無線通信設計秘密二：時分和頻分復用

2017-06-20  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

我們知道,MAC層協(xié)議在無線通信中處于特別重要的地位:首先它要解決信號沖突的問題,即同一個時刻只能有一個發(fā)送者;其次,它要盡可能地節(jié)省電能,尤其是用電池供電的微功率無線網(wǎng)絡,電能往往意味著“生命”;最后,它還要保證通信的健壯和穩(wěn)定性,抵抗來自:復雜的通信環(huán)境(阻礙物,樹木,走去的人群等)和同頻干擾(在免費的ISM頻段可能有許多不同廠家的無線通信設備同時工作)的挑戰(zhàn)。

無線MAC協(xié)議有許多種,從解決“發(fā)送沖突”的角度來看,大抵分成2種:競爭搶占信道和時分復用。

1.競爭搶占信道

最常見的WiFi就是這種機制的代表,如下圖所示,一個WiFi路由器承載多個無線節(jié)點,這些無線節(jié)點都“競爭上崗”。

Sensor S-MAC的通信時序如下圖所示,它和WiFi的競爭機制相似:當節(jié)點1需要向節(jié)點2通信時,它先發(fā)起同步幀和RTS幀,節(jié)點2回應CTS幀,成功握手后節(jié)點1再發(fā)送DATA幀給節(jié)點2,節(jié)點2回復ACK確認幀。在節(jié)點1和節(jié)點2握手的整個過程中,節(jié)點3都偵聽到了RTS和CTS,它一直“保持沉默”,防止發(fā)送沖突。

競爭信道的優(yōu)點是:算法簡單,容易實現(xiàn),同時方便擴展網(wǎng)絡;缺點是:沖突帶來能量的損失,更多的延時和后續(xù)沖突。

2.時分復用

加州大學伯克利分校主導的OpenWSN是時分復用算法的代表,它的通信機制如下圖所示。首先,它將時間分成slot(時槽),同時它還引入16個頻段,如在t1時槽里A和G、E和F、H和D共3對節(jié)點同時通信。因為通信雙方都是嚴格地在自己分配的slot進行通信,從理論上講是“沒有沖突”的。

這種協(xié)議的優(yōu)點是:節(jié)省電能,最大化使用帶寬。缺點是:1. 所有節(jié)點需要精確的時鐘源,并且需要周期性校時;2. 向網(wǎng)絡中添加和刪除節(jié)點都要有時隙分配和回收算法。

LoRa(Long Rang)無線通信協(xié)議是一種長距離的無線通信技術,它最大的優(yōu)點是距離遠,同時節(jié)能電能;當然,它也有不足的地方,那就是傳輸速率慢。它最適合無線傳感器網(wǎng)絡,比如在戶外或跨樓宇(多樓層)采集:用水、用電、溫濕度、一氧化碳、煙霧報警等。

鑒于LoRa的長距離和低速率,銳米通信設計了iDC10(DataConcentrator)數(shù)據(jù)采集器,它基于星型組網(wǎng),這樣節(jié)點與采集器“單跳”通信,節(jié)省電能;基于時分復用算法,沒有發(fā)送沖突,達到較好的帶寬使用率;基于頻分復用算法,抵抗外部干擾和多徑衰退。

1.iDC10時分復用

當N個iWL881A與iDC10通信,iDC10先保留一部分slot,用于下發(fā)通信和發(fā)送信標幀,其余時間分成N個slot供iWL881A通信使用,原理如下圖所示。

時分復用有一個重要的設計,即校時和防止“時鐘漂移”帶來的沖突。銳米通信巧妙地使用了“安全距離”算法,它根據(jù)節(jié)點數(shù)目和時鐘最大漂移系數(shù)來計算slot的合理值。在校時方面,設計了“節(jié)點主動上傳”的秒級校時,“采集器喚醒”和“信標幀”的毫秒級校時。

2.iDC10頻分復用

iDC10和iWL881A一般工作在433和470MHz的ISM免費頻段,一個需要特別注意點,該頻段是公用頻段,別的廠家的無線設備也可以工作在此頻段。這樣一來,在頻率設計上需要保證2個原則:

1. 不要干擾別人通信:盡可能快地單次發(fā)送“短”數(shù)據(jù)幀,對于較長的數(shù)據(jù)幀可以使用FHSS(FrequencyHopping Spread Spectrum)減少單頻點滯空時間。

2. 不被別人干擾通信:增加跳頻和AFH(Adaptive FrequencyHopping)算法,智能避開被強干擾和長時間占用的信道。

iDC10有4個信道:3個Upstream信道和1個Downstream信道。iWL881A主動上報給iDC10(即Upstream)的頻域圖如下:在第i輪上報時,在Fj信道成功上傳;在第(i+1)輪上報時,優(yōu)先使用Fj信道,如果失敗,則遍歷嘗試其它信道。

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