一种用于移动无线传感网的自适应变频抗干扰机制*

陈始茂，吴超宇

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

一种用于移动无线传感网的自适应变频抗干扰机制*

陈始茂，吴超宇

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

针对特种车队对移动无线传感网的应用需求，设计了一种自适应变频抗干扰机制，以提升移动无线传感网的抗干扰能力。移动无线传感网设置了8个工作频点，根据网络规划选择其中一个频点作为网络当前工作频点，其他频点作为备用频点；在网络受到严重干扰时，该抗干扰机制启动备用频点底噪扫描程序，从中选出信道底噪最小的备用频点，并将网络切换到该备用频点上工作，以规避干扰。经试验验证，设计的自适应变频机制达到预期的抗干扰效果。

特种车队；移动无线传感网；抗干扰；自适应变频

0 引 言

目前，社会上有很多特种车队，如消防车队、石油运输车队、各种军警车队等，执行着各种各样的特殊任务。在执行任务过程中，车队的指挥控制人员需要对车队车辆的自身状况以及任务的执行情况进行实时监控掌握，以确保车队安全和任务完成。因此，特种车队需要装备车队监控信息系统：一方面对各车辆自身状态信息如油料余量、故障、位置等进行自动采集、传输和汇聚，实时掌握车队车辆的状况；另一方面，对执行任务的主要信息如各车辆上装载物资的种类、数量、作业情况等进行自动/人工采集、传输和汇聚。

经过近二十年的快速发展，无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）技术已经发展成熟，各种各样的产品也在社会的各个领域广泛应用，且价格低廉。因此，采用WSN技术，在通信距离、抗干扰、安全保密及环境适应性等方面进行改进增强，满足特种车队的应用需求，也是一种相对比较理想的解决方案。改进后应用于特种车队的WSN，称之为移动无线传感网（Mobile Wireless Sensor Network，MWSN）。

1 移动无线传感网设计

MWSN由汇聚节点和传感节点组成，网络拓扑如图1所示。

图1 MWSN网络拓扑

MWSN支持星形网、链状网、树状网等网络拓扑，并支持网络动态变化，满足特种车队各种应用的需求。在MWSN中，汇聚节点作为网络的协调器，负责网络的构建与管理，并与各传感节点交互数据。传感节点如果一跳可达汇聚节点，则直接与汇聚节点建立连接关系；如果一跳不可达，则与其相邻的传感节点建立连接关系，应用数据通过相邻传感节点以多跳转发方式达到汇聚节点。网络开通后，汇聚节点和各传感节点之间通过定期握手进行网络维护和管理。

汇聚节点具有综合信息汇聚能力，接入计算机、PDA等应用终端的能力，一般部署于车队的指挥车。传感节点具有相应接口，接入各类传感器并支持各类传感信息的综合接入、封装与传输，同时具有接入计算机、PDA等应用终端的能力，如图2所示，一般部署于车队的成员车辆。由于车队车辆的自身状态信息如油料余量、位置等信息一般都是周期性（如15 min）采集和上报，故障信息为实时上报但难得发生一次；而执行任务信息如装载物资种类、数量、作业情况等一般只是初始时上报及发生变化时上报。所以，MWSN大部分时间处于空闲状态。

为满足特种车队的应用需求，在WSN的基础上，MWSN在通信距离、抗干扰、安全保密及环境适应性等方面进行改进增强。比如，根据具体的应用需求，适当增加MWSN节点间的通信距离，以保证车辆之间的稳定连通；增强MWSN的抗干扰能力，设计如采用自适应用频机制使MWSN在受到一定程度干扰时还能正常工作，以保证特种车队能在不同地域执行任务；对在MWSN中传输的信息进行适度的加密处理，如根据应用需要采用不同等级甚至是军用等级的加密算法对信息进行加密，以防信息被截获破解；采取措施增强网络安全防护能力[1]如实行传感节点身份预先登记注册、传感节点与汇聚节点间实行双向身份鉴权等；增强复杂地形的适应能力，如选用较低的工作频段、采用自适应调制解调技术等。

图2 传感节点综合接入各类信息

2 自适应变频机制

当MWSN受到干扰导致通信能力下降时，系统首先会降低无线信号的带宽和传输速率，提高灵敏度，以提升通信能力。当采取上述措施后仍不能满足通信需求时，系统启动变更工作频点（简称变频）程序，将系统工作频点更改到无干扰或者干扰相对较弱的频点，保证系统正常通信和信息传输的QoS。系统有两种变频方式：人工变频和自动变频。人工变频优先级最高，无人工干预时采用自动变频方式。结合MWSN的任务使命和技术体制，本文设计一种自适应变频机制，通过自适应变频来达到规避干扰的效果。

