無線通信設計秘密之跳頻技術

2017-06-20  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

無線通信的健壯性來自2方面的挑戰: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,還有無繩電話、微波爐等,這樣一來需要避免同頻干擾。

多徑衰退

在實際通信環境中,墻壁、門、走動的人群、樹木和建筑物都可能造成無線信號的反射。如下圖所示,除直線路徑Pd外,還會疊加其他反射路徑(Pm1和Pm2)的信號,這些混合信號可能會使接收設備無法解碼,這稱之為多徑衰退。

多徑衰退是一個較復雜的問題,因為分析它的全部影響因素幾乎是不可能的。下圖是一個典型的實驗:在X軸長20cm、Y軸長35cm分別安裝一個接收器和發射器,每次移動其中一個設備1cm,統計通信成功率。

從上述結果可知,同頻率下那怕僅移動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的好處。

跳頻通信

解決“外部干擾”和“多徑衰退”的技術是“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,因為使用跳頻技術,可以避開干擾信道繼續通信。

1. ZigBee

2.4G的zigbee總共可以使用16個信道,頻率從2405MHZ到2480MHZ,zigbee通常使用一個固定的信道(頻率不變)。zigbee如果受到其他2.4G信號(藍牙、WIFI等)的干擾,會自動選擇另外一個干擾少的信道來使用。

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

信標模式當中規定了一種“超幀”的格式,在超幀的開始發送信標幀,里面含有一些時序以及網絡的信息,緊接著是競爭接入時期,在這段時間內各節點以競爭方式接入信道,再后面是非競爭接入時期,節點采用時分復用的方式接入信道,然后是非活躍時期,節點進入休眠狀態,等待下一個超幀周期開始又發送信標幀。

非信標模式比較靈活,節點均以競爭方式接入信道,不需要周期性的發送信標幀。

顯然,在信標模式當中由于有了周期性的信標,整個網絡的所有節點都能進行同步,但這種同步網絡的規模不會很大。實際上,在ZigBee當中用得更多的可能是非信標模式。

2.Bluetooth

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

AFH頻率自適應控制是在跳頻通信過程中,拒絕使用那些曾經用過但是傳輸不成功的頻點,使跳頻通信在無干擾的可使用的頻點上進行,從而大大提高跳頻通信中接收信號的質量。

Bluetooth采用跳頻擴頻(FHSS)技術,使用79個信道,每個信道占用1MHz,信號不斷以1600Hz的速率在79個調頻點間隨機跳躍,藍牙信號實際上占用79MHz頻帶。

3. WiFi

WiFi使用DSSS,每信道帶寬為22MHz,采用隨機退避的方式,爭搶使用信道。

4. GSM

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

5. CDMA

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

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。每個數據幀在發送時隙使用不同的頻率,其頻率計算公式如下:

Frequency = (ASN + channelsOffset) % 16

ASN(Absolute Slot Number)即絕對時隙序號,每個時隙加一,所有節點共享。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(因為ASN加一)。

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

OpenWSN的一個典型通信圖如下,左邊是時隙與頻率矩陣,右邊是網絡拓撲。

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