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无线通信设计秘密二:时分和频分复用


一.二大MAC层协议


我们知道,MAC层协议在无线通信中处于特别重要的地位:首先它要解决信号冲突的问题,即同一个时刻只能有一个发送者;其次,它要尽可能地节省电能,尤其是用电池供电的微功率无线网络,电能往往意味着“生命”;最后,它还要保证通信的健壮和稳定性,抵抗来自:复杂的通信环境(阻碍物,树木,走去的人群等)和同频干扰(在免费的ISM频段可能有许多不同厂家的无线通信设备同时工作)的挑战。
 

无线MAC协议有许多种,从解决“发送冲突”的角度来看,大抵分成2种:竞争抢占信道和时分复用。
 

1.竞争抢占信道


最常见的WiFi就是这种机制的代表,如下图所示,一个WiFi路由器承载多个无线节点,这些无线节点都“竞争上岗”。
 

Sensor S-MAC的通信时序如下图所示,它和WiFi的竞争机制相似:当节点1需要向节点2通信时,它先发起同步帧和RTS帧,节点2回应CTS帧,成功握手后节点1再发送DATA帧给节点2,节点2回复ACK确认帧。在节点1和节点2握手的整个过程中,节点3都侦听到了RTS和CTS,它一直“保持沉默”,防止发送冲突。
 

竞争信道的优点是:算法简单,容易实现,同时方便扩展网络;缺点是:冲突带来能量的损失,更多的延时和后续冲突。


2.时分复用


加州大学伯克利分校主导的OpenWSN是时分复用算法的代表,它的通信机制如下图所示。首先,它将时间分成slot(时槽),同时它还引入16个频段,如在t1时槽里A和G、E和F、H和D共3对节点同时通信。因为通信双方都是严格地在自己分配的slot进行通信,从理论上讲是“没有冲突”的。
 


这种协议的优点是:节省电能,最大化使用带宽。缺点是:1. 所有节点需要精确的时钟源,并且需要周期性校时;2. 向网络中添加和删除节点都要有时隙分配和回收算法。
 

二.一种优异的LoRaMAC层设计


LoRa(Long Rang)无线通信协议是一种长距离的无线通信技术,它最大的优点是距离远,同时节能电能;当然,它也有不足的地方,那就是传输速率慢。它最适合无线传感器网络,比如在户外或跨楼宇(多楼层)采集:用水、用电、温湿度、一氧化碳、烟雾报警等。


鉴于LoRa的长距离和低速率,锐米通信设计了iDC10(DataConcentrator)数据采集器,它基于星型组网,这样节点与采集器“单跳”通信,节省电能;基于时分复用算法,没有发送冲突,达到较好的带宽使用率;基于频分复用算法,抵抗外部干扰和多径衰退。


1.iDC10时分复用


当N个iWL881A与iDC10通信,iDC10先保留一部分slot,用于下发通信和发送信标帧,其余时间分成N个slot供iWL881A通信使用,原理如下图所示。
 


时分复用有一个重要的设计,即校时和防止“时钟漂移”带来的冲突。锐米通信巧妙地使用了“安全距离”算法,它根据节点数目和时钟最大漂移系数来计算slot的合理值。在校时方面,设计了“节点主动上传”的秒级校时,“采集器唤醒”和“信标帧”的毫秒级校时。


2.iDC10频分复用


iDC10和iWL881A一般工作在433和470MHz的ISM免费频段,一个需要特别注意点,该频段是公用频段,别的厂家的无线设备也可以工作在此频段。这样一来,在频率设计上需要保证2个原则:
 

1. 不要干扰别人通信:尽可能快地单次发送“短”数据帧,对于较长的数据帧可以使用FHSS(FrequencyHopping Spread Spectrum)减少单频点滞空时间。
 

2. 不被别人干扰通信:增加跳频和AFH(Adaptive FrequencyHopping)算法,智能避开被强干扰和长时间占用的信道。
 

iDC10有4个信道:3个Upstream信道和1个Downstream信道。iWL881A主动上报给iDC10(即Upstream)的频域图如下:在第i轮上报时,在Fj信道成功上传;在第(i+1)轮上报时,优先使用Fj信道,如果失败,则遍历尝试其它信道。
 

 

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