IEEE 802.15.4協議無線傳感器網絡干擾測試?

何 平

（襄陽職業技術學院 襄陽 441050）

IEEE 802.15.4協議無線傳感器網絡干擾測試?

何 平

（襄陽職業技術學院 襄陽 441050）

在IEEE 802.15.4協議與WLAN局域網系統共存情況下，對IEEE 802.15.4協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，根據課題目的設計節點間的無線通信程序，解決了針對研究IEEE 802.15.4通信協議抗干擾性能研究需要解決的關鍵技術問題：DMA控制器的數據傳輸方式、接收節點從寄存器讀取RSSI值、發送節點發送功率循環改變、發送節點及接收節點的信道循環改變并同步。根據CC2430提供的信道質量參數對不同條件下的IEEE 802.15.4抗干擾性能進行實驗測試并對實驗結果進行數據分析，綜合測量數據，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。

無線傳感器網絡；IEEE 802.15.4協議；無線局域網干擾；丟包率；RSSI

1 引言

無線傳感器網絡是當前信息技術領域研究與應用的熱點之一，經過多年的發展，無線傳感器網絡已經快速進入實用階段［1］。IEEE 802.15.4通信協議是專門針對無線傳感器網絡設計的通信協議，是無線傳感器網絡通信協議中物理層與MAC層的具體實現［2］。實際應用環境中，存在各種干擾因素，導致無線傳感器網絡拓撲頻繁變化和部分節點孤立，影響無線傳感器網絡數據傳輸的可靠性，也會因通信量增加而大量消耗能量，縮短無線傳感器網絡生存時間［3］。基于IEEE 802.11b通信協議的無線局域網是重要的干擾源之一，它與無線傳感器網絡不可避免地會近距離共存。因此，研究IEEE 802.15.4通信協議抗干擾性能具有重要現實意義。

2 干擾研究衡量指標

以丟包率為通信質量的衡量指標，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據包數量占所發送數據包的比率。丟包率按下式計算［4］：

根據WLAN的頻段占用情況，首先研究頻段重疊時IEEE802.15.4通信質量的變化情況。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數據發送節點發送功率強度的變化對通信質量的影響。另外，RSSI值是判定鏈路質量的一個重要指標，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；干擾環境不變時，IEEE 802.15.4發送功率對丟包率的影響；射頻層丟包率與RSSI的相關性。

3 關鍵技術的實現

無線傳感器網絡干擾測試系統采用TI的CC2430射頻芯片。CC2430是用來實現嵌入式Zig-Bee應用的片上系統，支持2.4GHz IEEE 802.15.4協議。芯片集成了RF收發器、增強工業標準的8051 MCU、大容量的閃存和SRAM等高性能模塊。對CC2430射頻芯片的開發在IAR開發環境下進行［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。進入工作狀態之后，若用戶設定好的DMA觸發事件發生，則DMA傳送開始。

發送節點的數據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）；

｝

上述程序段實現了將數據包長度、地址以及標志位寫入到TXFIFO的功能，并且調用DMA控制器開始數據傳送。

3.2 接收信號強度指示器（RSSI）

RSSI的值是判定鏈路質量的一個重要指標，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是一個系統開發期間得到的來自前端增益的經驗值。其近似值為-45。

CC2430通過硬件校驗CRC，將RSSI的值附加到數據幀之中。接收節點發送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［8］。三種CCA模式都是通過設置MDMCTRL0L.CCA_MODE來完成。CCA的程序實現如下：

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，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）

實現了發送節點和接收節點的信道切換。其中，接收節點的信道切換是通過按鍵中斷的方式實現的。程序實現如下：

#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境以及在該環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，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通信節點之間的距離為1m。WLAN干擾源與通信節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左右的穩定速率進行大文件傳輸，構成相對穩定的WLAN干擾源，作為可監控的特定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：無可監控的固定WLAN干擾信號。

實驗2：設定可控特定的無線局域網干擾。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，測量干擾環境不變的情況下，IEEE 802.15.4發送功率對丟包率的影響。設置IEEE 802.15.4節點發送功率依次為-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通信節點受WLAN的影響情況。

4.3 WLAN信道變化對節點丟包率的影響

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

圖2 無可監控的固定干擾信號時的丟包率

實驗1：無可監控的固定WLAN干擾信號。根據式（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，當無可監控的固定干擾信號時，通信節點沒有出現明顯的丟包現象，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%。可知周圍環境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信道的數據傳輸，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量。

