無線通信設(shè)計(jì)秘密之跳頻技術(shù)

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

一

使用無線跳頻技術(shù)的意義

無線通信的健壯性來自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,還有無繩電話、微波爐等,這樣一來需要避免同頻干擾。

無線通信設(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、走動(dòng)的人群、樹木和建筑物都可能造成無線信號(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)雜的問題,因?yàn)榉治鏊娜坑绊懸蛩貛缀跏遣豢赡艿摹Ｏ聢D是一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn):在X軸長20cm、Y軸長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),可以避開干擾信道繼續(xù)通信。

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二

常見無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程中,拒絕使用那些曾經(jīng)用過但是傳輸不成功的頻點(diǎn),使跳頻通信在無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。

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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