面向IEEE802.15.4协议的跳频信道接入方法*

刘述钢，詹　杰（湖南科技大学物理与电子科学学院，湖南湘潭411201）



面向IEEE802.15.4协议的跳频信道接入方法*

刘述钢*，詹杰
（湖南科技大学物理与电子科学学院，湖南湘潭411201）

摘要：IEEE802.15.4协议中2.4 GHz频段的信道极易受Wi-Fi等信号干扰，且其规定节点丢失信标帧数量超过aMaxLost⁃Beacons就判定为孤立节点，需要重新扫描信道进行重新同步，这必将导致较大吞吐量降低和时间消耗。本文分析IEEE802.15.4和IEEE802.11在2.4 GHz频段中信道重叠规律，提出一种利用信标帧的周期性作为跳频函数输入变量生成的跳频序列，以此快速选择未受干扰的信道，该方法不需增加信标帧负荷和开销，且简单易实现。Wi-Fi干扰源测试结果表明，平均吞吐量最低能提高约16%，平均传输延迟由25.86 ms降低到9.07 ms。

关键词：IEEE802.15.4；无线传感器网络；跳频；信道干扰；时间同步

项目来源：国家自然科学基金项目（61540012）)；湖南省教育厅科学研究项目（14C0442）；湖南省自然科学基金项目（2015JJ2060）

IEEE802.15.4协议作为无线传感器网络的PHY和MAC层通信标准，正在我国的智能电网、智能集中抄表等自组网系统中大规模部推广［1］。为了提高无线传感器网络数据包传输效率，文献［2-3］采用优化MAC协议的信道访问方法，但该方法实现时需要在IEEE802.15.4协议的基础上增加通信开销。同时，IEEE802.15.4协议中也没有明确规定如何解决同频段网络的干扰问题，为尽可能避免同频段网络信号干扰，提高网络传输效率，设计一个简单可靠信道访问的跳频方法［4-8］用于提高通信抗干扰能力是至关重要的。因电、水、气、热等计量表大多位于室内或居民楼道中，大量家用Wi-Fi、Blue⁃tooth等使用2.4 GHz频段通信设备极易干扰IEEE802.15.4协议中2.4 GHz频段，特别是功率强大的Wi-Fi信号，文献［9-11］研究表明Wi-Fi严重影响无线传感器网络的服务质量（QoS）。

为提高通信质量，文献［12-13］对单信道MAC协议进行优化，采用预约数据交互机制或多次握手与批量传输机制，减少传输报文碰撞来改善QoS。这些单信道MAC协议优化研究改善了报文冲突，但是大多是以增加协商报文为代价。因此，越来越多的文献关注跳频方式动态控制的多信道分配，文献［9-11］采用独立的控制信道实现多个物理信道间的跳频同步控制，利用控制信道实现多个业务信道间的用户调度，提高信道的利用率，这主要是解决网络内节点间的相互干扰；文献［14-15］采用主动随机跳频的方式选择信道，但随机跳频难以保证快速避免Wi-Fi等干扰信道，也可能增加网内传输报文的冲突及同步时间。

针对IEEE802.15.4协议没有约定重新选择新信道的跳频方法现实，本文着力分析与Wi-Fi通信信道之间的内在重叠关系，设计一个可以平均使用所有信道的跳频序列函数，能快速找到一个信道进行通信。该方法在不增加信标帧负荷和开销的情况下能有效避免Wi-Fi信号干扰，极大改善IEEE802.15.4通信系统的平均吞吐量和平均传输延迟。

1　 IEEE802.15.4协议存在的信道选择问题

IEEE 802.15.4协议中规定2.4 GHz频段共有16个信道，其中心频点表达式为：

其中，n为信道号。协议规定信标帧传输的失败次数达到一个aMaxLostBeacon（接收MAC层连续丢失的最大信标帧数）上限时，协调器就以能量检测扫描（ED-SCAN）的方式在16个信道中重新顺序访问，找到一个可用新信道时，协调器发送“信道更新”命令取代信标帧通知其所属节点，下一次超帧将使用的通信信道。然而由于原信道存在干扰，协调器所属节点很难收到“信道更新”命令，易与协调器失去同步而成为孤立节点。如此一来，失去同步的节点就必须采用孤立节点扫描方式寻找新信道，同时也必将增加同步通信量，会导致较大的能量消耗。孤立节点扫描新信道时会存在以下主要问题：

①能量消耗大：孤立节点进行扫描时，无线接收器都必须处于开启状态，因此孤立节点扫描的时间越长，将造成节点的能量消耗越大，对于以电池供电的节点而言，其使用寿命会严重缩短。

