基于發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)的無線通信網(wǎng)抗擾研究

陳　煥,汪正祥,傅忠云

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093;2.上海工業(yè)自動化儀表研究院,上?！?00233;3.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院,江蘇 南京　211156)

基于發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)的無線通信網(wǎng)抗擾研究

陳煥1,2,汪正祥1,傅忠云3

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093;2.上海工業(yè)自動化儀表研究院,上海200233;3.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院,江蘇 南京211156)

摘要為解決智能樓宇中ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)之間的干擾問題,通過采用TI公司的CC2530芯片,設(shè)計(jì)了一種發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。文中主要采用試驗(yàn)的方法對不同環(huán)境下的ZigBee節(jié)點(diǎn)之間通信的可靠性進(jìn)行測試,得出通信距離、誤包率和接收信號強(qiáng)度指示RSSI之間的關(guān)系。利用RSSI作為通信評價(jià)因子,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的變化,自適應(yīng)地改變ZigBee通信節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,只需RSSI值>-51 dBm,便可保證干擾環(huán)境下的誤包率接近為0。

關(guān)鍵詞ZigBee網(wǎng)絡(luò);WiFi網(wǎng)絡(luò);發(fā)射功率;RSSI

Anti-interference of Wireless Communication Networks Basedon Adaptive Adjustment of Transmitting Power

CHEN Huan1,2,WANG Zhengxiang1,FU Zhongyun3

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai 200093,China;2.SIPAI,Shanghai 200233,China;3.Jincheng College,Nanjing University of

Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211156,China)

AbstractA wireless data transmission module using CC2530 from Texas Instruments is introduced for wireless communication network nodes based on adaptive adjustment of transmitting power to solve the interference between ZigBee network and WiFi network in the intelligent building.In this paper,the reliability testing based on testing methods is applied in ZigBee nodes in the different environments.The relationship of the communication distance,packet loss rate and RSSI (received signal strength indication) are analyzed.RSSI is used to evaluate the reliability of communication according to the practical application of changes in the environment.ZigBee nodes based on RSSI can adaptively change the transmitting power.The test shows that a RSSI greater than -51 dBm suffices to offer a packet error rate of nearly zero.

KeywordsZigBee network;WiFi network;transmitting power;RSSI

隨著基于IEEE 802.15.4 的ZigBee技術(shù)的廣泛應(yīng)用[1],將ZigBee技術(shù)用于智能樓宇是一項(xiàng)新的技術(shù)典范。但由于ZigBee技術(shù)工作頻段在免執(zhí)照頻段,其頻段還有其他無線技術(shù)使用,干擾問題隨之而來。

另一方面,WiFi技術(shù)已成為日常生活中不可或缺的一部分。由ZigBee通信節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的智能樓宇網(wǎng)絡(luò)中,WiFi的調(diào)度成為了一個(gè)問題。潛在的原因是由于ZigBee與WiFi使用相同的ISM頻段,同時(shí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率和帶寬均比WiFi網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率和帶寬要小[2]。除了WiFi技術(shù),還有其他的無線技術(shù)也工作在ISM頻段。由于WiFi高的發(fā)射功率、數(shù)據(jù)傳輸率和帶寬,WiFi成為了對其它系統(tǒng)干擾的主要來源[3-4]。

如今國內(nèi)外已有學(xué)者對ZigBee與2.4 GHz無線技術(shù)之間的干擾共存問題進(jìn)行相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5]中建立了一個(gè)隨機(jī)分析模型,研究IEEE 802.11b在IEEE 802.15.4的干擾環(huán)境下的性能評價(jià),可以得出IEEE 802.15.4的存在對802.11b的影響微小,除非802.11b的基站周圍有大量的IEEE 802.15.4設(shè)備,且IEEE 802.15.4的通信量很大。文獻(xiàn)[6]中提出了一種ZigBee框架控制協(xié)議(WISE)。WISE是基于隱式馬爾科夫模型提出的,可追蹤WiFi在網(wǎng)絡(luò)中的空閑信道。WISE對窗口的大小敏感,當(dāng)滑動窗口的大小比最佳經(jīng)驗(yàn)值大時(shí),WISE無法較好地跟蹤空閑信道的分布。同時(shí)當(dāng)WiFi頻譜利用率很高時(shí),無法保證系統(tǒng)的抗干擾性。文獻(xiàn)[7]提出了一種合作忙音機(jī)制,ZigBee與WiFi之間可以相互交換信息,兩者之間的干擾。但這種通信無法保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。同時(shí),對現(xiàn)有的MAC層改動較大,復(fù)雜度增加,通信質(zhì)量也有所下降。

