吳迪 施偉斌 王宇波

摘 要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）作為家庭智能化應(yīng)用的重要技術(shù)，由于與其它無(wú)線技術(shù)共用相同頻段，導(dǎo)致其結(jié)果產(chǎn)生交叉干擾，通信可靠性降低。通過(guò)對(duì)處于WiFi環(huán)境中WSN設(shè)備的通信可靠性進(jìn)行研究，對(duì)自適應(yīng)信道切換（ARCH）協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，與匯聚路由樹協(xié)議（CTP）協(xié)調(diào)使用，重新設(shè)計(jì)了無(wú)控制信道的自適應(yīng)信道切換 （non-Ctrl CAH） 協(xié)議。該協(xié)議基于實(shí)時(shí)檢測(cè)的鏈路質(zhì)量，以自適應(yīng)方式切換到其它信道進(jìn)行通信，以緩解WiFi干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在干擾環(huán)境中，與固定信道協(xié)議相比，non-Ctrl CAH協(xié)議的包接收率達(dá)到95%以上，而且在干擾情況下non-Ctrl CAH協(xié)議的功耗僅為控制信道自適應(yīng)信道切換（Ctrl CAH）協(xié)議和固定信道協(xié)議的1/2。non-Ctrl CAH協(xié)議能以最低功耗獲得較高的包接收率，并且能夠有效緩解家庭環(huán)境中的WiFi干擾。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);信道切換;WiFi干擾;智能家居

DOI：10. 11907/rjdk. 192583 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）008-0207-05

Abstract： As an important technology of home intelligent application， WSN shares the same frequency band with other wireless technologies， resulting in cross interference and reduced communication reliability. By studying the communication reliability of WSN devices in WiFi environment， the adaptive channel frequency hopping protocol is improved， and it is easy to coordinate with the aggregation routing tree protocol. The protocol is based on the link quality detected in real time and switches to other channels for communication in an adaptive manner to mitigate WiFi interference. The experimental results show that the packet reception rate of the non-Ctrl CAH protocol is over 95%. Compared with the fixed channel protocol，in terms of low power consumption， the power consumption of the non-Ctrl CAH protocol is 1/2 of the control channel adaptive hopping （Ctrl CAH） protocol and the fixed channel protocol. The non-Ctrl CAH protocol achieves a higher packet reception rate with the lowest power consumption and effectively mitigates WiFi interference in the home environment.

Key Words： WSN;channel hopping;WiFi interference;smart home

0 引言

近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，得到了迅速發(fā)展。該技術(shù)具有低功耗、輕量級(jí)、自組織等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。同時(shí)，無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展使得無(wú)線設(shè)備數(shù)量也快速增加。采用不同無(wú)線技術(shù)的設(shè)備被迫使用相同的未許可頻段，如IEEE 802.11（WiFi）、IEEE 802.15.1（藍(lán)牙）和IEEE 802.15.4（ZigBee）等都共享相同的2.4GHz ISM頻帶[2]。多種設(shè)備共存會(huì)造成交叉技術(shù)干擾（CTI），導(dǎo)致信息的可靠性以及無(wú)線頻譜使用效率降低。尤其在住宅環(huán)境中，交叉技術(shù)干擾造成的影響更為顯著。例如，家庭環(huán)境中使用WSN技術(shù)智能設(shè)備對(duì)家用電器進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量與控制，而當(dāng)環(huán)境中WiFi與WSN共存時(shí)，WSN則易受交叉技術(shù)干擾影響，通信可靠性降低[3-6]。

