無線通信設(shè)計(jì)秘密二：時(shí)分和頻分復(fù)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(hào)沖突的問題,即同一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)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(luò),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(fù)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(fèi)的ISM頻段可能有許多不同廠家的無線通信設(shè)備同時(shí)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(shí)分復(fù)用。

1.競爭搶占信道

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

Sensor S-MAC的通信時(shí)序如下圖所示,它和WiFi的競爭機(jī)制相似:當(dāng)節(jié)點(diǎn)1需要向節(jié)點(diǎn)2通信時(shí),它先發(fā)起同步幀和RTS幀,節(jié)點(diǎn)2回應(yīng)CTS幀,成功握手后節(jié)點(diǎn)1再發(fā)送DATA幀給節(jié)點(diǎn)2,節(jié)點(diǎn)2回復(fù)ACK確認(rèn)幀。在節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2握手的整個(gè)過程中,節(jié)點(diǎn)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(diǎn)是:算法簡單,容易實(shí)現(xiàn),同時(shí)方便擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò);缺點(diǎn)是:沖突帶來能量的損失,更多的延時(shí)和后續(xù)沖突。

2.時(shí)分復(fù)用

加州大學(xué)伯克利分校主導(dǎo)的OpenWSN是時(shí)分復(fù)用算法的代表,它的通信機(jī)制如下圖所示。首先,它將時(shí)間分成slot(時(shí)槽),同時(shí)它還引入16個(gè)頻段,如在t1時(shí)槽里A和G、E和F、H和D共3對節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信。因?yàn)橥ㄐ烹p方都是嚴(yán)格地在自己分配的slot進(jìn)行通信,從理論上講是“沒有沖突”的。

這種協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是:節(jié)省電能,最大化使用帶寬。缺點(diǎn)是:1. 所有節(jié)點(diǎn)需要精確的時(shí)鐘源,并且需要周期性校時(shí);2. 向網(wǎng)絡(luò)中添加和刪除節(jié)點(diǎn)都要有時(shí)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(shù),它最大的優(yōu)點(diǎn)是距離遠(yuǎn),同時(shí)節(jié)能電能;當(dāng)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(luò),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(bào)警等。

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

1.iDC10時(shí)分復(fù)用

當(dāng)N個(gè)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(biāo)幀,其余時(shí)間分成N個(gè)slot供iWL881A通信使用,原理如下圖所示。

時(shí)分復(fù)用有一個(gè)重要的設(shè)計(jì),即校時(shí)和防止“時(shí)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(diǎn)數(shù)目和時(shí)鐘最大漂移系數(shù)來計(jì)算slot的合理值。在校時(shí)方面,設(shè)計(jì)了“節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上傳”的秒級(jí)校時(shí),“采集器喚醒”和“信標(biāo)幀”的毫秒級(jí)校時(shí)。

2.iDC10頻分復(fù)用

iDC10和iWL881A一般工作在433和470MHz的ISM免費(fèi)頻段,一個(gè)需要特別注意點(diǎn),該頻段是公用頻段,別的廠家的無線設(shè)備也可以工作在此頻段。這樣一來,在頻率設(shè)計(jì)上需要保證2個(gè)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(diǎn)滯空時(shí)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(qiáng)干擾和長時(shí)間占用的信道。

iDC10有4個(gè)信道:3個(gè)Upstream信道和1個(gè)Downstream信道。iWL881A主動(dòng)上報(bào)給iDC10(即Upstream)的頻域圖如下:在第i輪上報(bào)時(shí),在Fj信道成功上傳;在第(i+1)輪上報(bào)時(shí),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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