干擾；自適應變頻

0 引 言

目前，社會上有很多特種車隊，如消防車隊、石油運輸車隊、各種軍警車隊等，執行著各種各樣的特殊任務。在執行任務過程中，車隊的指揮控制人員需要對車隊車輛的自身狀況以及任務的執行情況進行實時監控掌握，以確保車隊安全和任務完成。因此，特種車隊需要裝備車隊監控信息系統：一方面對各車輛自身狀態信息如油料余量、故障、位置等進行自動采集、傳輸和匯聚，實時掌握車隊車輛的狀況；另一方面，對執行任務的主要信息如各車輛上裝載物資的種類、數量、作業情況等進行自動/人工采集、傳輸和匯聚。

經過近二十年的快速發展，無線傳感網（Wireless Sensor Network，WSN）技術已經發展成熟，各種各樣的產品也在社會的各個領域廣泛應用，且價格低廉。因此，采用WSN技術，在通信距離、抗干擾、安全保密及環境適應性等方面進行改進增強，滿足特種車隊的應用需求，也是一種相對比較理想的解決方案。改進后應用于特種車隊的WSN，稱之為移動無線傳感網（Mobile Wireless Sensor Network，MWSN）。

1 移動無線傳感網設計

MWSN由匯聚節點和傳感節點組成，網絡拓撲如圖1所示。

圖1 MWSN網絡拓撲

MWSN支持星形網、鏈狀網、樹狀網等網絡拓撲，并支持網絡動態變化，滿足特種車隊各種應用的需求。在MWSN中，匯聚節點作為網絡的協調器，負責網絡的構建與管理，并與各傳感節點交互數據。傳感節點如果一跳可達匯聚節點，則直接與匯聚節點建立連接關系；如果一跳不可達，則與其相鄰的傳感節點建立連接關系，應用數據通過相鄰傳感節點以多跳轉發方式達到匯聚節點。網絡開通后，匯聚節點和各傳感節點之間通過定期握手進行網絡維護和管理。

匯聚節點具有綜合信息匯聚能力，接入計算機、PDA等應用終端的能力，一般部署于車隊的指揮車。傳感節點具有相應接口，接入各類傳感器并支持各類傳感信息的綜合接入、封裝與傳輸，同時具有接入計算機、PDA等應用終端的能力，如圖2所示，一般部署于車隊的成員車輛。由于車隊車輛的自身狀態信息如油料余量、位置等信息一般都是周期性（如15 min）采集和上報，故障信息為實時上報但難得發生一次；而執行任務信息如裝載物資種類、數量、作業情況等一般只是初始時上報及發生變化時上報。所以，MWSN大部分時間處于空閑狀態。

為滿足特種車隊的應用需求，在WSN的基礎上，MWSN在通信距離、抗干擾、安全保密及環境適應性等方面進行改進增強。比如，根據具體的應用需求，適當增加MWSN節點間的通信距離，以保證車輛之間的穩定連通；增強MWSN的抗干擾能力，設計如采用自適應用頻機制使MWSN在受到一定程度干擾時還能正常工作，以保證特種車隊能在不同地域執行任務；對在MWSN中傳輸的信息進行適度的加密處理，如根據應用需要采用不同等級甚至是軍用等級的加密算法對信息進行加密，以防信息被截獲破解；采取措施增強網絡安全防護能力[1]如實行傳感節點身份預先登記注冊、傳感節點與匯聚節點間實行雙向身份鑒權等；增強復雜地形的適應能力，如選用較低的工作頻段、采用自適應調制解調技術等。

圖2 傳感節點綜合接入各類信息

2 自適應變頻機制

當MWSN受到干擾導致通信能力下降時，系統首先會降低無線信號的帶寬和傳輸速率，提高靈敏度，以提升通信能力。當采取上述措施后仍不能滿足通信需求時，系統啟動變更工作頻點（簡稱變頻）程序，將系統工作頻點更改到無干擾或者干擾相對較弱的頻點，保證系統正常通信和信息傳輸的QoS。系統有兩種變頻方式：人工變頻和自動變頻。人工變頻優先級最高，無人工干預時采用自動變頻方式。結合MWSN的任務使命和技術體制，本文設計一種自適應變頻機制，通過自適應變頻來達到規避干擾的效果。

2.1 工作原理

MWSN的物理層參考GB/T 15629.15-2010《信息技術 系統間遠程通信和信息交換 局域網和城域網 特定要求 第15.4部分：低速無線個域網（WPAN）媒體訪問控制和物理層規范》[2]定義的物理層進行設計。GB/T 15629.15-2010提供了多個物理層定義，工作在不同的頻段：314～316 MHz、430～434 MHz、779～787 MHz等。MWSN可以根據具體的應用要求，選用工作頻段。MWSN設置8個工作頻點（即8個工作信道），每個工作信道分配一個信道號，可根據車隊工作的電磁環境人工/自動選擇。

