基于自适应信道切换的抗干扰技术研究

吴迪 施伟斌 王宇波

摘 要：无线传感器网络（WSN）作为家庭智能化应用的重要技术，由于与其它无线技术共用相同频段，导致其结果产生交叉干扰，通信可靠性降低。通过对处于WiFi环境中WSN设备的通信可靠性进行研究，对自适应信道切换（ARCH）协议进行改进，与汇聚路由树协议（CTP）协调使用，重新设计了无控制信道的自适应信道切换 （non-Ctrl CAH） 协议。该协议基于实时检测的链路质量，以自适应方式切换到其它信道进行通信，以缓解WiFi干扰。实验结果表明，在干扰环境中，与固定信道协议相比，non-Ctrl CAH协议的包接收率达到95%以上，而且在干扰情况下non-Ctrl CAH协议的功耗仅为控制信道自适应信道切换（Ctrl CAH）协议和固定信道协议的1/2。non-Ctrl CAH协议能以最低功耗获得较高的包接收率，并且能够有效缓解家庭环境中的WiFi干扰。

关键词：无线传感器网络;信道切换;WiFi干扰;智能家居

DOI：10. 11907/rjdk. 192583 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP399文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）008-0207-05

Abstract： As an important technology of home intelligent application， WSN shares the same frequency band with other wireless technologies， resulting in cross interference and reduced communication reliability. By studying the communication reliability of WSN devices in WiFi environment， the adaptive channel frequency hopping protocol is improved， and it is easy to coordinate with the aggregation routing tree protocol. The protocol is based on the link quality detected in real time and switches to other channels for communication in an adaptive manner to mitigate WiFi interference. The experimental results show that the packet reception rate of the non-Ctrl CAH protocol is over 95%. Compared with the fixed channel protocol，in terms of low power consumption， the power consumption of the non-Ctrl CAH protocol is 1/2 of the control channel adaptive hopping （Ctrl CAH） protocol and the fixed channel protocol. The non-Ctrl CAH protocol achieves a higher packet reception rate with the lowest power consumption and effectively mitigates WiFi interference in the home environment.

Key Words： WSN;channel hopping;WiFi interference;smart home

0 引言

近年来，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）作为物联网领域的一项重要技术，得到了迅速发展。该技术具有低功耗、轻量级、自组织等特点，被广泛应用于农业、工业、医疗等领域[1]。同时，无线通信技术的迅速发展使得无线设备数量也快速增加。采用不同无线技术的设备被迫使用相同的未许可频段，如IEEE 802.11（WiFi）、IEEE 802.15.1（蓝牙）和IEEE 802.15.4（ZigBee）等都共享相同的2.4GHz ISM频带[2]。多种设备共存会造成交叉技术干扰（CTI），导致信息的可靠性以及无线频谱使用效率降低。尤其在住宅环境中，交叉技术干扰造成的影响更为显著。例如，家庭環境中使用WSN技术智能设备对家用电器进行精准测量与控制，而当环境中WiFi与WSN共存时，WSN则易受交叉技术干扰影响，通信可靠性降低[3-6]。

目前研究者们设计了多种抗干扰算法，如Liang等[7]在数据比特层面上对WSN与WiFi之间的干扰情况进行分析，发现WSN与WiFi之间距离不同，数据包受损部位也不相同。当距离较近时，包头是WSN数据包的主要损坏部分，而当距离较远时，WiFi干扰可能造成WSN数据包任何部位损坏，从而导致数据包丢失，因此可采用包头和负载冗余的方式缓解WiFi干扰。该算法能在一定程度上缓解WiFi干扰，但也增加了传输数据量;张招亮等[8]提出一种EasiCAP算法对WiFi的干扰建模，度量环境中的WiFi干扰，以较小开销为代价换取较高的通信可靠性。该算法适用于多个静态传感网络共同部署的环境，需要对网络内部干扰与外部干扰进行建模，但增加了算法复杂度;杜鹏等[9]提出黑名单机制，该机制基于信道干扰情况，将干扰严重的信道排除在待选信道范围外，从而提升通信可靠性;Sha等[10]提出基于多信道机制的自适应信道跳频（Adaptive and Robust Channel Hopping，ARCH）协议，该协议作为一种轻量程的信道跳频协议，可根据信道干扰程度适时作出跳频决定以缓解WiFi干扰，使通信可靠性得到显著提高。