②失去同步：协调器要跳离开原来的通信信道，往往是在原信道收到严重干扰的情况下发生，这时节点成功收到“信道更新”命令的概率必将大大降低，如果节点没成功收到改变信道的信息，仍然继续维持原信道通信，就难以正确收到协调器发送的信标帧，这就造成节点与协调器失去同步。根据IEEE802.15.4协议规定，节点如果无法接收的信标帧次数超过aMaxLostBeacons值时，会将自己判定为孤立节点，必将与协调器失去同步。孤立节点接着通过运行新信道扫描流程寻找可使用的信道进行重新同步，然而每次执行孤立节点信道扫描耗费时间一般都比较长，最差的情况需把16个信道全部扫描完后方能找到自己所属的协调器，花费时间为(48×2BO+1)×16 UBP，其中：BO（Beacon Order）为信标顺序，UBP（Unit Backoff Period）为退避周期单元，IEEE802.15.4中1 s含有3 125个最小单UBP。例如：BO=6，需要花费近16 s才能完成孤立节点扫描。在电、水、气、热等自组网通信应用中，通常BO远大于超帧顺序SO（Superframe Order），孤立节点信道扫描时间会更长，造成数据传输时间延迟与节点能耗增大。

2　 IEEE 802.15.4与Wi-Fi信道重叠分析

Wi-Fi、Bluetooth等设备与无线传感器网络通信设备都可采用ISM的2.4 GHz频段，因此同频干扰是不可避免的，特别是功率强大的Wi-Fi信号，与IEEE 802.15.4频段有重叠，是无线传感器网络信道干扰的重要来源之一，其经常会造成IEEE802.15.4通信的中断，迫使节点跳离原有通信信道。见式（1）可知，2.4 GHz频段上共16个信道，分别为信道11（ch11）～信道26（ch26），每个信道的中心频率相隔5 MHz，信道间无频谱重叠。而IEEE 802.11b （Wi-Fi）在2.4 GHz的频段上共划分为11个子信道，每个子信道的带宽为22 MHz，子信道的中心频点间隔5 MHz，相邻多个信道存在频率重叠，如：信道1（ch1）与信道2（ch2）、信道3（ch1）、信道4 （ch4）、信道5（ch5）有频率重叠。如图1所示Wi-Fi常使用3个不重叠的信道为主，分别为ch1、ch6和ch11，可以看出IEEE802.15.4与IEEE802.11b之间无冲突的信道分别是ch15、ch20、ch25以及ch26，理论上说，在这些非重叠信道上建立的通信，与IEEE 802.11b不易发生冲突干扰，但在实际应用中，通信的频点会有漂移，因此在上述非重叠的4个IEEE 802.15.4信道，除ch26外，其它的信道或多或少地存在一定的干扰，因此ch26是2.4 GHz频段无线传感器网络中最可靠的一个信道。

图1　IEEE 802.15.4与Wi-Fi信道重叠分布

3　跳频序列设计

为了确保网络中所有节点的MAC定时器与其所归属协调器MAC定时器保持同步，可利用信标帧的周期性特征，将收发信标帧作为一个实时性跳频事件来处理，在MAC层建立一个专用定时器和事件处理器作为触发跳频事件的产生和处理，以时钟同步的方式完成跳频同步。为了不增加信标帧的负荷或开销，见图2超帧结构示意图，信标帧负荷中保留栏可以重新定义，本文定义为MAC跳频同步时钟信息，用做所属每个节点的信道同步。整个网络节点都以此时钟作为一个跳频函数的输入来产生跳频序列表，每个节点根据跳频序列表周期性地选择通信信道。这种跳频方法是充分利用了超帧的保留栏，并不需要更改协议的标准流程，仅多了一个让MAC定时器同步操作以及周期性启动跳频的事件，节点依照跳频序列表周期性地选择新信道。例如：当有节点想要加入网络时，其使用主动（Active）扫描或是被动（Passive）扫描方式来扫描整个网络，若在扫描的结果里发现有支持跳频事件模式的跳频指示，表示此网络中的协调器正在使用跳频机制，因此节点将会按照信标帧负荷里所含的MAC同步时钟信息将本身MAC定时器与之同步，并启动跳频机制，以确保跳频同步。同时，跳频周期设计与信标间隔BI（Beacon Interval）相同，这样能够保证至少有一个完整的超帧可以使用。

图2　超帧规格域中跳频通知栏定义

IEEE802.15.4协议中孤立节点扫描是依16个信道顺序进行，无线传感器网络应用中，当一个信道受干扰时，相邻信道受干扰的可能性相应增加，为了提高选择新信道可用性，根据图1的ch11至ch25与Wi-Fi重叠分析，为保证这15个信道等概率使用，把重叠的15个信道平均划分为3组，可设计跳频序列函数的表达式为：

其中，i为同步信号索引。因受干扰的信道共有15个，即i=tmod15，t是触发跳频事件的MAC定时器时钟除以BI的商，由此跳频序列函数所产生的跳频序列如图3所示。

