基于发射功率自适应调节的无线通信网抗扰研究

陈　焕,汪正祥,傅忠云

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海　200093;2.上海工业自动化仪表研究院,上海　200233;3.南京航空航天大学 金城学院,江苏 南京　211156)

基于发射功率自适应调节的无线通信网抗扰研究

陈焕1,2,汪正祥1,傅忠云3

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093;2.上海工业自动化仪表研究院,上海200233;3.南京航空航天大学 金城学院,江苏 南京211156)

摘要为解决智能楼宇中ZigBee网络与WiFi网络之间的干扰问题,通过采用TI公司的CC2530芯片,设计了一种发射功率自适应调节的无线传感器网络节点。文中主要采用试验的方法对不同环境下的ZigBee节点之间通信的可靠性进行测试,得出通信距离、误包率和接收信号强度指示RSSI之间的关系。利用RSSI作为通信评价因子,根据实际应用环境的变化,自适应地改变ZigBee通信节点的发射功率。经实验测试,只需RSSI值>-51 dBm,便可保证干扰环境下的误包率接近为0。

关键词ZigBee网络;WiFi网络;发射功率;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

随着基于IEEE 802.15.4 的ZigBee技术的广泛应用[1],将ZigBee技术用于智能楼宇是一项新的技术典范。但由于ZigBee技术工作频段在免执照频段,其频段还有其他无线技术使用,干扰问题随之而来。

另一方面,WiFi技术已成为日常生活中不可或缺的一部分。由ZigBee通信节点构成的智能楼宇网络中,WiFi的调度成为了一个问题。潜在的原因是由于ZigBee与WiFi使用相同的ISM频段,同时ZigBee网络的发射功率和带宽均比WiFi网络的发射功率和带宽要小[2]。除了WiFi技术,还有其他的无线技术也工作在ISM频段。由于WiFi高的发射功率、数据传输率和带宽,WiFi成为了对其它系统干扰的主要来源[3-4]。

如今国内外已有学者对ZigBee与2.4 GHz无线技术之间的干扰共存问题进行相关研究。文献[5]中建立了一个随机分析模型,研究IEEE 802.11b在IEEE 802.15.4的干扰环境下的性能评价,可以得出IEEE 802.15.4的存在对802.11b的影响微小,除非802.11b的基站周围有大量的IEEE 802.15.4设备,且IEEE 802.15.4的通信量很大。文献[6]中提出了一种ZigBee框架控制协议(WISE)。WISE是基于隐式马尔科夫模型提出的,可追踪WiFi在网络中的空闲信道。WISE对窗口的大小敏感,当滑动窗口的大小比最佳经验值大时,WISE无法较好地跟踪空闲信道的分布。同时当WiFi频谱利用率很高时,无法保证系统的抗干扰性。文献[7]提出了一种合作忙音机制,ZigBee与WiFi之间可以相互交换信息,两者之间的干扰。但这种通信无法保证系统的实时性。同时,对现有的MAC层改动较大,复杂度增加,通信质量也有所下降。

针对以上问题,本文提出了以试验为切入点,假设WiFi设备能够正常通信。通过改变ZigBee设备之间的距离,对ZigBee通信设备的丢包率和RSSI的关系,发射功率与距离之间的关系进行研究,利用RSSI值对整个系统的通信质量进行评估。

1测试方法

整个测试过程的设计是围绕干扰者和被干扰者建立的。在这种情况下,被干扰者形成了整个系统的主网络,干扰者形成了整个系统的干扰网络。测试环境在开阔场,所以在主网络中收发设备之间不存在其他的障碍和金属反射。在此文中将WiFi无线路由器视为主要的干扰源。所有干扰测试均是在相对较稳定的环境中进行,在测试之前可先用RF频谱分析仪检测出整个测试区域的射频环境,必须保证带内2.4 GHz射频干扰水平在测试环境中<95 dBm[8-11]。