針對以上問題,本文提出了以試驗(yàn)為切入點(diǎn),假設(shè)WiFi設(shè)備能夠正常通信。通過改變ZigBee設(shè)備之間的距離,對ZigBee通信設(shè)備的丟包率和RSSI的關(guān)系,發(fā)射功率與距離之間的關(guān)系進(jìn)行研究,利用RSSI值對整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量進(jìn)行評估。

1測試方法

整個(gè)測試過程的設(shè)計(jì)是圍繞干擾者和被干擾者建立的。在這種情況下,被干擾者形成了整個(gè)系統(tǒng)的主網(wǎng)絡(luò),干擾者形成了整個(gè)系統(tǒng)的干擾網(wǎng)絡(luò)。測試環(huán)境在開闊場,所以在主網(wǎng)絡(luò)中收發(fā)設(shè)備之間不存在其他的障礙和金屬反射。在此文中將WiFi無線路由器視為主要的干擾源。所有干擾測試均是在相對較穩(wěn)定的環(huán)境中進(jìn)行,在測試之前可先用RF頻譜分析儀檢測出整個(gè)測試區(qū)域的射頻環(huán)境,必須保證帶內(nèi)2.4 GHz射頻干擾水平在測試環(huán)境中<95 dBm[8-11]。

1.1　測試設(shè)備

表1　測試中使用的設(shè)備

(1)ZigBee作為被干擾者。兩個(gè)收發(fā)設(shè)備的測試過程配置如下:A.沒有信道跳頻;B.發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率是可改變的;C.發(fā)射節(jié)點(diǎn)只通過單一路徑傳送給接收節(jié)點(diǎn);D.每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)為10 000個(gè)。

(2)WiFi作為干擾者。WiFi路由的測試過程配置如下:1)設(shè)置發(fā)送模式;2)最大發(fā)射功率;3)40 MHz帶寬,采用802.11n協(xié)議;4)外置5 dBi固定全向雙天線。

1.2　測試方法

如圖1所示,主網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)收發(fā)設(shè)備之間的距離為X,干擾源發(fā)送設(shè)備之間距離為Y。這里X為變化值,Y為固定值為1 m。

圖1　測試拓?fù)鋱D

在干擾源和無干擾源兩種情況下,分別在10 m以內(nèi),X設(shè)置為1 m,2 m,…,10 m進(jìn)行測試。在每個(gè)距離測試時(shí),主網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率設(shè)置不同等級,采取10次測量取平均值法獲取誤包率和接收信號強(qiáng)度值。測試過程中,節(jié)點(diǎn)之間以及周圍不存在遮擋物,節(jié)點(diǎn)距離地面均為1 m。

1.3　測試結(jié)果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)誤包率(Packet Error Rate,PER)。從終端節(jié)點(diǎn)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)幀,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)幀為M個(gè),則誤包率計(jì)算表達(dá)式為

(2)接受信號強(qiáng)度指示(RSSI)。接受信號強(qiáng)度指示RSSI顯示了接受的發(fā)射信號強(qiáng)度是能量,而不是質(zhì)量。RSSI是判斷兩個(gè)節(jié)點(diǎn)距離比較好的參數(shù),可通過讀取CC2530芯片的寄存器RSSI_VAL得到。

2發(fā)射功率自適應(yīng)控制理論

無線通信中信號的發(fā)射功率Pt、接受功率Pr和距離d的關(guān)系式可由式(1)表示[9-10]

(1)

其中,n為信道衰落系數(shù),由環(huán)境因素決定。

將式(1)兩邊取對數(shù)乘以10,單位換算成,得到式(2)

Pt-Pr=10×nlgd

(2)

(3)

終端節(jié)點(diǎn)接受功率由ZigBee協(xié)議棧MAC層給出,設(shè)終端節(jié)點(diǎn)接受功率為RSSI,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接受功率為RSSI′,代入式(3)可得

(4)

(5)

式(5)為存在干擾時(shí),發(fā)射功率和RSSI之間的關(guān)系,其中k為修正系數(shù),是通過試驗(yàn)測得出的一個(gè)區(qū)間值。修正系數(shù)則根據(jù)實(shí)際丟包率與期望丟包率之間的差值來調(diào)整修正系數(shù)k。

3測試結(jié)果分析

在干擾源和無干擾源環(huán)境下測試時(shí),除了保證測試環(huán)境不同之外,其他測試條件必須相同。試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　無干擾時(shí)不同發(fā)射功率和距離對誤包率的影響