目前研究者們?cè)O(shè)計(jì)了多種抗干擾算法，如Liang等[7]在數(shù)據(jù)比特層面上對(duì)WSN與WiFi之間的干擾情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)WSN與WiFi之間距離不同，數(shù)據(jù)包受損部位也不相同。當(dāng)距離較近時(shí)，包頭是WSN數(shù)據(jù)包的主要損壞部分，而當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，WiFi干擾可能造成WSN數(shù)據(jù)包任何部位損壞，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，因此可采用包頭和負(fù)載冗余的方式緩解WiFi干擾。該算法能在一定程度上緩解WiFi干擾，但也增加了傳輸數(shù)據(jù)量;張招亮等[8]提出一種EasiCAP算法對(duì)WiFi的干擾建模，度量環(huán)境中的WiFi干擾，以較小開銷為代價(jià)換取較高的通信可靠性。該算法適用于多個(gè)靜態(tài)傳感網(wǎng)絡(luò)共同部署的環(huán)境，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部干擾與外部干擾進(jìn)行建模，但增加了算法復(fù)雜度;杜鵬等[9]提出黑名單機(jī)制，該機(jī)制基于信道干擾情況，將干擾嚴(yán)重的信道排除在待選信道范圍外，從而提升通信可靠性;Sha等[10]提出基于多信道機(jī)制的自適應(yīng)信道跳頻（Adaptive and Robust Channel Hopping，ARCH）協(xié)議，該協(xié)議作為一種輕量程的信道跳頻協(xié)議，可根據(jù)信道干擾程度適時(shí)作出跳頻決定以緩解WiFi干擾，使通信可靠性得到顯著提高。

多信道機(jī)制是當(dāng)前主要的抗干擾方法之一，該方法可使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布在不同信道上進(jìn)行通信，優(yōu)點(diǎn)是能提升通信可靠性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等。當(dāng)某一信道受到嚴(yán)重干擾時(shí)，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)鏈路質(zhì)量，自適應(yīng)地跳頻到其它信道進(jìn)行通信，從而減少干擾的影響，提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。但在多信道通信過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布在不同信道上，增加了節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)的復(fù)雜度，因此需要充分考慮時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)、丟失節(jié)點(diǎn)、信道分配等問(wèn)題[11]。

在多信道通信過(guò)程中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間協(xié)商傳輸信道方式的不同分為：有控制信道和無(wú)控制信道方式。在有控制信道抗干擾協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)在控制信道上進(jìn)行協(xié)商，確定數(shù)據(jù)傳輸信道后，發(fā)送者和接收者同時(shí)切換到該信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸完成后返回控制信道[12]。控制信道的使用有利于控制信息交換，但網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點(diǎn)都會(huì)在控制信道上進(jìn)行控制信息交換，也加劇了節(jié)點(diǎn)間在控制信道上的競(jìng)爭(zhēng)。同時(shí)，若控制信道受到干擾，將影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞;在無(wú)控制信道抗干擾協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)可在任意信道上協(xié)商數(shù)據(jù)傳輸信道，節(jié)點(diǎn)分布在多個(gè)信道上進(jìn)行協(xié)商，減少了通信競(jìng)爭(zhēng)。若單一信道受到干擾，也不會(huì)影響其余節(jié)點(diǎn)信息的傳輸。但當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于不同信道時(shí)，節(jié)點(diǎn)間存在的協(xié)調(diào)、時(shí)間同步等問(wèn)題會(huì)增加協(xié)議實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度[13-15]?；谝陨蠁?wèn)題，本文提出無(wú)控制信道的自適應(yīng)信道切換 （non-Control Channel Adaptive Hopping Protocol， non-Ctrl CAH） 協(xié)議，該協(xié)議在自適應(yīng)信道跳頻（ARCH）協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使其可以與CTP協(xié)議進(jìn)行協(xié)調(diào)使用。

1 協(xié)議設(shè)計(jì)

