無(wú)線通信設(shè)計(jì)秘密之跳頻技術(shù)

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

一

使用無(wú)線跳頻技術(shù)的意義

無(wú)線通信的健壯性來(lái)自2方面的挑戰(zhàn):外部干擾和多徑衰退。

外部干擾

在ISM公用頻段,頻率是十分寶貴的資源。如下圖所示,2.4GHz的頻段有WiFi、Bluetooth和ZigBee,還有無(wú)繩電話、微波爐等,這樣一來(lái)需要避免同頻干擾。

無(wú)線通信設(shè)計(jì)秘密之跳頻技術(shù)ansysem技術(shù)圖片1

多徑衰退

在實(shí)際通信環(huán)境中,墻壁、門(mén)、走動(dòng)的人群、樹(shù)木和建筑物都可能造成無(wú)線信號(hào)的反射。如下圖所示,除直線路徑Pd外,還會(huì)疊加其他反射路徑(Pm1和Pm2)的信號(hào),這些混合信號(hào)可能會(huì)使接收設(shè)備無(wú)法解碼,這稱之為多徑衰退。

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多徑衰退是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題,因?yàn)榉治鏊娜坑绊懸蛩貛缀跏遣豢赡艿?。下圖是一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn):在X軸長(zhǎng)20cm、Y軸長(zhǎng)35cm分別安裝一個(gè)接收器和發(fā)射器,每次移動(dòng)其中一個(gè)設(shè)備1cm,統(tǒng)計(jì)通信成功率。

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從上述結(jié)果可知,同頻率下那怕僅移動(dòng)1cm,多徑衰退都可能引起通信成功率從100%驟降到0%;而同一位置在更換頻率后,通信成功率也可能從0%改善到100%,這就是跳頻通信帶來(lái)的好處。

跳頻通信

解決“外部干擾”和“多徑衰退”的技術(shù)是“跳頻通信”,其含義是,每次通信都更換頻率。如下圖所示,在fb.17~fb.20有噪聲干擾,因?yàn)槭褂锰l技術(shù),可以避開(kāi)干擾信道繼續(xù)通信。

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二

常見(jiàn)無(wú)線通信中抗干擾方法

1. ZigBee

2.4G的zigbee總共可以使用16個(gè)信道,頻率從2405MHZ到2480MHZ,zigbee通常使用一個(gè)固定的信道(頻率不變)。zigbee如果受到其他2.4G信號(hào)(藍(lán)牙、WIFI等)的干擾,會(huì)自動(dòng)選擇另外一個(gè)干擾少的信道來(lái)使用。

ZigBee支持兩種信道接入模式,一種是信標(biāo)(beacon)模式,一種是非信標(biāo)模式。

信標(biāo)模式當(dāng)中規(guī)定了一種“超幀”的格式,在超幀的開(kāi)始發(fā)送信標(biāo)幀,里面含有一些時(shí)序以及網(wǎng)絡(luò)的信息,緊接著是競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期,在這段時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)以競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道,再后面是非競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期,節(jié)點(diǎn)采用時(shí)分復(fù)用的方式接入信道,然后是非活躍時(shí)期,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài),等待下一個(gè)超幀周期開(kāi)始又發(fā)送信標(biāo)幀。

非信標(biāo)模式比較靈活,節(jié)點(diǎn)均以競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道,不需要周期性的發(fā)送信標(biāo)幀。

顯然,在信標(biāo)模式當(dāng)中由于有了周期性的信標(biāo),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都能進(jìn)行同步,但這種同步網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不會(huì)很大。實(shí)際上,在ZigBee當(dāng)中用得更多的可能是非信標(biāo)模式。

2.Bluetooth

藍(lán)牙采用了AFH(Adaptive Frequency Hopping),LBT(Listen Before Talk)、功率控制等一系列獨(dú)特的措施克服干擾,避免沖突。

AFH頻率自適應(yīng)控制是在跳頻通信過(guò)程中,拒絕使用那些曾經(jīng)用過(guò)但是傳輸不成功的頻點(diǎn),使跳頻通信在無(wú)干擾的可使用的頻點(diǎn)上進(jìn)行,從而大大提高跳頻通信中接收信號(hào)的質(zhì)量。

Bluetooth采用跳頻擴(kuò)頻(FHSS)技術(shù),使用79個(gè)信道,每個(gè)信道占用1MHz,信號(hào)不斷以1600Hz的速率在79個(gè)調(diào)頻點(diǎn)間隨機(jī)跳躍,藍(lán)牙信號(hào)實(shí)際上占用79MHz頻帶。

3. WiFi

WiFi使用DSSS,每信道帶寬為22MHz,采用隨機(jī)退避的方式,爭(zhēng)搶使用信道。

4. GSM

GSM的空中接口采用時(shí)分多址技術(shù)。GSM是基于窄帶TDMA制式,允許在一個(gè)射頻同時(shí)進(jìn)行8組通話。目前GSM所采用的跳頻方式,其特點(diǎn)是在每個(gè)突發(fā)脈沖間隔改變一個(gè)信道的使用頻率,但在傳輸一個(gè)完整的突發(fā)脈沖期間頻率保持不變,其跳頻約為217跳/s,間隔為每個(gè)TDMA幀長(zhǎng)4.615ms。

5. CDMA

CDMA系統(tǒng)是基于碼分技術(shù)(擴(kuò)頻技術(shù))和多址技術(shù)的通信系統(tǒng),系統(tǒng)為每個(gè)用戶分配各自特定地址碼。地址碼之間具有相互準(zhǔn)正交性,從而在時(shí)間、空間和頻率上都可以重疊。打個(gè)比方,將帶寬想像成一個(gè)大房子,所有的人將進(jìn)入惟一的大房子。如果他們使用完全不同的語(yǔ)言,他們就可以清楚地聽(tīng)到同伴的聲音而只受到一些來(lái)自別人談話的干擾。

三

OpenWSN的跳頻算法

OpenWSN為提高通信可靠性,避免“外部干擾”和“多徑衰退”,使用16信道的跳頻技術(shù)。每個(gè)數(shù)據(jù)幀在發(fā)送時(shí)隙使用不同的頻率,其頻率計(jì)算公式如下:

Frequency = (ASN + channelsOffset) % 16

ASN(Absolute Slot Number)即絕對(duì)時(shí)隙序號(hào),每個(gè)時(shí)隙加一,所有節(jié)點(diǎn)共享。它的作用是,保證一幀失敗后,下一幀的重傳使用不同的頻率(因?yàn)锳SN加一)。

channelsOffset是通信雙方“約會(huì)”信道(如:A和B約定用12,D和F約定用7…)。每100個(gè)時(shí)隙后,通信雙方需要重新申請(qǐng)channelsOffset。

OpenWSN的一個(gè)典型通信圖如下,左邊是時(shí)隙與頻率矩陣,右邊是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?br />

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