1.1　测试设备

表1　测试中使用的设备

(1)ZigBee作为被干扰者。两个收发设备的测试过程配置如下:A.没有信道跳频;B.发射节点的发射功率是可改变的;C.发射节点只通过单一路径传送给接收节点;D.每次发送的数据包数为10 000个。

(2)WiFi作为干扰者。WiFi路由的测试过程配置如下:1)设置发送模式;2)最大发射功率;3)40 MHz带宽,采用802.11n协议;4)外置5 dBi固定全向双天线。

1.2　测试方法

如图1所示,主网络两个收发设备之间的距离为X,干扰源发送设备之间距离为Y。这里X为变化值,Y为固定值为1 m。

图1　测试拓扑图

在干扰源和无干扰源两种情况下,分别在10 m以内,X设置为1 m,2 m,…,10 m进行测试。在每个距离测试时,主网络中终端节点发射功率设置不同等级,采取10次测量取平均值法获取误包率和接收信号强度值。测试过程中,节点之间以及周围不存在遮挡物,节点距离地面均为1 m。

1.3　测试结果的评价标准

(1)误包率(Packet Error Rate,PER)。从终端节点给协调器节点发送N个数据帧,协调器节点实际接收到的数据帧为M个,则误包率计算表达式为

(2)接受信号强度指示(RSSI)。接受信号强度指示RSSI显示了接受的发射信号强度是能量,而不是质量。RSSI是判断两个节点距离比较好的参数,可通过读取CC2530芯片的寄存器RSSI_VAL得到。

2发射功率自适应控制理论

无线通信中信号的发射功率Pt、接受功率Pr和距离d的关系式可由式(1)表示[9-10]

(1)

其中,n为信道衰落系数,由环境因素决定。

将式(1)两边取对数乘以10,单位换算成,得到式(2)

Pt-Pr=10×nlgd

(2)

(3)

终端节点接受功率由ZigBee协议栈MAC层给出,设终端节点接受功率为RSSI,协调器节点接受功率为RSSI′,代入式(3)可得

(4)

(5)

式(5)为存在干扰时,发射功率和RSSI之间的关系,其中k为修正系数,是通过试验测得出的一个区间值。修正系数则根据实际丢包率与期望丢包率之间的差值来调整修正系数k。

3测试结果分析

在干扰源和无干扰源环境下测试时,除了保证测试环境不同之外,其他测试条件必须相同。试验结果如图2和图3所示。

图2　无干扰时不同发射功率和距离对误包率的影响

图3　存在干扰时不同发射功率和距离对误包率的影响

如图2的图3所示,(1)当发射功率和距离一定时,干扰的存在对误包率的影响较大。例如终端节点的发射功率为-6 dBm,终端节点和协调器节点之间的距离分别为4 m,5 m,6 m时,存在干扰时误包率分别 03.21,08.79,11.81,不存在干扰时,误包率均为00.00%;(2)当距离一定时,发射功率越大误包率越低,节点之间数据传输可靠性越高。说明对于干扰变化的情况,增大发射功率可减少误包率;(3)当终端节点和协调器节点之间的距离为4 m,5 m,6 m时,干扰网络对主网络的干扰较强,误包率较大。

如图4和图5所示,(1)随着节点值得增大,误包率的变化具有一定的趋势性,会随着RSSI的增大而减小;(2)当RSSI>-51 dBm时,误包率接近于00.00%。

图4　无干扰时不同发射功率和RSSI对误包率的影响

图5　存在干扰时不同发射功率和RSSI对误包率的影响

根据误包率试验可知,为使主网络中节点之间通信可靠,可以将节点的发射功率设置较高水平,但过高的发射功率也会对干扰网络中的WiFi设备造成干扰。因此,在保证主网络通信可靠的前提下,即误包率接近0的情况下,设计出基于RSSI节点发射功率自适应机制的算法,通过改变发射功率实现抗干扰。结果如表2所示。