MWSN匯聚節點開機后，工作在預先規劃的信道上，按工作流程進行信標廣播和組網；傳感節點開機后，也工作在預先規劃的信道上，接收到本網絡的信標后，按照入網流程加入網絡。

MWSN匯聚節點具有接收信號強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）[3]檢測功能。工作期間，它周期性對工作信道的信號電平進行偵聽檢測，對信道底噪進行掃描。MWSN匯聚節點在任何情況下采集到的RSSI值均為有效采樣值。RSSI值與接收到信號信息中的網絡標識符組合使用。如果接收到的信號信息能被解析出來且信號中的網絡標識符為本網絡標識時，則判定為本網絡正常工作的信號，RSSI值用于判斷匯聚節點接收工作信號的強度情況，稱之為“工作信號RSSI”；如果接收到的信號無法解析出來或能被解析出來但信號中的網絡標識符為非本網絡的標識（其他車隊的MWSN）時，則作為為底噪信號，用于評估本信道受到干擾的情況。

在MWSN運行過程中，因受到外界惡意干擾或其他系統/設備使用相同工作頻點而導致MWSN工作信道底噪較高，導致MWSN的信息傳輸成功率嚴重下降甚至不能正常組網工作時，系統將采取變頻措施以規避干擾。

MWSN自適應變頻機制工作原理與流程如圖3所示。

圖3 變頻機制工作原理與流程

2.2 變頻判決

MWSN在運行過程中，根據以下幾個條件按順序判斷是否啟動變頻程序：

（1）工作信道底噪：判決門限為-82 dBm。

（2）工作信號RSSI：判決門限為-75 dBm。

（3）信息發送成功率：判決門限為50%。

（4）變頻次數：判決門限為10分鐘內不超過3次。

關于上述判決條件的說明：

（1）關于工作信道底噪門限：通過仿真計算和實際試驗驗證統計，當工作信道底噪大于-82 dBm時，會對MWSN造成嚴重干擾，匯聚節點信息發送成功率小于50%的概率為81.7%（≥80%），可判定工作信道受到嚴重干擾。因此，設定判決門限為-82 dBm。

（2）關于工作信號RSSI門限：根據Okumura-Hata無線傳輸空間鏈路模型[4]，在中等起伏地形環境下，MWSN節點間通信距離達到2 000 m時，工作信號強度會衰落到-80 dBm左右。綜合考慮其他因素，預留一定的冗余度，因此設定工作信號RSSI的判決門限為-75 dBm。

（3）關于信息發送成功率門限：小于50%被認為不可接受，因此設定判決門限為50%。

（4）關于變頻次數門限：10分鐘內不超過3次，目的是防止由于變頻過于頻繁而導致MWSN劇烈抖動，甚至短暫癱瘓。

下面分三種情況分析是否啟動變頻程序。

（1）匯聚節點檢測到當前工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信號RSSI值小于-75 dBm時，判定匯聚節點與傳感節點之間超過了正常通信距離，而并非受到了干擾，因此不作變頻操作。

（2）匯聚節點檢測到當前工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信號RSSI值不小于-75 dBm時，對發送的數據包進行統計。根據網絡規模（即網絡中傳感節點數量），設置不同的統計周期（發送包數），再根據發送數據包的成功率來判斷匯聚節點工作信道的質量，并以此作為變頻判決依據，如表1所示。

①信息發送成功率不小于70%時，不啟動變頻程序；

②信息發送成功率在50%～70%之間時，啟動備用信道底噪掃描程序，周期性（如10 s）對其他7個備用信道進行信道底噪掃描，并保存各備用信道的底噪掃描結果；掃描6次以上后，不斷統計各備用信道的底噪平均值，從中選出底噪平均值最小的備用信道作為變頻的目標信道，但不啟動變頻程序；

③信息發送成功率小于50%，且連續3個統計周期的信息發送成功率均小于50%時，啟動變頻程序，MWSN切換到變頻目標信道上工作。但是，為了防止網絡劇烈抖動，如果最近10 min內已經過3次變頻，即使信息發送成功率小于50%，也暫停啟動變頻程序；間隔5 min后，如果信息發送成功率仍然小于50%，則再啟動變頻程序。

（3）匯聚節點檢測到當前工作信道的底噪大于-82 dBm，且連續6個RSSI采樣周期獲得的底噪均大于-82 dBm，則判定工作信道受到嚴重干擾，啟動變頻程序。但是，如果最近10 min內已經過3次變頻，則暫停啟動變頻程序，間隔5 min后再啟動變頻程序。