本文提出無(wú)控制信道的自適應(yīng)信道切換（non-Ctrl CAH）協(xié)議，該協(xié)議作為一種自適應(yīng)協(xié)議，基于接收者實(shí)時(shí)檢測(cè)的鏈路質(zhì)量決定是否進(jìn)行信道切換。采用以滑動(dòng)窗口方式統(tǒng)計(jì)的ETX（Estimated Transmission Count）作為衡量鏈路質(zhì)量的指標(biāo)[16]。發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，切換到接收者駐留的信道發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者接收數(shù)據(jù)包并對(duì)鏈路質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)ETX超過(guò)規(guī)定閾值時(shí)，接收者將從黑名單以外的信道中選擇新信道，并通知所有鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道切換。下面分別從鏈路質(zhì)量估計(jì)、信道選擇、信道協(xié)調(diào)以及信道失調(diào)機(jī)制處理等方面對(duì)協(xié)議進(jìn)行概述。

1.1 鏈路質(zhì)量估計(jì)

鏈路質(zhì)量估計(jì)是non-Ctrl CAH協(xié)議設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)接收率作為鏈路質(zhì)量評(píng)估的依據(jù)，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)信道干擾。鏈路質(zhì)量的度量標(biāo)準(zhǔn)是ETX值，表示成功接收數(shù)據(jù)包所需的重傳輸次數(shù)。ETX值計(jì)算基于包序列號(hào)，可減少因主動(dòng)探測(cè)信道質(zhì)量造成的額外開銷。本協(xié)議ETX值采用移動(dòng)平均方式進(jìn)行計(jì)算，若ETX值超過(guò)某個(gè)閾值，則預(yù)測(cè)當(dāng)前信道不可靠。

1.2 信道選擇

當(dāng)前信道在受到干擾時(shí)，鏈路質(zhì)量下降，節(jié)點(diǎn)需要更換到下一信道進(jìn)行通信。為避免使用干擾嚴(yán)重的信道，下一信道的選擇顯得尤為重要。為了證明當(dāng)某一信道受到干擾時(shí)，相鄰信道是否受到影響，在2.1節(jié)中將對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，相鄰信道之間的干擾相關(guān)。因此，切換到相鄰信道進(jìn)行通信是不可行的，應(yīng)避免選擇在空間上與當(dāng)前干擾嚴(yán)重信道接近的信道。同樣，為避免產(chǎn)生較大開銷，也不會(huì)采用監(jiān)控所有信道的方法選擇一個(gè)干擾較小的信道。本協(xié)議采用帶偏移的信道切換序列與黑名單機(jī)制相結(jié)合的方式，同時(shí)為保證失調(diào)節(jié)點(diǎn)更容易重新同步，選取26信道作為協(xié)調(diào)信道。當(dāng)接收者鏈路質(zhì)量下降時(shí)，將當(dāng)前信道放入黑名單，然后進(jìn)行下一信道選擇，公式如下：

式（6）中，[next_channel≠26]。協(xié)議根據(jù)當(dāng)前信道與信道偏移量選擇下一信道，對(duì)相鄰信道干擾結(jié)果的分析表明，信道偏移量，即[channeloffset]為3時(shí)，可以有效避免干擾。然后將選擇的信道與黑名單中的信道進(jìn)行比較，若黑名單存在該信道，則重新選擇信道;若不存在，則使用該信道作為下一選擇信道。若黑名單中的信道數(shù)量大于最大可容納數(shù)量時(shí)，則清空黑名單，以保證有充足信道可供使用。

1.3 信道協(xié)調(diào)

non-Ctrl CAH協(xié)議是對(duì)ARCH協(xié)議的改進(jìn)，使其能與CTP協(xié)議協(xié)調(diào)使用。CTP協(xié)議作為一種單信道協(xié)議，其在無(wú)干擾條件下，使用單一信道具有良好的傳輸性能。但在強(qiáng)干擾環(huán)境下，CTP的傳輸性能嚴(yán)重下降。non-Ctrl CAH協(xié)議結(jié)合了ARCH協(xié)議抗干擾的優(yōu)點(diǎn)與CTP良好的傳輸性能。將兩種協(xié)議優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的關(guān)鍵就是發(fā)送者與接收者之間信道的協(xié)調(diào)，不同的信道協(xié)調(diào)算法導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量存在較大差異。信道切換算法主要分為兩類：一種是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道切換，另一種是網(wǎng)絡(luò)中部分受干擾的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道切換。由于同一網(wǎng)絡(luò)中同一信道不同節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量存在較大差異，采用整體信道切換的方式可能會(huì)使某些質(zhì)量較好的鏈路進(jìn)行信道切換而產(chǎn)生額外開銷。non-Ctrl CAH協(xié)議采用部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跳頻的算法，該算法基于接收者的檢測(cè)鏈路質(zhì)量選擇下一信道。接收者檢測(cè)到接收鏈路上的信道狀況惡化時(shí)，會(huì)選擇下一信道，并通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)切換到該信道的發(fā)送數(shù)據(jù)包。該協(xié)議接收方、發(fā)送方處理流程如圖1、圖2所示。