2.1 工作原理

MWSN的物理层参考GB/T 15629.15-2010《信息技术 系统间远程通信和信息交换 局域网和城域网 特定要求 第15.4部分：低速无线个域网（WPAN）媒体访问控制和物理层规范》[2]定义的物理层进行设计。GB/T 15629.15-2010提供了多个物理层定义，工作在不同的频段：314～316 MHz、430～434 MHz、779～787 MHz等。MWSN可以根据具体的应用要求，选用工作频段。MWSN设置8个工作频点（即8个工作信道），每个工作信道分配一个信道号，可根据车队工作的电磁环境人工/自动选择。

MWSN汇聚节点开机后，工作在预先规划的信道上，按工作流程进行信标广播和组网；传感节点开机后，也工作在预先规划的信道上，接收到本网络的信标后，按照入网流程加入网络。

MWSN汇聚节点具有接收信号强度（Received Signal Strength Indication，RSSI）[3]检测功能。工作期间，它周期性对工作信道的信号电平进行侦听检测，对信道底噪进行扫描。MWSN汇聚节点在任何情况下采集到的RSSI值均为有效采样值。RSSI值与接收到信号信息中的网络标识符组合使用。如果接收到的信号信息能被解析出来且信号中的网络标识符为本网络标识时，则判定为本网络正常工作的信号，RSSI值用于判断汇聚节点接收工作信号的强度情况，称之为“工作信号RSSI”；如果接收到的信号无法解析出来或能被解析出来但信号中的网络标识符为非本网络的标识（其他车队的MWSN）时，则作为为底噪信号，用于评估本信道受到干扰的情况。

在MWSN运行过程中，因受到外界恶意干扰或其他系统/设备使用相同工作频点而导致MWSN工作信道底噪较高，导致MWSN的信息传输成功率严重下降甚至不能正常组网工作时，系统将采取变频措施以规避干扰。

MWSN自适应变频机制工作原理与流程如图3所示。

图3 变频机制工作原理与流程

2.2 变频判决

MWSN在运行过程中，根据以下几个条件按顺序判断是否启动变频程序：

（1）工作信道底噪：判决门限为-82 dBm。

（2）工作信号RSSI：判决门限为-75 dBm。

（3）信息发送成功率：判决门限为50%。

（4）变频次数：判决门限为10分钟内不超过3次。

关于上述判决条件的说明：

（1）关于工作信道底噪门限：通过仿真计算和实际试验验证统计，当工作信道底噪大于-82 dBm时，会对MWSN造成严重干扰，汇聚节点信息发送成功率小于50%的概率为81.7%（≥80%），可判定工作信道受到严重干扰。因此，设定判决门限为-82 dBm。

（2）关于工作信号RSSI门限：根据Okumura-Hata无线传输空间链路模型[4]，在中等起伏地形环境下，MWSN节点间通信距离达到2 000 m时，工作信号强度会衰落到-80 dBm左右。综合考虑其他因素，预留一定的冗余度，因此设定工作信号RSSI的判决门限为-75 dBm。

（3）关于信息发送成功率门限：小于50%被认为不可接受，因此设定判决门限为50%。

（4）关于变频次数门限：10分钟内不超过3次，目的是防止由于变频过于频繁而导致MWSN剧烈抖动，甚至短暂瘫痪。

下面分三种情况分析是否启动变频程序。

（1）汇聚节点检测到当前工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信号RSSI值小于-75 dBm时，判定汇聚节点与传感节点之间超过了正常通信距离，而并非受到了干扰，因此不作变频操作。

（2）汇聚节点检测到当前工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信号RSSI值不小于-75 dBm时，对发送的数据包进行统计。根据网络规模（即网络中传感节点数量），设置不同的统计周期（发送包数），再根据发送数据包的成功率来判断汇聚节点工作信道的质量，并以此作为变频判决依据，如表1所示。

①信息发送成功率不小于70%时，不启动变频程序；

②信息发送成功率在50%～70%之间时，启动备用信道底噪扫描程序，周期性（如10 s）对其他7个备用信道进行信道底噪扫描，并保存各备用信道的底噪扫描结果；扫描6次以上后，不断统计各备用信道的底噪平均值，从中选出底噪平均值最小的备用信道作为变频的目标信道，但不启动变频程序；

③信息发送成功率小于50%，且连续3个统计周期的信息发送成功率均小于50%时，启动变频程序，MWSN切换到变频目标信道上工作。但是，为了防止网络剧烈抖动，如果最近10 min内已经过3次变频，即使信息发送成功率小于50%，也暂停启动变频程序；间隔5 min后，如果信息发送成功率仍然小于50%，则再启动变频程序。

（3）汇聚节点检测到当前工作信道的底噪大于-82 dBm，且连续6个RSSI采样周期获得的底噪均大于-82 dBm，则判定工作信道受到严重干扰，启动变频程序。但是，如果最近10 min内已经过3次变频，则暂停启动变频程序，间隔5 min后再启动变频程序。