图3　ch11-ch25的跳频序列分布

完全没有重叠的ch26没有出现在图3中，为了加强抗干扰能力，可把该信道平均插入到被Wi-Fi重叠的3组信道中，需要插入3次后产生新跳频信道序列，此时同步信号索引变为i=tmod18，跳频序列变为如图4所示。

图4　ch11-ch26跳频序列分布

假设p是此跳频序列产生的信道与Wi-Fi信道重叠的概率，根据图4可以做如下几种情况的推导：

①只有1个Wi-Fi无线访问点（AP）时，最多与5个IEEE802.15.4通信信道重叠，即重叠的概率为：

②只有2个Wi-Fi无线访问点（AP）时，最多与10个IEEE802.15.4的信道重叠，即重叠的概率为：

③只有3个Wi-Fi无线访问点（AP）时，最多与15个IEEE 802.15.4的信道重叠，即重叠的概率为：

综上所述，因ch26平均插入的缘故，即使无线传感器网络ch11至ch25被Wi-Fi信号完全重叠，整个网络至少约有16%的概率可能免受干扰，则可利用ch26的特性协调节点与协调器间的同步。

4　实验方法及结果分析

为了验证时钟同步模式跳频机制的运行效果，构建如图5所示意的实验环境：

①实验设备为：3台IEEE 802.11b无线AP，即AP1、AP2和AP3；3台内置IEEE 802.11笔记本，即B1、B2和B3；2台IEEE 802.15.4节点，分别为低压集中抄表系统的集中器（协调器C1）和电表（普通节点M1）。

②实验条件为：AP之间、笔记本之间的距离约为3 m，1台AP只与1台笔记本通信（AP1与B1、AP2与B2、AP3与B3），流量设定为2 MB/s，3台AP的工作信道分别为ch1、ch6和ch11，且以网线与同一台交换机相连，AP与笔记本之间通信用作IEEE802.15.4的干扰源；C1与M1距离约为2 m，BO与SO都设置为3，因此一个超帧的大小为122.88 ms，帧的大小设置为45Bytes；C1每10 ms产生一帧数据（即每秒的通信量为4 500个字节），工作在非跳频状态时，其通信信道固定于ch12。

图5　实验验证示意图

表1显示4种干扰条件下连续统计（每秒做一次统计）平均吞吐量实验结果（每种情况做600次实验）。在无AP工作、AP1工作、AP1和AP2同时工作、3台AP同时工作等4种情况，在C1与M1通信过程中，无AP开启工作时，平均吞吐量基本相同，分别为4 429 B/s和4 426 B/s，通信成功率都在98%以上；在AP开启的3种情况，C1与M1固定信道通信时，信道受干扰非常严重，吞吐量降低都约60%以上，而在跳频通信时，平均吞吐量都有明显的改善，分别为3 739 byte/s、2 996 byte/s、2 234 byte/s。根据式（3）、式（4）和式（5）所推导结果可知，在IEEE 802.11信道重叠干扰环境下平均吞吐量下降的理论值分别为16.7%、33.5%、50.1%，即理论平均吞吐量相对于无干扰时的83.3%、67.5%、49.9%，这些理论数据与表1的实验结果非常接近，因此可以看出理论推算结果与实验大致相同。

表1　平均吞吐量

表2显示了有AP干扰的3种情况下分别成功传输5 000数据帧的平均访问延迟时间。延迟时间的定义为每一帧依次传输，并将传输此序号帧的初次传输时间记录下来，直到收到此帧的ACK，将收到的ACK的时间减去帧传输的时间即得访问延迟。在非跳频通信时，平均访问延迟由7.42 ms增加到25.86 ms，增加约3.5倍，而使用跳频机制通信时，平均访问延迟由7.48 ms增加到9.07 ms，却只增加约1.2倍，这说明本文设计的跳频信道访问机制大大改善了平均访问延迟时间。

表2　平均访问延迟

5　结论

2.4GHz的ISM频段信道环境日趋恶劣，每种协议实现都需要尽力采用一定的跳频技术来减少干扰或避免干扰。有些协议里规定了跳频方法，设计者只是对提出的方法加以实施，而IEEE 802.15.4协议没有约定重新选择信道的跳频方法，因此本文提出了利用信标帧周期性特征产生跳频序列，在不增加信标帧负荷和开销的同时，能快速准确选择未受干扰信道的信道访问方法，Wi-Fi干扰源测试结果表明平均吞吐量和平均访问延迟都有明显的改善，为智能居民小区自动抄表等自组网系统的实施提供一种有效的技术参考。

参考文献：

［1］刘述钢.微功率无线自动抄表系统设计新方法及其应用研究［D］.湖南：湖南大学电气与信息工程学院，2011.