多信道机制是当前主要的抗干扰方法之一，该方法可使网络中的节点分布在不同信道上进行通信，优点是能提升通信可靠性、网络吞吐量等。当某一信道受到严重干扰时，节点可根据链路质量，自适应地跳频到其它信道进行通信，从而减少干扰的影响，提高网络的抗干扰能力。但在多信道通信过程中，网络中的节点分布在不同信道上，增加了节点之间相互协调的复杂度，因此需要充分考虑时间同步、节点协调、丢失节点、信道分配等问题[11]。

在多信道通信过程中，根据节点之间协商传输信道方式的不同分为：有控制信道和无控制信道方式。在有控制信道抗干扰协议中，节点在控制信道上进行协商，确定数据传输信道后，发送者和接收者同时切换到该信道进行数据传输，传输完成后返回控制信道[12]。控制信道的使用有利于控制信息交换，但网络中大量节点都会在控制信道上进行控制信息交换，也加剧了节点间在控制信道上的竞争。同时，若控制信道受到干扰，将影响整个网络的信息传递;在无控制信道抗干扰协议中，网络中节点可在任意信道上协商数据传输信道，节点分布在多个信道上进行协商，减少了通信竞争。若单一信道受到干扰，也不会影响其余节点信息的传输。但当节点处于不同信道时，节点间存在的协调、时间同步等问题会增加协议实现的复杂度[13-15]。基于以上问题，本文提出无控制信道的自适应信道切换 （non-Control Channel Adaptive Hopping Protocol， non-Ctrl CAH） 协议，该协议在自适应信道跳频（ARCH）协议基础上进行了改进，使其可以与CTP协议进行协调使用。

1 协议设计

本文提出无控制信道的自适应信道切换（non-Ctrl CAH）协议，该协议作为一种自适应协议，基于接收者实时检测的链路质量决定是否进行信道切换。采用以滑动窗口方式统计的ETX（Estimated Transmission Count）作为衡量链路质量的指标[16]。发送者发送数据包时，切换到接收者驻留的信道发送数据，接收者接收数据包并对链路质量进行评估。当ETX超过规定阈值时，接收者将从黑名单以外的信道中选择新信道，并通知所有邻居节点进行信道切换。下面分别从链路质量估计、信道选择、信道协调以及信道失调机制处理等方面对协议进行概述。

1.1 链路质量估计

链路质量估计是non-Ctrl CAH协议设计中的重要一环，通过统计数据包实时接收率作为链路质量评估的依据，该方法的优点在于可以快速、准确地检测信道干扰。链路质量的度量标准是ETX值，表示成功接收数据包所需的重传输次数。ETX值计算基于包序列号，可减少因主动探测信道质量造成的额外开销。本协议ETX值采用移动平均方式进行计算，若ETX值超过某个阈值，则预测当前信道不可靠。

1.2 信道选择

当前信道在受到干扰时，链路质量下降，节点需要更换到下一信道进行通信。为避免使用干扰严重的信道，下一信道的选择显得尤为重要。为了证明当某一信道受到干扰时，相邻信道是否受到影响，在2.1节中将对该问题进行探究。实验结果证明，相邻信道之间的干扰相关。因此，切换到相邻信道进行通信是不可行的，应避免选择在空间上与当前干扰严重信道接近的信道。同样，为避免产生较大开销，也不会采用监控所有信道的方法选择一个干扰较小的信道。本协议采用带偏移的信道切换序列与黑名单机制相结合的方式，同时为保证失调节点更容易重新同步，选取26信道作为协调信道。当接收者链路质量下降时，将当前信道放入黑名单，然后进行下一信道选择，公式如下：

式（6）中，[next_channel≠26]。协议根据当前信道与信道偏移量选择下一信道，对相邻信道干扰结果的分析表明，信道偏移量，即[channeloffset]为3时，可以有效避免干扰。然后将选择的信道与黑名单中的信道进行比较，若黑名单存在该信道，则重新选择信道;若不存在，则使用该信道作为下一选择信道。若黑名单中的信道数量大于最大可容纳数量时，则清空黑名单，以保证有充足信道可供使用。