4.4 IEEE 802.15.4節點發送功率變化

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

圖4 丟包率與數據包RSSI的關系

圖4 顯示，當節點發送功率為-25dBm，即數據包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。當節點發送功率逐漸增大，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的實驗結果分析表明，當WLAN干擾強度基本不變時，隨著無線通信節點射頻發送功率的增大，丟包率逐漸減小。因此，在應用到實際工作中時，可以通過提高節點發送功率來減小丟包率。但是，在節點能源不能及時補充的情況下，提高節點發送功率要以縮短節點的生存周期為代價。在實際應用中，可采用功率動態調整的方式達到能耗與通信質量的平衡。

4.5 影響射頻層丟包率大小的因素與環境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信道時環境RSSI平均值。為方便對比，記錄丟包率以及環境RSSI平均值如圖5所示。其中，環境RSSI值是數據包傳送間隙內獲取計算的，此時無數據包到達，可認為是環境噪聲的強度。圖5中，橫坐標表示IEEE 802.15.4信道，主縱坐標軸表示丟包率，次縱坐標軸表示環境RSSI平均值。

圖5 存在可控干擾信號時的環境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信道的環境RS-SI平均值在-80dBm～-70dBm之間，明顯大于其它信道的環境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信道的環境RSSI平均值在-90dBm～-75dBm之間，明顯大于此時其它信道的環境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的實驗數據表明，當存在特定信道的WLAN干擾源時，與其頻段重疊的IEEE 802.15.4信道的環境RSSI明顯增大。環境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調整工作信道，以避開受干擾比較嚴重的信道，保證無線傳感器網絡的鏈路質量。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進行實時監控，將其作為判斷鏈路質量的一項動態指標，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，最大丟包率出現在13信道，為33%，最小丟包率出現在26信道，為5.7%，且丟包率的大小變化也是無確定規律的。由此可見，此時，IEEE 802.15.4信道的丟包率呈現出隨機性現象。

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，與實驗用的通信節點的距離遠近不一，因此WLAN干擾源強度不定，對通信節點各個信道的影響也呈現出一定的隨機性。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通信節點數據包傳輸的可靠性與穩定性。

5 結語

本文得到三個重要結論：每個WLAN信道會嚴重影響與之頻段重疊的四個IEEE 802.15.4信道的數據傳輸，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無線通信節點射頻發送功率的增大，IEEE 802.15.4通信質量受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信道的環境RSSI明顯增大。環境RSSI值與信道丟包率為正相關關系。

［1］Kannan Srinivasan，Prabal Dutta，Arsalan Tavakoli，et al.An empirical study of low-power wireless［J］.ACM Transaction on Sensor Networks，2010，6（2）：1-48.

［2］Ompra Gnawali，Rogriao Fonseca，Kyle Jamieson，et al.Collection Tree Protocol［C］//In：Proc.of 7th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems（Sen-Sys），2009：1-14.

［3］Jan-Hinrich Hauer，Vlado Handziski and Adam Wolisz.Experimental Study of the Impact ofWLAN Interference on IEEE 802.15.4 Body Area Networks［J］.Lecture Notes in Computer Science，2009：17-32.

［4］Axel Sikora，Voicu F.Groza.Coexistence of IEEE 802.15.4 with other Systems in the 2.4GHz-ISM-Band［J］.IMTC 2005-Instrumentation and Measurement Technology Conference，Ottawa，Canada，2005：1786-1791.

［5］Wang C，Ma J.Availability analysis and compassion of different intrusion-tolerant systems［J］.Lecture Notes in Computer Science.2004，3309：161-166.

［6］Zhang J M，Gu L F Wang LM.Reliable transmission method with energy-awareness for wireless sensor networks［J］.International Journal of Computer Network&Information Security，2006（5）：1-5-110.

［7］Karpinski M，Senart A，Cahill V.Sensor Networks for Smart Roads［C］//In Proceeding of the 2nd IEEE International Workshop on Sensor Networks and Systems for Pervasive Computer（PerSeNA），2006：158-167.

［8］R?zvan Mus?loiu-E，Andreas Terzis.Minimising the effect ofWiFi interference in 802.15.4 wireless sensor networks［J］.International Journal of Sensor Networks.2008，3（1）：43-54.

［9］Karayannis G.Standards-based wireless networking alternatives，”Intelligent Systems［J］.Statistics&Risk Modeling，2003，31（4）：2.

［10］Karayannis G.Standards-Based Wireless Networking Alternatives［J］.Sensors，2003，20：26-30.

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：計算機網絡、物聯網，數據庫。