［2］任昊翔，郭达伟，邵凝宁，等.一种新型的无竞争的基于TDMA 的MAC协议［J］.传感技术学报，2013，26（1）：89-94.

［3］钱丽丽，刘昊.一种基于接收节点控制的无线传感器网络媒体访问控制协议［J］.传感技术学报，2014，27（2）：241-246.

［4］Zhang Lei，Wang Huahui，Li Tongtong. Anti-Jamming Message-Driven Frequency Hopping：Part I- System Design［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications，2013，2（1）：70-79.

［5］Manjula P，Sharmila S. Anti-jammming Broadcast Communication Using Uncoordinated Frequency Hopping［J］. International Jour⁃nal of Application or Innovation inEngineering & Management，2013，2（6）：28-36.

［6］陈卓，王殊，王典洪.基于拉丁方的认知差分跳频网络自适应频率集方法［J］.武汉大学学报（理学版），2014，60（3）：249-254.

［7］董彬宏，唐鹏，杜洋，等.压缩频谱的差分跳频信号在莱斯衰落信道下的性能分析［J］.电子与信息学报，2015，37（4）：836-840.

［8］Wang Yongbin，Liu Hongbo，Liu Qintao，et al. Project Design of A Shortwave Narrowband Difference Frequency Hopping System ［C］. Proceedings of the IEEE 3rd International Conference on Consumer Electronic，Communications and Networks 2013，Xian⁃ ning，China，2013：454-456.

［9］Sha M，Hachmann G，Lu C. Real- world Empirical Studies on Multi-channel Reliability and Spectrum Usage for Home-area Sen⁃sor Networks［J］. IEEE Transactions on Network and Service Man⁃agement，2013，10（1）：56-69.

［10］张轩，刘野，刘昊，等.一种无线传感器网络动态多信道MAC协议［J］.东南大学学报（自然科学版），2014，44（11）：1138-1143.

［11］Nicolas C，Marot M. Dynamic Link Adaption Based on Coexis⁃tence- fingerprint Detection for WSN［C］. Ad Hoc Networking Workshop. Ayia Napa，Cyprus，2012：90-97.

［12］Musaloiu E R，Terzis A. Minimising the Effect of WiFi Interfer⁃ence in 802.15.4 Wireless Sensor Networks［J］. Intenational Jour⁃nal of Sensor Networks，2008，3（1）：43-54.

［13］Liu Y，Jiang F，Liu H，et al. SC-MAC：A Sender-centric Asynchro⁃nous MAC Protocol for Burst Traffic in Wireless Sesor Networks ［C］. 18th Asia-pacific Conference on Communications. Jeju Is⁃land，Korea，2012：848-853.

［14］Borms J，Steenhaut K，Lemmens B. Low-overhead Dynamic Multichannel MAC for Wireless Sensor Networks［M］. Wireless Sensor Networks. Berlin：Springer，2010：81-96.

［15］Huang P，Xiao L，Soltani S，et al. The Evolution of MAC Protocols in Wireless Sensor Networks：A Survey［J］. IEEE Communica⁃tions Surveys & Tutorials，2013，15（1）：101-120.

刘述钢（1978-），男，博士，湖南科技大学讲师，主要研究无线传感器网络通信、电力线载波通信等现代通信技术在智能电网中的应用研究，liusgkd@126.com；

詹杰（1973-），男，博士，湖南科技大学副教授，主要研究方向为现代通信理论和无线传感网络新技术。

Channel Access Method of Frequency-Hopping for IEEE 802.15.4 Protocol*

LIU Shugang*，ZHAN Jie
（School of Physics and Electronic Science，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

Abstract：The channels of 2.4 GHz frequency-band of IEEE802.15.4 protocol are vulnerable to interference of Wi-Fi signals. Furthermore，anode can be sentenced as orphan node if a number of dropped Beacons is exceed to aMax⁃LostBeacons in IEEE802.15.4 protocol，and it re-scan all channels in order to synchronize Coordinator. So this may lead to decline the throughput and increase the time-consumption. In this paper，through analyzing overlapping dis⁃cipline of channels between IEEE802.15.4 with IEEE802.11，based on beacon periodicity we propose a frequency hopping function to generate the frequency-hopping sequence，which help to quickly select a communication chan⁃nel without interference. The proposed method is easy to implement，however，the payload and overhead of Beacon frame need not increase. The experimental results under Wi-Fi interference indicate that the average throughput may be increased by about 16%，and the average transmission delay is reduced from 25.86 ms to 9.07 ms.

Key words：IEEE802.15.4；wireless sensor networks；frequency-hopping；channel interference；time synchronization EEACC：7230

doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.03.022

收稿日期：2015-10-24修改日期：2015-12-13

中图分类号：TN92

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）03-0434-05