1.3 信道协调

non-Ctrl CAH协议是对ARCH协议的改进，使其能与CTP协议协调使用。CTP协议作为一种单信道协议，其在无干扰条件下，使用单一信道具有良好的传输性能。但在强干扰环境下，CTP的传输性能严重下降。non-Ctrl CAH协议结合了ARCH协议抗干扰的优点与CTP良好的传输性能。将两种协议优点相结合的关键就是发送者与接收者之间信道的协调，不同的信道协调算法导致网络通信质量存在较大差异。信道切换算法主要分为两类：一种是整个网络中所有节点进行信道切换，另一种是网络中部分受干扰的节点进行信道切换。由于同一网络中同一信道不同节点之间的链路质量存在较大差异，采用整体信道切换的方式可能会使某些质量较好的链路进行信道切换而产生额外开销。non-Ctrl CAH协议采用部分节点进行跳频的算法，该算法基于接收者的检测链路质量选择下一信道。接收者检测到接收链路上的信道状况恶化时，会选择下一信道，并通知发送节点切换到该信道的发送数据包。该协议接收方、发送方处理流程如图1、图2所示。

当接收者检测到链路质量恶化，即ETX值超过阈值时，选择新的信道，并将新信道信息嵌入到ACK数据包中，通知发送者下一次发送数据包的信道。发送者接收到ACK数据包后，将信道信息保存在邻居表中。發送者发送数据包之前先遍历邻居表，切换到接收者信道发送数据，然后等待一段时间接收ACK，收到ACK以后跳回原信道。接收方通知邻居节点进行信道切换的方式是将下一信道信息嵌入到ACK包中，发送给子节点。该策略的优点是可以处理不同数量的子节点，缺点在于可能无法通知到所有节点，造成邻居节点失调。

1.4 信道失调处理

节点链路质量下降时，接收者通知发送者进行信道切换的消息可能会丢失，造成发送者与接收者之间的信道失调，即：接收者与发送者不在同一信道进行通信。协议分别从接收者和发送者两方面处理信道失调问题。发送方处理信道失调机制为：设N表示最大允许的重复传输次数，n表示发送方重发当前数据包的次数。若n>N，发送节点切换到协调信道重新与接收者保持同步。接收方处理信道失调机制为：设T为连续接收数据包的最大时间间隔，t为接收方接收到同一子节点发送的上一数据包后截止到目前的时间。若t>T，接收节点周期性地切换到协调信道，重新与发送者保持同步。N、T的选择应该满足[Tt（N）]，其中[t（N）]为重发N个包的时间，目的是当接收方切换到协调信道时，发送者已处于协调信道，更有利于发送者与接收者之间进行同步。接收者协调信道等待时间满足[T（wait）t（1）]，其中[T（wait）]表示接收者等待时间，[t（1）]表示发送一个数据包的时间。当接收者在协调信道的时间超出等待时间后返回原信道，进行周期性重复并统计重复协调次数，直到找到失调节点，或当重复次数超过最大重复次数时，将该节点从邻居表移除。

2 实验结果及分析

2.1 相邻信道干扰实验

以下对相邻信道的干扰是否相关进行探究。实验环境设置如下：采用网络性能测试工具iperf模拟WiFi干扰，将数据从PC机通过局域网传输到另一PC机，采用TCP协议传输数据，且数据平均传输速率为20M/s。WiFi的干扰信道是第4信道，中心频率为2427MHz。WSN的实验设置是在12～19信道各设置一组节点（一个发送者、一个接收者）。数据包速率为1个/s，8组节点同时在8个信道进行数据收发，节点及干扰源位置设置如图3所示。

使用频谱分析仪测量WiFi干扰如图4所示，结果表明，WiFi频率处于2.417-2.438GHz时，WiFi产生严重干扰。如图5所示，根据12～19信道各组节点的包接收率，由于14[～]17信道與WiFi频率重叠，受到WiFi干扰后出现大量丢包的情况，也证明了相邻信道之间的干扰相关。

2.2 多信道协议测试实验

为了评估本文协议的抗干扰性能，在实验室环境进行一系列实验，将本协议与基于控制信道的自适应信道切换协议以及固定信道协议分别在包接收率、时延、信道切换次数、功耗方面进行比较。首先，在实验室环境中对3种协议性能进行比较。在长16m、宽10m的实验室中，均匀部署30个节点，在干扰源距离网关分别为15m、7.5m、0.5m的场景中进行实验，产生干扰工具与2.1节相同。实验室节点放置方式如图6所示（干扰源距网关15m）。

