SimpliciTI网络频率捷变机制的研究*

杨 宁，史仪凯，袁小庆，黄 磊

(西北工业大学机电学院，西安 710072)

SimpliciTI是一种低速率、低功耗的短距离无线通讯技术，相对于Zigbee更适用于小型办公场合，此网络工作在ISM中的2.4 GHz公用频段。由于该频段的资源十分拥挤，因而会引起同一区域不同设备之间的频率资源冲突和相互干扰问题［1－3］。为此协议引入的频率捷变机制(Frequency Agility，FA)［4］避免了由于信道竞争产生的数据堵塞，使信道在受到外界干扰的情况下能够自主地进行信道切换。但FA机制在信道预测方面存在不足，未能完全实现合理回避频道冲突的功能。目前解决上述问题的理论研究是PSCP-FA，虽然该方法对各个节点进行周期性同步校正，但是不能保证整个网络体系的实时同步，因此有必要结合跳频技术对原有机制进行改进。

本文在跳频信号最前端加入同步码信息，以保持网络设备载波跳变规律、频隙起始时刻以及信号相位的一致性；通过计算时钟差和传输时延，使网络设备能更好地实现主从同步；根据简化的SimpliciTI信道模型估算RSSI值［5－8］，并将该值作为信道列表比较阀值以减少频率捷变的次数。经实验证明，该方案能快速精确地完成全网络主从同步，有效地提高了网络工作稳定性，增强了SimpliciTI的实用性。

1 FA帧接入机制

1.1 现有FA机制缺陷

FA机制切换原理如图1所示，首先将SimpliciTI网络频率分割成n个信道，并把时间划分为m个时隙。在组网过程中，默认信道0在t0时刻启动，假设信道0在t1时刻被占用或产生严重干扰，那么将采用FA方式切换信道至无干扰信道1。此时，数据中心向网络发送广播帧以通知其它节点设备切换至相应信道。当信道1在t2时刻遇到类似情况时，采取相同措施避开故障信道，以此类推，反复利用轮询方式使网络工作于可靠信道，保证其正常通信。

图1 现有FA机制信道切换原理

根据上述原理，现有FA机制中存在以下三方面缺陷:

(1)当通信信道改变后，休眠设备无法连接至网络，因此需采用轮询访问方式尝试加入网络，此措施不仅加大了组网开销(如时间、能量)，而且加重了通信负载(如广播帧、请求/应答帧)。

(2)在判断信道是否被干扰或占用时存在一定的盲目性，即当RSSI值连续3次大于－85 dBm时，则判定该信道不可靠。

(3)由于网络需要应用于不同的硬件设计以及开发环境，因此SimpliciTI协议无法对网络中各个节点进行同步校正。

1.2 改进FA机制

针对上述三方面缺点，现有FA机制的改进由两部分构成:整个网络设备与网络的同步和基于RSSI值的信道预测。其中，同步阶段包括载波同步、帧同步和位同步；信道预测阶段，接收处理RSSI值并利用其值判断信道通信质量，通过不断更新信道列表以完成信道切换工作，FA帧的网络接入模型如图2所示。

图2 FA帧接入模型

2.4GHz频段设备占用资源的方式可分为3类:固定单频道方式、全频段跳频方式和动态多频道方式。根据Zigbee相关理论可知［9－11］，在FA阶段需采用动态多频道方式，即通信双方首先工作于某一特定的工作频道上，一旦原频道不能够继续工作，将会自动或通过人工选择新的工作频率。在竞争访问阶段，即在SimpliciTI数据帧的传输阶段，MRFI层(Minimal RF Interface)仍采用基于IEEE 802.15.4标准的CSMA/CA方式(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)，通过载波侦听机制防止数据碰撞，提高由于网络节点移动、失效引起的动态拓扑结构适用性差的问题。