當(dāng)接收者檢測(cè)到鏈路質(zhì)量惡化，即ETX值超過(guò)閾值時(shí)，選擇新的信道，并將新信道信息嵌入到ACK數(shù)據(jù)包中，通知發(fā)送者下一次發(fā)送數(shù)據(jù)包的信道。發(fā)送者接收到ACK數(shù)據(jù)包后，將信道信息保存在鄰居表中。發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)包之前先遍歷鄰居表，切換到接收者信道發(fā)送數(shù)據(jù)，然后等待一段時(shí)間接收ACK，收到ACK以后跳回原信道。接收方通知鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道切換的方式是將下一信道信息嵌入到ACK包中，發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)。該策略的優(yōu)點(diǎn)是可以處理不同數(shù)量的子節(jié)點(diǎn)，缺點(diǎn)在于可能無(wú)法通知到所有節(jié)點(diǎn)，造成鄰居節(jié)點(diǎn)失調(diào)。

1.4 信道失調(diào)處理

節(jié)點(diǎn)鏈路質(zhì)量下降時(shí)，接收者通知發(fā)送者進(jìn)行信道切換的消息可能會(huì)丟失，造成發(fā)送者與接收者之間的信道失調(diào)，即：接收者與發(fā)送者不在同一信道進(jìn)行通信。協(xié)議分別從接收者和發(fā)送者兩方面處理信道失調(diào)問(wèn)題。發(fā)送方處理信道失調(diào)機(jī)制為：設(shè)N表示最大允許的重復(fù)傳輸次數(shù)，n表示發(fā)送方重發(fā)當(dāng)前數(shù)據(jù)包的次數(shù)。若n>N，發(fā)送節(jié)點(diǎn)切換到協(xié)調(diào)信道重新與接收者保持同步。接收方處理信道失調(diào)機(jī)制為：設(shè)T為連續(xù)接收數(shù)據(jù)包的最大時(shí)間間隔，t為接收方接收到同一子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的上一數(shù)據(jù)包后截止到目前的時(shí)間。若t>T，接收節(jié)點(diǎn)周期性地切換到協(xié)調(diào)信道，重新與發(fā)送者保持同步。N、T的選擇應(yīng)該滿足[Tt（N）]，其中[t（N）]為重發(fā)N個(gè)包的時(shí)間，目的是當(dāng)接收方切換到協(xié)調(diào)信道時(shí)，發(fā)送者已處于協(xié)調(diào)信道，更有利于發(fā)送者與接收者之間進(jìn)行同步。接收者協(xié)調(diào)信道等待時(shí)間滿足[T（wait）t（1）]，其中[T（wait）]表示接收者等待時(shí)間，[t（1）]表示發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間。當(dāng)接收者在協(xié)調(diào)信道的時(shí)間超出等待時(shí)間后返回原信道，進(jìn)行周期性重復(fù)并統(tǒng)計(jì)重復(fù)協(xié)調(diào)次數(shù)，直到找到失調(diào)節(jié)點(diǎn)，或當(dāng)重復(fù)次數(shù)超過(guò)最大重復(fù)次數(shù)時(shí)，將該節(jié)點(diǎn)從鄰居表移除。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 相鄰信道干擾實(shí)驗(yàn)