2.3 變頻操作

根據設定的自動變頻條件，一旦受干擾程度達到自動變頻的條件，匯聚節點就會啟動變頻程序：

（1）匯聚節點向傳感節點廣播變頻通知消息，重復3次，變頻通知消息中包含變頻的目標信道（頻點）信息。

（2）匯聚節點將工作信道變更至目標信道，并在新的工作信道上周期性廣播本網絡信標，正常組網和運行網絡。

（3）傳感節點收到變頻通知消息后，也將工作信道變更至目標信道，并重新發起入網流程加入網絡；個別傳感節點由于干擾或其他原因而沒有接收到變頻通知消息，則在原工作信道等待5個信標周期，如果還沒有收到本網絡信標，則再切換到其他信道逐個守候信標。每個信道等待5個信標周期，一旦收到本網絡信標，則立即重新發起入網流程加入網絡。

2.4 試驗驗證

基于MWSN，工作頻段選擇779～787 MHz，對自適應用頻機制進行了室內試驗和裝車野外拉距試驗。裝車野外拉距試驗又選取了城市街區、鄉村和開闊地域三種典型應用環境。試驗方案如圖4所示，模擬干擾源1工作在MWSN當前工作頻點，對MWSN直接實施干擾，而模擬干擾源2則工作在其他7個備用頻點之一，作為備用信道的底噪，分別模擬以下場景進行試驗驗證：

（1）工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信號RSSI值小于-75 dBm。

（2）工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信號RSSI值不小于-75 dBm：

①信息發送成功率不小于70%；（通過調整底噪、工作信號RSSI值實現）

②信息發送成功率在50%～70%；（通過調整底噪、工作信號RSSI值實現）

③信息發送成功率小于50%。（通過調整底噪、工作信號RSSI值實現）

（3）工作信道底噪大于-82 dBm，且連續6個RSSI采樣周期獲得的底噪均大于-82 dBm。

（4）10分鐘內變頻次數已達到3次。

通過試驗驗證，設計達到預期設計效果。

圖4 自適應變頻機制試驗方案

3 結 語

通過以上設計和驗證可以看到，自適應變頻機制可以根據電磁環境，自動變更MWSN的工作頻點以規避干擾，使得MWSN具有一定的抗干擾能力，提升了MWSN對特種車隊執行任務的保障能力。但是，這種單純通過變頻來規避干擾的方法的抗干擾能力還不夠強，極端情況下一旦預設的所有頻點均受到干擾，將導致MWSN的通信能力嚴重下降甚至網絡癱瘓。因此，要使MWSN具有更強的抗干擾能力，需要進一步探索效果更好的、適合MWSN應用的抗干擾機制或者多種抗干擾機制組合應用。

[1] 朱曉乾,蔣丹婷,楊馳穎.社交網絡安全風險分析及探討[J].通信技術,2015,48(02):219-222. ZHU Xiao-qian,JIANG Dan-ting,YANG Chi-ying.Analysis and Exploration of Social-Network Security Risks[J].Communications Technology,2015, 48(02):219-222.

[2] GB/T 15629.15-2010信息技術 系統間遠程通信和信息交換 局域網和城域網 特定要求 第15部分：低速無線個域網（WPAN）媒體訪問控制和物理層規范[S].2010:17-18. GB/T 15629.15-2010 Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks-Specific Requirements-Part 15:Wireless Medium Access Control and Physical Layer(PHY) Specification for Low Rate Wireless Personal Area Network[S].2010:17-18.

[3] 王丹.基于RSSI的無線傳感器網絡定位方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2011. WANG Dan.Research on the Localization Method Based on RSSI for Wireless Sensor Networks[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2011.

[4] 張延華,段占云,沈蘭蓀等.Okumura-Hata傳播預測模型的可視化仿真研究[J].電波科學學報,2001,16(01):89-92. ZHANG Yan-hua,DUAN Zhan-yun,SHEN Lan-sun, et al.Okumura-Hata Radio Propagation Models Using Visual Simulation[J].Chinese Journal of Radio Science,2001,16(01):89-92.

陳始茂（1974—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為移動通信技術；

吳超宇（1978—），男，學士，工程師，主要研究方向為移動通信技術。

Anti-interference Mechanism based on Self-adaptive Frequency Change in Mobile Wireless Sensor Network

CHEN Shi-mao, WU Chao-yu

（No.7 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Guangzhou Guangdong 510310,China）

In accordance with the application requirements of mobile wireless sensor network for special motorcade, an anti-interference mechanism based on self-adaptive frequency change is designed to improve the anti-interference ability of mobile wireless sensor network. The mobile wireless sensor network has eight working frequency points. According to the network planning，the mobile wireless sensor network works at one of the frequency points，and the other frequency points serve as the backup options. When suffering severe electromagnetic interference，the mobile wireless sensor network starts a program to scan channel noise of spare frequency points，and choose the frequency point with minimum channel noise, and then changes its working frequency point to the frequency point with minimum channel noise, thus to avoid the electromagnetic interference.Experiments indicates that the design can satisfy the anti-interference requirements of the mobile wireless sensor network.

special motorcade; mobile wireless sensor network; anti-interference; self-adaptive frequency change

TP212.9

A

1002-0802(2016)-07-0950-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.028

2016-03-18;

2016-06-20 Received date:2016-03-18;Revised date:2016-06-20