本文主要采用低速率的数据传输，实验中节点以20个/min的速率传输，并启用数据包重传机制。实验中的协议均是在CTP协议基础上加以改进的，使CTP协议在强干扰环境中依然具有一定抗干扰性能。将固定信道、Ctrl CAH、non-Ctrl CAH 3种协议分别在相同环境中进行实验，分别测量各种情况下的包接收率、时延、信道切换次数以及功耗情况。如图7所示，采用Ctrl CAH、non-Ctrl CAH协议后的抗干扰性明显优于固定信道，且包接收率达到之前的95%以上，是否采用控制信道对包接收率的影响并不明显，但固定信道协议由于受到WiFi干扰，包接收率下降为之前的68%，且随着干扰源与网关距离减小，包接收率也逐渐降低。

协议时延结果如图8所示，自适应信道切换协议节点时延仅为固定信道的1/3，原因在于固定信道协议只能通过重发数据包缓解干扰;采用控制信道的时延略低于无控制信道协议，原因在于无控制信道协议在信道切换过程中需要进行信道的重新同步，导致时延增加。

当干扰源距离网关15m时，30个节点均匀分布在实验室中。节点信道切换次数可以反映节点所受干扰情况。如图9所示，non-ctrl CAH协议信道切换是基于父节点检测到某一子节点的链路质量下降时，父节点通知所有子节点进行信道切换，子节点具有相同的切换次数。如图10所示，ctrl CAH协议中，每个子节点切换次数是由各个节点决定的，不同节点信道切换次数不同。但两者都有相同趋势，即干扰源与网关中间位置的切换次数较少，当距离干扰源及网关较近时，切换次数较多。

本协议节点功耗以网关接收相同数量数据包所需传输的字节数量加以表示。实验采用20个节点，每个节点成功发送1000个数据包所需发送的字节数量表示功耗，实验结果如表1所示。在无干扰情况下，固定信道协议数据包由同步包、路由包、负载包和应答包组成，non-ctrl CAH协议所需数据包类型与固定信道协议相同，而ctrl CAH协议需要先在控制信道执行一次握手机制，再到数据信道进行负载包发送，所需数据包是前两种协议的两倍以上;在有干扰的情况下，non-ctrl CAH协议和ctrl CAH协议受到WiFi干扰后都需要重发少量数据包，而固定信道只能通过重发数据包以抵抗干扰，导致大量重发包的出现，所以采用各种协议所需传输的总字节数表示功耗情况。综合表中数据可以发现，在无干扰情况下，固定信道协议所需传输的数据包数量最少;在有干扰情况下，non-ctrl CAH协议所需传输的字节数最少，仅为ctrl CAH和固定信道协议的1/2。

3 结语

环境中的干扰具有高复杂性与动态性特点，除WiFi干扰外，还有微波干扰、蓝牙干扰等。本文提出的non-ctrl CAH协议采用低速率的数据传输，通过信道切换的方式缓解干扰。该协议具有以下特点：①non-ctrl CAH协议是基于接收者的协议，父节点根据实时ETX值的变化情况，动态选择下一信道;②具有较强的稳健性，分别引入接收方的最大等待时间和发送方的最大重传次数用于处理信道失调;③由网络中受干扰严重的节点进行信道切换，而非整个网络进行信道切换，同时将信道切换信息嵌入应答包，可以在一定程度上降低功耗。实验结果显示，与固定信道协议相比，使用自适应信道跳频机制，处于干扰环境下节点的包接收率可达到之前的95%以上，比固定信道包接收率提高了27%以上，而时延仅为固定信道协议的   1/3。non-ctrl CAH协议由接收者的通知子节点进行信道切换，而CAH协议是基于单个节点的ETX值进行跳频。在功耗方面，在有干扰的环境下，non-ctrl CAH协议功耗最低仅为ctrl CAH协议和的1/2。因此，non-ctrl CAH可以更好地应用于存在干扰的低功耗局域网中。通过本文研究，对WSNs抗干扰协议有了更深入的认识，为WiFi与WSNs共存找到了一个合适方法，下一步将对WiFi干扰具体原因作进一步研究。

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（责任编辑：黄 健）