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無(wú)線(xiàn)通信之跳頻技術(shù)技術(shù)

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。

  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。