2 跳频网络同步分析

载波同步过程中未专门插入导频，而是在接收端直接从发送信号中提取载波。由于网络使用的是2.4GHz的高频率载波，因此采用易于实现的Costas锁相环对载波进行提取［12］。设输入已调信号为f(t)cosωt，压控振荡器输出信号为v1=cos(ωt+θ)，则它的正交信号为v2=sin(ωt+θ)，其中θ为与v1输入已调信号载波之间的相位误差。

当同向正交环工作时，输入已调信号分别与v1、v2相乘，经低通滤波器去除2ω高次谐波得到的两个信号分别为 0.5f(t)cosθ和 0.5f(t)sinθ；将这两个信号加于相乘器后，最终得到调整信号

式(1)表明，V的大小与相位误差θ成正比。因此，可以利用信号V去调整压控振荡器输出信号的相位，使稳态相位误差降低到最小；同时得到的v1也就是所需要提取的载波信号。

对于位同步和帧同步的过程，则采用自同步法实现，即每隔一定数量的信息码元插入一个帧同步码。假设恢复基带信号误比特率为Pb，同步码的码元数为N，检测器允许码组中错误码元的最大数为n，则同步码的正确检测概率为

错误检测概率为

在数据码组中，可能含有与所要识别的同步码相同的码元，这时会产生数据码被误认为是同步码的现象，因此还需考虑假同步概率Pa。设数据码组中出现“0”和“1”的概率均为50%，则组成N位码组的所有可能码组数为2N。若n=0，则数据码组的识别数为；若n=1，则数据码组的识别数为。依此类推，得到数据码的假同步概率为

当同步码的码元数设置为20，误比特率控制在1%时，图3给出了错误检测概率Pf与假同步概率Pa之间的关系。

图3 Pf和Pa分别与n的关系曲线

如图3所示，随着n的增大，Pf随之减小，Pa反而增大；鉴于两项指标存在的矛盾关系，这里选取检测器中允许错误码元的最大数为3，此时，错误检测概率与假同步概率均只有0.13%。

同步字头的组装完成后，需要对网络的主从同步体系进行构建。SimpliciTI网络中，规定数据中心设备(AP，Access Point)为参考节点，其它设备为非参考节点，主从同步过程主要是通过收发FA帧中的同步信息并对其解析实现的。假设参考节点AP的时钟超前一级节点范围扩展设备(RE，Range Extender)的时间为ΔT，信息传播时延为s。初始化后，RE首先在t1时刻向AP发送一个同步请求，AP在t2时刻收到该请求，那么可知t2=t1+ΔT+s；延迟一段时间后，AP在t3时刻回复一个应答信息，其内容包含相应ID和时间信息t2；最后经过传输时延s，RE在t4时刻获得了应答信息，则t4=t3－ΔT+s。根据上述分析可以得出时钟差ΔT和传输时延s分别为

若一级节点RE被主节点AP同步时间为T1，同步其子节点的时间为T2，则整个网络时间同步所需要的时间Ts为

式中，J为网络跳数。

由式(6)可知，全网络同步花费的时间与网络跳数有关，因此可通过降低网络跳数的方式达到降低传输时延的目的。同时，利用式(4)和式(5)完成各个子节点自身的时钟调整，图4给出了同步误差与节点数量A(取A=10J)和网络跳数J(J≤4)的关系。

图4 同步误差随网络跳数变化关系

3 网络算法分析

对于理论模型，常采用自由空间传播模型来分析无线电传播路径损耗，其模型为

式中，Pt为发射功率(dBm)。

该模型表明，RSSI的衰减与距离成指数衰减关系，当距离增大时，衰减增大；同时RSSI取值还跟节点之间有无障碍物及物体运动速度快慢有关。设节点发射功率为0 dBm，以250 kbit/s的速率连续发送150个数据包(数据包长度为20 byte)，经测量得到不同干扰源对接收节点RSSI的影响，部分结果如表1所示。

