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无线通信设计秘密一:跳频技术


一、使用无线跳频技术的意义


无线通信的健壮性来自2方面的挑战:外部干扰和多径衰退。
 

外部干扰
 

在ISM公用频段,频率是十分宝贵的资源。如下图所示,2.4GHz的频段有WiFi、Bluetooth和ZigBee,还有无绳电话、微波炉等,这样一来需要避免同频干扰。


多径衰退


在实际通信环境中,墙壁、门、走动的人群、树木和建筑物都可能造成无线信号的反射。如下图所示,除直线路径Pd外,还会叠加其他反射路径(Pm1和Pm2)的信号,这些混合信号可能会使接收设备无法解码,这称之为多径衰退。
 


多径衰退是一个较复杂的问题,因为分析它的全部影响因素几乎是不可能的。下图是一个典型的实验:在X轴长20cm、Y轴长35cm分别安装一个接收器和发射器,每次移动其中一个设备1cm,统计通信成功率。
 


 


从上述结果可知,同频率下那怕仅移动1cm,多径衰退都可能引起通信成功率从100%骤降到0%;而同一位置在更换频率后,通信成功率也可能从0%改善到100%,这就是跳频通信带来的好处。
 

跳频通信
 

解决“外部干扰”和“多径衰退”的技术是“跳频通信”,其含义是,每次通信都更换频率。如下图所示,在fb.17~fb.20有噪声干扰,因为使用跳频技术,可以避开干扰信道继续通信。
 


 

二、常见无线通信中抗干扰方法


1. ZigBee


2.4G的zigbee总共可以使用16个信道,频率从2405MHZ到2480MHZ,zigbee通常使用一个固定的信道(频率不变)。zigbee如果受到其他2.4G信号(蓝牙、WIFI等)的干扰,会自动选择另外一个干扰少的信道来使用。
 

ZigBee支持两种信道接入模式,一种是信标(beacon)模式,一种是非信标模式。
 

信标模式当中规定了一种“超帧”的格式,在超帧的开始发送信标帧,里面含有一些时序以及网络的信息,紧接着是竞争接入时期,在这段时间内各节点以竞争方式接入信道,再后面是非竞争接入时期,节点采用时分复用的方式接入信道,然后是非活跃时期,节点进入休眠状态,等待下一个超帧周期开始又发送信标帧。

非信标模式比较灵活,节点均以竞争方式接入信道,不需要周期性的发送信标帧。
 

显然,在信标模式当中由于有了周期性的信标,整个网络的所有节点都能进行同步,但这种同步网络的规模不会很大。实际上,在ZigBee当中用得更多的可能是非信标模式。
 

2.Bluetooth


蓝牙采用了AFH(Adaptive Frequency Hopping),LBT(Listen Before Talk)、功率控制等一系列独特的措施克服干扰,避免冲突。
 

AFH频率自适应控制是在跳频通信过程中,拒绝使用那些曾经用过但是传输不成功的频点,使跳频通信在无干扰的可使用的频点上进行,从而大大提高跳频通信中接收信号的质量。
 

Bluetooth采用跳频扩频(FHSS)技术,使用79个信道,每个信道占用1MHz,信号不断以1600Hz的速率在79个调频点间随机跳跃,蓝牙信号实际上占用79MHz频带。
 

3. WiFi


WiFi使用DSSS,每信道带宽为22MHz,采用随机退避的方式,争抢使用信道。
 

4. GSM


GSM的空中接口采用时分多址技术。GSM是基于窄带TDMA制式,允许在一个射频同时进行8组通话。目前GSM所采用的跳频方式,其特点是在每个突发脉冲间隔改变一个信道的使用频率,但在传输一个完整的突发脉冲期间频率保持不变,其跳频约为217跳/s,间隔为每个TDMA帧长4.615ms。
 

5. CDMA


CDMA系统是基于码分技术(扩频技术)和多址技术的通信系统,系统为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性,从而在时间、空间和频率上都可以重叠。打个比方,将带宽想像成一个大房子,所有的人将进入惟一的大房子。如果他们使用完全不同的语言,他们就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰。
 

三、OpenWSN的跳频算法


OpenWSN为提高通信可靠性,避免“外部干扰”和“多径衰退”,使用16信道的跳频技术。每个数据帧在发送时隙使用不同的频率,其频率计算公式如下:

Frequency = (ASN + channelsOffset) % 16
 

ASN(Absolute Slot Number)即绝对时隙序号,每个时隙加一,所有节点共享。它的作用是,保证一帧失败后,下一帧的重传使用不同的频率(因为ASN加一)。

channelsOffset是通信双方“约会”信道(如:A和B约定用12,D和F约定用7…)。每100个时隙后,通信双方需要重新申请channelsOffset。

 

OpenWSN的一个典型通信图如下,左边是时隙与频率矩阵,右边是网络拓扑。
 

 

 

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