以下對(duì)相鄰信道的干擾是否相關(guān)進(jìn)行探究。實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置如下：采用網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具iperf模擬WiFi干擾，將數(shù)據(jù)從PC機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸?shù)搅硪籔C機(jī)，采用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)平均傳輸速率為20M/s。WiFi的干擾信道是第4信道，中心頻率為2427MHz。WSN的實(shí)驗(yàn)設(shè)置是在12～19信道各設(shè)置一組節(jié)點(diǎn)（一個(gè)發(fā)送者、一個(gè)接收者）。數(shù)據(jù)包速率為1個(gè)/s，8組節(jié)點(diǎn)同時(shí)在8個(gè)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，節(jié)點(diǎn)及干擾源位置設(shè)置如圖3所示。

使用頻譜分析儀測(cè)量WiFi干擾如圖4所示，結(jié)果表明，WiFi頻率處于2.417-2.438GHz時(shí)，WiFi產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。如圖5所示，根據(jù)12～19信道各組節(jié)點(diǎn)的包接收率，由于14[～]17信道與WiFi頻率重疊，受到WiFi干擾后出現(xiàn)大量丟包的情況，也證明了相鄰信道之間的干擾相關(guān)。

2.2 多信道協(xié)議測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)估本文協(xié)議的抗干擾性能，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，將本協(xié)議與基于控制信道的自適應(yīng)信道切換協(xié)議以及固定信道協(xié)議分別在包接收率、時(shí)延、信道切換次數(shù)、功耗方面進(jìn)行比較。首先，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)3種協(xié)議性能進(jìn)行比較。在長(zhǎng)16m、寬10m的實(shí)驗(yàn)室中，均勻部署30個(gè)節(jié)點(diǎn)，在干擾源距離網(wǎng)關(guān)分別為15m、7.5m、0.5m的場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生干擾工具與2.1節(jié)相同。實(shí)驗(yàn)室節(jié)點(diǎn)放置方式如圖6所示（干擾源距網(wǎng)關(guān)15m）。

本文主要采用低速率的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)以20個(gè)/min的速率傳輸，并啟用數(shù)據(jù)包重傳機(jī)制。實(shí)驗(yàn)中的協(xié)議均是在CTP協(xié)議基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的，使CTP協(xié)議在強(qiáng)干擾環(huán)境中依然具有一定抗干擾性能。將固定信道、Ctrl CAH、non-Ctrl CAH 3種協(xié)議分別在相同環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)量各種情況下的包接收率、時(shí)延、信道切換次數(shù)以及功耗情況。如圖7所示，采用Ctrl CAH、non-Ctrl CAH協(xié)議后的抗干擾性明顯優(yōu)于固定信道，且包接收率達(dá)到之前的95%以上，是否采用控制信道對(duì)包接收率的影響并不明顯，但固定信道協(xié)議由于受到WiFi干擾，包接收率下降為之前的68%，且隨著干擾源與網(wǎng)關(guān)距離減小，包接收率也逐漸降低。

協(xié)議時(shí)延結(jié)果如圖8所示，自適應(yīng)信道切換協(xié)議節(jié)點(diǎn)時(shí)延僅為固定信道的1/3，原因在于固定信道協(xié)議只能通過(guò)重發(fā)數(shù)據(jù)包緩解干擾;采用控制信道的時(shí)延略低于無(wú)控制信道協(xié)議，原因在于無(wú)控制信道協(xié)議在信道切換過(guò)程中需要進(jìn)行信道的重新同步，導(dǎo)致時(shí)延增加。