圖3　存在干擾時(shí)不同發(fā)射功率和距離對誤包率的影響

如圖2的圖3所示,(1)當(dāng)發(fā)射功率和距離一定時(shí),干擾的存在對誤包率的影響較大。例如終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為-6 dBm,終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的距離分別為4 m,5 m,6 m時(shí),存在干擾時(shí)誤包率分別 03.21,08.79,11.81,不存在干擾時(shí),誤包率均為00.00%;(2)當(dāng)距離一定時(shí),發(fā)射功率越大誤包率越低,節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸可靠性越高。說明對于干擾變化的情況,增大發(fā)射功率可減少誤包率;(3)當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的距離為4 m,5 m,6 m時(shí),干擾網(wǎng)絡(luò)對主網(wǎng)絡(luò)的干擾較強(qiáng),誤包率較大。

如圖4和圖5所示,(1)隨著節(jié)點(diǎn)值得增大,誤包率的變化具有一定的趨勢性,會隨著RSSI的增大而減小;(2)當(dāng)RSSI>-51 dBm時(shí),誤包率接近于00.00%。

圖4　無干擾時(shí)不同發(fā)射功率和RSSI對誤包率的影響

圖5　存在干擾時(shí)不同發(fā)射功率和RSSI對誤包率的影響

根據(jù)誤包率試驗(yàn)可知,為使主網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間通信可靠,可以將節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率設(shè)置較高水平,但過高的發(fā)射功率也會對干擾網(wǎng)絡(luò)中的WiFi設(shè)備造成干擾。因此,在保證主網(wǎng)絡(luò)通信可靠的前提下,即誤包率接近0的情況下,設(shè)計(jì)出基于RSSI節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)機(jī)制的算法,通過改變發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)抗干擾。結(jié)果如表2所示。

表2　節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)在干擾環(huán)境下可靠性測試結(jié)果

從表2數(shù)據(jù)可看出,基于RSSI的節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)算法,在干擾環(huán)境變化情況下為節(jié)點(diǎn)設(shè)置合適的發(fā)射功率。當(dāng)干擾源信號較弱時(shí),設(shè)置節(jié)點(diǎn)較低的發(fā)射功率,當(dāng)干擾源信號信號較強(qiáng)時(shí),節(jié)點(diǎn)設(shè)置較高的發(fā)射功率。本次試驗(yàn)中,通過自適應(yīng)設(shè)置發(fā)射功率的節(jié)點(diǎn),誤包率大部分接近于零。

通過以上數(shù)據(jù)分析表明自適應(yīng)改變發(fā)射功率的節(jié)點(diǎn)有以下特性:(1)提高節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率,盡可能使誤包率接近零,以保證通信可靠性;(2)在誤包率接近零的前提下,為節(jié)點(diǎn)設(shè)置較小的發(fā)射功率可對其他網(wǎng)絡(luò)減小干擾。

實(shí)際上,在測試過程中,還會存在距離和遮擋對通信質(zhì)量的影響,而本文通過在存在干擾和不存在干擾兩種情況下進(jìn)行測試,保證除了干擾外,其他測試條件相同,而無論距離和遮擋如何,其對通信質(zhì)量的影響最終是反映到誤包率和RSSI上,而節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)控制是根據(jù)誤包率和RSSI來調(diào)整發(fā)射功率,該節(jié)點(diǎn)始終能將誤包率維持在較低水平。

4結(jié)束語

本文主要研究了ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的主網(wǎng)絡(luò)對WiFi組成的干擾網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)抗干擾問題。在干擾是否存在情況下,分別測出了接受節(jié)點(diǎn)的RSSI值和誤包率,研究了兩者之間的關(guān)系。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)的RSSI值>-51 dBm時(shí),便可保證誤包率接近于00.00%。在干擾存在的情況下,尤其在終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的距離分別在4 m,5 m,6 m時(shí),干擾網(wǎng)絡(luò)對主網(wǎng)絡(luò)的影響較大。

根據(jù)誤包率試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)出主網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)可自適應(yīng)改變發(fā)射功率,盡可能地使誤包率接近于00.00%。不僅保證主網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間可靠通信,穩(wěn)定傳輸,也可減小對其他網(wǎng)絡(luò)的影響。

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作者簡介:陳煥(1989—),男,碩士研究生。研究方向:現(xiàn)場總線智能化儀表及無線通信網(wǎng)絡(luò)。汪正祥(1962—),男,碩士,講師。研究方向:自動化儀表與裝置。傅忠云(1980—),女,碩士,講師。研究方向:自動化相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于開發(fā)。

收稿日期:2015- 05- 12

中圖分類號TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)01-071-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.019