2020-08-12 10:19:18
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一、使用無(wú)線(xiàn)跳頻技術(shù)的意義
無(wú)線(xiàn)通信受到來(lái)自?xún)煞矫娴奶魬穑和獠扛蓴_和多徑衰退。
外部干擾
在ISM公用頻段，頻率是十分寶貴的資源。如下圖所示，2.4GHz的頻段有WiFi、Bluetooth和ZigBee，還有無(wú)繩電話(huà)、微波爐等，這樣一來(lái)需要避免同頻干擾。
多徑衰退
在實(shí)際通信環(huán)境中，墻壁、門(mén)、走動(dòng)的人群、樹(shù)木和建筑物都可能造成無(wú)線(xiàn)信號的反射。如下圖所示，除直線(xiàn)路徑Pd外，還會(huì )疊加其他反射路徑(Pm1和Pm2)的信號，這些混合信號可能會(huì )使接收設備無(wú)法解碼，這稱(chēng)之為多徑衰退。
多徑衰退是一個(gè)較復雜的問(wèn)題，因為分析它的全部影響因素幾乎是不可能的。下圖是一個(gè)典型的實(shí)驗：在X軸長(cháng)20cm、Y軸長(cháng)35cm分別安裝一個(gè)接收器和發(fā)射器，每次移動(dòng)其中一個(gè)設備1cm，統計通信成功率。
從上述結果可知，同頻率下哪怕僅移動(dòng)1cm，多徑衰退都可能引起通信成功率從100%驟降到0%;而同一位置在更換頻率后，通信成功率也可能從0%改善到100%，這就是跳頻通信帶來(lái)的好處。
跳頻通信
解決“外部干擾”和“多徑衰退”的技術(shù)是“跳頻通信”，其含義是，每次通信都更換頻率。如下圖所示，在fb.17~fb.20有噪聲干擾，因為使用跳頻技術(shù)，可以避開(kāi)干擾信道繼續通信。
二、常見(jiàn)無(wú)線(xiàn)通信中抗干擾方法
1. ZigBee
2.4G的zigbee總共可以使用16個(gè)信道，頻率從2405MHZ到2480MHZ,zigbee通常使用一個(gè)固定的信道(頻率不變)。zigbee如果受到其他2.4G信號(藍牙、WIFI等)的干擾，會(huì )自動(dòng)選擇另外一個(gè)干擾少的信道來(lái)使用。
ZigBee支持兩種信道接入模式，一種是信標(beacon)模式，一種是非信標模式。
信標模式當中規定了一種“超幀”的格式，在超幀的開(kāi)始發(fā)送信標幀，里面含有一些時(shí)序以及網(wǎng)絡(luò )的信息，緊接著(zhù)是競爭接入時(shí)期，在這段時(shí)間內各節點(diǎn)以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時(shí)期，節點(diǎn)采用時(shí)分復用的方式接入信道，然后是非活躍時(shí)期，節點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個(gè)超幀周期開(kāi)始又發(fā)送信標幀。
非信標模式比較靈活，節點(diǎn)均以競爭方式接入信道，不需要周期性的發(fā)送信標幀。
顯然，在信標模式當中由于有了周期性的信標，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的所有節點(diǎn)都能進(jìn)行同步，但這種同步網(wǎng)絡(luò )的規模不會(huì )很大。實(shí)際上，在ZigBee當中用得更多的可能是非信標模式。
2. Bluetooth
藍牙采用了AFH(Adaptive Frequency Hopping)，LBT(Listen Before Talk)、功率控制等一系列獨特的措施克服干擾，避免沖突。
AFH頻率自適應控制是在跳頻通信過(guò)程中，拒絕使用那些曾經(jīng)用過(guò)但是傳輸不成功的頻點(diǎn)，使跳頻通信在無(wú)干擾的可使用的頻點(diǎn)上進(jìn)行，從而大大提高跳頻通信中接收信號的質(zhì)量。
Bluetooth采用跳頻擴頻(FHSS)技術(shù)，使用79個(gè)信道，每個(gè)信道占用1MHz，信號不斷以1600Hz的速率在79個(gè)調頻點(diǎn)間隨機跳躍，藍牙信號實(shí)際上占用79MHz頻帶。
3. WiFi
WiFi使用DSSS，每信道帶寬為22MHz，采用隨機退避的方式，爭搶使用信道。
4. GSM
GSM的空中接口采用時(shí)分多址技術(shù)。GSM是基于窄帶TDMA制式，允許在一個(gè)射頻同時(shí)進(jìn)行8組通話(huà)。目前GSM所采用的跳頻方式，其特點(diǎn)是在每個(gè)突發(fā)脈沖間隔改變一個(gè)信道的使用頻率，但在傳輸一個(gè)完整的突發(fā)脈沖期間頻率保持不變，其跳頻約為217跳/s，間隔為每個(gè)TDMA幀長(cháng)4.615ms。
5. CDMA
CDMA系統是基于碼分技術(shù)(擴頻技術(shù))和多址技術(shù)的通信系統，系統為每個(gè)用戶(hù)分配各自特定地址碼。地址碼之間具有相互準正交性，從而在時(shí)間、空間和頻率上都可以重疊。打個(gè)比方，將帶寬想像成一個(gè)大房子，所有的人將進(jìn)入惟一的大房子。如果他們使用完全不同的語(yǔ)言，他們就可以清楚地聽(tīng)到同伴的聲音而只受到一些來(lái)自別人談話(huà)的干擾。
三、OpenWSN的跳頻算法
OpenWSN為提高通信可靠性，避免“外部干擾”和“多徑衰退”，使用16信道的跳頻技術(shù)。每個(gè)數據幀在發(fā)送時(shí)隙使用不同的頻率，其頻率計算公式如下：
Frequency = (ASN + channelsOffset) % 16
ASN(Absolute Slot Number)即絕對時(shí)隙序號，每個(gè)時(shí)隙加一，所有節點(diǎn)共享。它的作用是，保證一幀失敗后，下一幀的重傳使用不同的頻率(因為ASN加一)。
channelsOffset是通信雙方“約會(huì )”信道(如：A和B約定用12，D和F約定用7…)。每100個(gè)時(shí)隙后，通信雙方需要重新申請channelsOffset。
OpenWSN的一個(gè)典型通信圖如下，左邊是時(shí)隙與頻率矩陣，右邊是網(wǎng)絡(luò )拓撲。