當(dāng)干擾源距離網(wǎng)關(guān)15m時(shí)，30個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻分布在實(shí)驗(yàn)室中。節(jié)點(diǎn)信道切換次數(shù)可以反映節(jié)點(diǎn)所受干擾情況。如圖9所示，non-ctrl CAH協(xié)議信道切換是基于父節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到某一子節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量下降時(shí)，父節(jié)點(diǎn)通知所有子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道切換，子節(jié)點(diǎn)具有相同的切換次數(shù)。如圖10所示，ctrl CAH協(xié)議中，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)切換次數(shù)是由各個(gè)節(jié)點(diǎn)決定的，不同節(jié)點(diǎn)信道切換次數(shù)不同。但兩者都有相同趨勢(shì)，即干擾源與網(wǎng)關(guān)中間位置的切換次數(shù)較少，當(dāng)距離干擾源及網(wǎng)關(guān)較近時(shí)，切換次數(shù)較多。

本協(xié)議節(jié)點(diǎn)功耗以網(wǎng)關(guān)接收相同數(shù)量數(shù)據(jù)包所需傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量加以表示。實(shí)驗(yàn)采用20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送1000個(gè)數(shù)據(jù)包所需發(fā)送的字節(jié)數(shù)量表示功耗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。在無(wú)干擾情況下，固定信道協(xié)議數(shù)據(jù)包由同步包、路由包、負(fù)載包和應(yīng)答包組成，non-ctrl CAH協(xié)議所需數(shù)據(jù)包類型與固定信道協(xié)議相同，而ctrl CAH協(xié)議需要先在控制信道執(zhí)行一次握手機(jī)制，再到數(shù)據(jù)信道進(jìn)行負(fù)載包發(fā)送，所需數(shù)據(jù)包是前兩種協(xié)議的兩倍以上;在有干擾的情況下，non-ctrl CAH協(xié)議和ctrl CAH協(xié)議受到WiFi干擾后都需要重發(fā)少量數(shù)據(jù)包，而固定信道只能通過(guò)重發(fā)數(shù)據(jù)包以抵抗干擾，導(dǎo)致大量重發(fā)包的出現(xiàn)，所以采用各種協(xié)議所需傳輸?shù)目傋止?jié)數(shù)表示功耗情況。綜合表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在無(wú)干擾情況下，固定信道協(xié)議所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量最少;在有干擾情況下，non-ctrl CAH協(xié)議所需傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)最少，僅為ctrl CAH和固定信道協(xié)議的1/2。

3 結(jié)語(yǔ)

環(huán)境中的干擾具有高復(fù)雜性與動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)，除WiFi干擾外，還有微波干擾、藍(lán)牙干擾等。本文提出的non-ctrl CAH協(xié)議采用低速率的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)信道切換的方式緩解干擾。該協(xié)議具有以下特點(diǎn)：①non-ctrl CAH協(xié)議是基于接收者的協(xié)議，父節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)時(shí)ETX值的變化情況，動(dòng)態(tài)選擇下一信道;②具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性，分別引入接收方的最大等待時(shí)間和發(fā)送方的最大重傳次數(shù)用于處理信道失調(diào);③由網(wǎng)絡(luò)中受干擾嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道切換，而非整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信道切換，同時(shí)將信道切換信息嵌入應(yīng)答包，可以在一定程度上降低功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與固定信道協(xié)議相比，使用自適應(yīng)信道跳頻機(jī)制，處于干擾環(huán)境下節(jié)點(diǎn)的包接收率可達(dá)到之前的95%以上，比固定信道包接收率提高了27%以上，而時(shí)延僅為固定信道協(xié)議的 ? 1/3。non-ctrl CAH協(xié)議由接收者的通知子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道切換，而CAH協(xié)議是基于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的ETX值進(jìn)行跳頻。在功耗方面，在有干擾的環(huán)境下，non-ctrl CAH協(xié)議功耗最低僅為ctrl CAH協(xié)議和的1/2。因此，non-ctrl CAH可以更好地應(yīng)用于存在干擾的低功耗局域網(wǎng)中。通過(guò)本文研究，對(duì)WSNs抗干擾協(xié)議有了更深入的認(rèn)識(shí)，為WiFi與WSNs共存找到了一個(gè)合適方法，下一步將對(duì)WiFi干擾具體原因作進(jìn)一步研究。

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