表2　节点发射功率自适应调节在干扰环境下可靠性测试结果

从表2数据可看出,基于RSSI的节点发射功率自适应算法,在干扰环境变化情况下为节点设置合适的发射功率。当干扰源信号较弱时,设置节点较低的发射功率,当干扰源信号信号较强时,节点设置较高的发射功率。本次试验中,通过自适应设置发射功率的节点,误包率大部分接近于零。

通过以上数据分析表明自适应改变发射功率的节点有以下特性:(1)提高节点发射功率,尽可能使误包率接近零,以保证通信可靠性;(2)在误包率接近零的前提下,为节点设置较小的发射功率可对其他网络减小干扰。

实际上,在测试过程中,还会存在距离和遮挡对通信质量的影响,而本文通过在存在干扰和不存在干扰两种情况下进行测试,保证除了干扰外,其他测试条件相同,而无论距离和遮挡如何,其对通信质量的影响最终是反映到误包率和RSSI上,而节点发射功率自适应控制是根据误包率和RSSI来调整发射功率,该节点始终能将误包率维持在较低水平。

4结束语

本文主要研究了ZigBee节点组成的主网络对WiFi组成的干扰网络实现抗干扰问题。在干扰是否存在情况下,分别测出了接受节点的RSSI值和误包率,研究了两者之间的关系。当终端节点的RSSI值>-51 dBm时,便可保证误包率接近于00.00%。在干扰存在的情况下,尤其在终端节点和协调器节点间的距离分别在4 m,5 m,6 m时,干扰网络对主网络的影响较大。

根据误包率试验结果,设计出主网络中终端节点可自适应改变发射功率,尽可能地使误包率接近于00.00%。不仅保证主网络中节点之间可靠通信,稳定传输,也可减小对其他网络的影响。

参考文献

[1]Ruiz R.Going wireless[J].Ashrae Journal,2007,49(4):33-43.

[2]65C-Industrial Networks.Industrial communication networks-Wireless communication network-Part 2:C-oexistence management and IEC/TS 62657-1 Ed 1.0[S].Geneva:IEC,2014.

[3]Soo Young Shin,Jeong Seok Kang,Hong Seong Park.Packet error rate analysis of ZigBee under WLAN and bluetooth interferences[C].Haikou:Vehicular Technology Conference,2007.

[4]关键.无线个人区域网ZigBee与WiFi的干扰分析[D].北京:北京邮电大学,2009.

[5]Ivan Howitt,Jose A Gutierrez.IEEE 802.15.4 low rate-wireless personal area network coexistence issues[J].IEEE Wireless Communications and Network,2003(3):1481-1486.

[6]Jun Huang,Guoliang Xing.Beyond coexistence:exploiting WiFi white space for ZigBee performance assurance[C].MA USA:ICNP 18thIEEE,2010.

[7]Jie Yuan,Ted Ward.HMM-driven smart white-space-aware frame control protocol for coexistenc-e of ZigBee and WiFi[C].England:IEEE Conference,Pervasive Computing and Communications Workshops,2013.

[8]IEEE Computer Society."WiFi".IEEE 802.11.wireless LAN medium access control (MAC) and physi-cal layer (PHY) specifications and IEEE Std 802.11-2007[S].New York:IEEE,2007.

[9]章坚武,张璐,应瑛,等.基于ZigBee的RSSI测距研究[J].传感器技术学报,2009,22(2):285-288.

[10]白飞.基于ZigBee技术的无线传感器网络节能技术研究[D].长沙:国防科技技术大学,2008.

[11]谭卓越.基于半实物仿真的跳频通信系统抗干扰技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2012.

作者简介:陈焕(1989—),男,硕士研究生。研究方向:现场总线智能化仪表及无线通信网络。汪正祥(1962—),男,硕士,讲师。研究方向:自动化仪表与装置。傅忠云(1980—),女,硕士,讲师。研究方向:自动化相关技术应用于开发。

收稿日期:2015- 05- 12

中图分类号TP393

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)01-071-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.019