2.3 变频操作

根据设定的自动变频条件，一旦受干扰程度达到自动变频的条件，汇聚节点就会启动变频程序：

（1）汇聚节点向传感节点广播变频通知消息，重复3次，变频通知消息中包含变频的目标信道（频点）信息。

（2）汇聚节点将工作信道变更至目标信道，并在新的工作信道上周期性广播本网络信标，正常组网和运行网络。

（3）传感节点收到变频通知消息后，也将工作信道变更至目标信道，并重新发起入网流程加入网络；个别传感节点由于干扰或其他原因而没有接收到变频通知消息，则在原工作信道等待5个信标周期，如果还没有收到本网络信标，则再切换到其他信道逐个守候信标。每个信道等待5个信标周期，一旦收到本网络信标，则立即重新发起入网流程加入网络。

2.4 试验验证

基于MWSN，工作频段选择779～787 MHz，对自适应用频机制进行了室内试验和装车野外拉距试验。装车野外拉距试验又选取了城市街区、乡村和开阔地域三种典型应用环境。试验方案如图4所示，模拟干扰源1工作在MWSN当前工作频点，对MWSN直接实施干扰，而模拟干扰源2则工作在其他7个备用频点之一，作为备用信道的底噪，分别模拟以下场景进行试验验证：

（1）工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信号RSSI值小于-75 dBm。

（2）工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信号RSSI值不小于-75 dBm：

①信息发送成功率不小于70%；（通过调整底噪、工作信号RSSI值实现）

②信息发送成功率在50%～70%；（通过调整底噪、工作信号RSSI值实现）

③信息发送成功率小于50%。（通过调整底噪、工作信号RSSI值实现）

（3）工作信道底噪大于-82 dBm，且连续6个RSSI采样周期获得的底噪均大于-82 dBm。

（4）10分钟内变频次数已达到3次。

通过试验验证，设计达到预期设计效果。

图4 自适应变频机制试验方案

3 结 语

通过以上设计和验证可以看到，自适应变频机制可以根据电磁环境，自动变更MWSN的工作频点以规避干扰，使得MWSN具有一定的抗干扰能力，提升了MWSN对特种车队执行任务的保障能力。但是，这种单纯通过变频来规避干扰的方法的抗干扰能力还不够强，极端情况下一旦预设的所有频点均受到干扰，将导致MWSN的通信能力严重下降甚至网络瘫痪。因此，要使MWSN具有更强的抗干扰能力，需要进一步探索效果更好的、适合MWSN应用的抗干扰机制或者多种抗干扰机制组合应用。

[1] 朱晓乾,蒋丹婷,杨驰颖.社交网络安全风险分析及探讨[J].通信技术,2015,48(02):219-222. ZHU Xiao-qian,JIANG Dan-ting,YANG Chi-ying.Analysis and Exploration of Social-Network Security Risks[J].Communications Technology,2015, 48(02):219-222.

[2] GB/T 15629.15-2010信息技术 系统间远程通信和信息交换 局域网和城域网 特定要求 第15部分：低速无线个域网（WPAN）媒体访问控制和物理层规范[S].2010:17-18. GB/T 15629.15-2010 Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks-Specific Requirements-Part 15:Wireless Medium Access Control and Physical Layer(PHY) Specification for Low Rate Wireless Personal Area Network[S].2010:17-18.

[3] 王丹.基于RSSI的无线传感器网络定位方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011. WANG Dan.Research on the Localization Method Based on RSSI for Wireless Sensor Networks[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2011.

[4] 张延华,段占云,沈兰荪等.Okumura-Hata传播预测模型的可视化仿真研究[J].电波科学学报,2001,16(01):89-92. ZHANG Yan-hua,DUAN Zhan-yun,SHEN Lan-sun, et al.Okumura-Hata Radio Propagation Models Using Visual Simulation[J].Chinese Journal of Radio Science,2001,16(01):89-92.

陈始茂（1974—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为移动通信技术；

吴超宇（1978—），男，学士，工程师，主要研究方向为移动通信技术。

Anti-interference Mechanism based on Self-adaptive Frequency Change in Mobile Wireless Sensor Network

CHEN Shi-mao, WU Chao-yu

（No.7 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Guangzhou Guangdong 510310,China）

In accordance with the application requirements of mobile wireless sensor network for special motorcade, an anti-interference mechanism based on self-adaptive frequency change is designed to improve the anti-interference ability of mobile wireless sensor network. The mobile wireless sensor network has eight working frequency points. According to the network planning，the mobile wireless sensor network works at one of the frequency points，and the other frequency points serve as the backup options. When suffering severe electromagnetic interference，the mobile wireless sensor network starts a program to scan channel noise of spare frequency points，and choose the frequency point with minimum channel noise, and then changes its working frequency point to the frequency point with minimum channel noise, thus to avoid the electromagnetic interference.Experiments indicates that the design can satisfy the anti-interference requirements of the mobile wireless sensor network.

special motorcade; mobile wireless sensor network; anti-interference; self-adaptive frequency change

TP212.9

A

1002-0802(2016)-07-0950-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.028

2016-03-18;

2016-06-20 Received date:2016-03-18;Revised date:2016-06-20