式中，d为距信标的距离(km)；f为无线电传播频率(MHz)；β的值与阻挡物等环境因素有关，其范围一般在1.8～5之间。

在实际应用中，考虑到环境因素，空间电磁波的传输损耗符合对数正态Shadowing模型，则有

式中，Pr(d)为传播经过距离d后的路径损耗；Pr(d0)为传播经过距离d0后的路径损耗；XdB为服从N(0，σ2)分布的随机变量。

根据式(7)和式(8)可以给出简化的SimpliciTI网络信道模型为

通过表1可以看出，在不遮挡天线的情况下，静止物体对RSSI影响很小，仅有0.5 dBm；当通信过程有快速物体移动时，瞬间对RSSI造成的影响较大，约为4 dBm～6 dBm。结合式(9)，在室内情况下(d≤8 m)，当发射功率为Pt=－10 dBm时，RSSI的合理取值在－75 dBm附近(该值可根据系统发射功率的大小调整)。

由于初始信道在受到严重频率冲突时，会导致收发双方无法握手的现象发生，因此频率捷变机制还需要具有自动捕获初始信道的功能。设定收发两端的逻辑信道号都是从0到4，发送端的信道以2 ms的周期切换信道，而接收端的逻辑信道号则以10 ms的周期循环变换。这意味着，无论收发双方的初始信道是否一致，在接收端当前信道的10 ms周期内总会有2 ms的时间与发送端的信道号相一致，从而使收发两端能够自动约定初始信道，其算法流程如图5所示。

图5 改进的频率捷变算法流程

SimpliciTI中的频率捷变算法是通过检测RSSI值来避免环境中的噪声干扰:若当前信道噪声较弱，则正常通信；若当前信道噪声较强，则进行信道切换。考虑到原算法在频道切换方面存在盲目性，改进算法建立了用于保存RSSI测试值的信道列表，该列表中的RSSI值按从大到小顺序排列。网络节点通过比较列表中前三项RSSI的平均值与设定阀值的大小，判断网络是否需要进行信道切换；同时，将阀值比较次数设置为3次，即需要检测30次RSSI的值，以降低由于瞬间干扰造成信道切换的可能性。

为了验证该算法在信道切换方面的可靠性和有效性，对SimpliciTI网络进行了测试。实验环境为18 m×2 m办公场所，区域内有如WLAN等2.4 GHz干扰信号；选取40个网络节点，包括1个AP，3个RE以及36个终端设备；将终端设备排列在区域两端，并使AP和RE均匀分布在两列终端设备之间；测试干扰源(行人)以2 m/s的速度对测试节点的传输路径进行阻碍，算法改进前后的信道切换次数对比值如表2所示。

表2 算法改进前后的信道切换次数对比

为了验证该算法对传输数据的影响，采取分别测试AP节点和任意一个ED节点通信包的方式进行验证，无线网络测试结果如图6所示。

图6 数据通信测试结果

通过上图可以看出，ED设备的发送数据长度和AP设备的接收数据长度均为3 ms；虽然在路径损耗的作用下AP接收信号幅值为2.8 V略低于发送信号的幅值3.2 V，但不影响总体无线通信性能，能够保证数据传输的准确性。

4 结论与分析

本文通过FA帧模型和RSSI阀值检测算法改进现有SimpliciTI网络的频率捷变机制，研究结果表明:采用FA帧同步码可提高网络的抗干扰能力，尤其适用于辐射干扰源较多的环境；同时，通过时钟调节算法可将整个网络的同步时间误差控制在1.2 ms内，并得到同步时钟误差与网络跳数呈近似线性的关系；RSSI阀值的选择和信道列表的应用增强了检测算法的适应性，使信道切换次平均降低3次。因此，改进的频率捷变机制在综合性能上有较大提高，起到降低网络开销的作用。在小型办公场合，选择SimpliciTI网络代替功耗和复杂度都很高的Zigbee网络具有一定的现实意义。

随着辐射源种类的日益增加，无线网络的抗干扰能力体现着日趋重要的作用，因此，SimpliciTI协议中主从同步技术的可靠性和网络拓扑结构的合理性需要在大规模通信环境下进一步研究和认证。此外，如何利用功率放大器件增加发射功率，进而加大节点间的通信距离，使SimpliciTI不受限于小型工作网络将是下一步研究的重要方向。

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