陳始茂，吳超宇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

一種用于移動(dòng)無線傳感網(wǎng)的自適應(yīng)變頻抗干擾機(jī)制*

陳始茂，吳超宇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

針對(duì)特種車隊(duì)對(duì)移動(dòng)無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)變頻抗干擾機(jī)制，以提升移動(dòng)無線傳感網(wǎng)的抗干擾能力。移動(dòng)無線傳感網(wǎng)設(shè)置了8個(gè)工作頻點(diǎn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃選擇其中一個(gè)頻點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前工作頻點(diǎn)，其他頻點(diǎn)作為備用頻點(diǎn)；在網(wǎng)絡(luò)受到嚴(yán)重干擾時(shí)，該抗干擾機(jī)制啟動(dòng)備用頻點(diǎn)底噪掃描程序，從中選出信道底噪最小的備用頻點(diǎn)，并將網(wǎng)絡(luò)切換到該備用頻點(diǎn)上工作，以規(guī)避干擾。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的自適應(yīng)變頻機(jī)制達(dá)到預(yù)期的抗干擾效果。

特種車隊(duì)；移動(dòng)無線傳感網(wǎng)；抗干擾；自適應(yīng)變頻

0 引 言

目前，社會(huì)上有很多特種車隊(duì)，如消防車隊(duì)、石油運(yùn)輸車隊(duì)、各種軍警車隊(duì)等，執(zhí)行著各種各樣的特殊任務(wù)。在執(zhí)行任務(wù)過程中，車隊(duì)的指揮控制人員需要對(duì)車隊(duì)車輛的自身狀況以及任務(wù)的執(zhí)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控掌握，以確保車隊(duì)安全和任務(wù)完成。因此，特種車隊(duì)需要裝備車隊(duì)監(jiān)控信息系統(tǒng)：一方面對(duì)各車輛自身狀態(tài)信息如油料余量、故障、位置等進(jìn)行自動(dòng)采集、傳輸和匯聚，實(shí)時(shí)掌握車隊(duì)車輛的狀況；另一方面，對(duì)執(zhí)行任務(wù)的主要信息如各車輛上裝載物資的種類、數(shù)量、作業(yè)情況等進(jìn)行自動(dòng)/人工采集、傳輸和匯聚。

經(jīng)過近二十年的快速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network，WSN）技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，各種各樣的產(chǎn)品也在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，且價(jià)格低廉。因此，采用WSN技術(shù)，在通信距離、抗干擾、安全保密及環(huán)境適應(yīng)性等方面進(jìn)行改進(jìn)增強(qiáng)，滿足特種車隊(duì)的應(yīng)用需求，也是一種相對(duì)比較理想的解決方案。改進(jìn)后應(yīng)用于特種車隊(duì)的WSN，稱之為移動(dòng)無線傳感網(wǎng)（Mobile Wireless Sensor Network，MWSN）。

1 移動(dòng)無線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)

MWSN由匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 MWSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

MWSN支持星形網(wǎng)、鏈狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并支持網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化，滿足特種車隊(duì)各種應(yīng)用的需求。在MWSN中，匯聚節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與管理，并與各傳感節(jié)點(diǎn)交互數(shù)據(jù)。傳感節(jié)點(diǎn)如果一跳可達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，則直接與匯聚節(jié)點(diǎn)建立連接關(guān)系；如果一跳不可達(dá)，則與其相鄰的傳感節(jié)點(diǎn)建立連接關(guān)系，應(yīng)用數(shù)據(jù)通過相鄰傳感節(jié)點(diǎn)以多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式達(dá)到匯聚節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)開通后，匯聚節(jié)點(diǎn)和各傳感節(jié)點(diǎn)之間通過定期握手進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理。

匯聚節(jié)點(diǎn)具有綜合信息匯聚能力，接入計(jì)算機(jī)、PDA等應(yīng)用終端的能力，一般部署于車隊(duì)的指揮車。傳感節(jié)點(diǎn)具有相應(yīng)接口，接入各類傳感器并支持各類傳感信息的綜合接入、封裝與傳輸，同時(shí)具有接入計(jì)算機(jī)、PDA等應(yīng)用終端的能力，如圖2所示，一般部署于車隊(duì)的成員車輛。由于車隊(duì)車輛的自身狀態(tài)信息如油料余量、位置等信息一般都是周期性（如15 min）采集和上報(bào)，故障信息為實(shí)時(shí)上報(bào)但難得發(fā)生一次；而執(zhí)行任務(wù)信息如裝載物資種類、數(shù)量、作業(yè)情況等一般只是初始時(shí)上報(bào)及發(fā)生變化時(shí)上報(bào)。所以，MWSN大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)。

為滿足特種車隊(duì)的應(yīng)用需求，在WSN的基礎(chǔ)上，MWSN在通信距離、抗干擾、安全保密及環(huán)境適應(yīng)性等方面進(jìn)行改進(jìn)增強(qiáng)。比如，根據(jù)具體的應(yīng)用需求，適當(dāng)增加MWSN節(jié)點(diǎn)間的通信距離，以保證車輛之間的穩(wěn)定連通；增強(qiáng)MWSN的抗干擾能力，設(shè)計(jì)如采用自適應(yīng)用頻機(jī)制使MWSN在受到一定程度干擾時(shí)還能正常工作，以保證特種車隊(duì)能在不同地域執(zhí)行任務(wù)；對(duì)在MWSN中傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行適度的加密處理，如根據(jù)應(yīng)用需要采用不同等級(jí)甚至是軍用等級(jí)的加密算法對(duì)信息進(jìn)行加密，以防信息被截獲破解；采取措施增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力[1]如實(shí)行傳感節(jié)點(diǎn)身份預(yù)先登記注冊(cè)、傳感節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間實(shí)行雙向身份鑒權(quán)等；增強(qiáng)復(fù)雜地形的適應(yīng)能力，如選用較低的工作頻段、采用自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)等。

圖2 傳感節(jié)點(diǎn)綜合接入各類信息

2 自適應(yīng)變頻機(jī)制

當(dāng)MWSN受到干擾導(dǎo)致通信能力下降時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)降低無線信號(hào)的帶寬和傳輸速率，提高靈敏度，以提升通信能力。當(dāng)采取上述措施后仍不能滿足通信需求時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)變更工作頻點(diǎn)（簡(jiǎn)稱變頻）程序，將系統(tǒng)工作頻點(diǎn)更改到無干擾或者干擾相對(duì)較弱的頻點(diǎn)，保證系統(tǒng)正常通信和信息傳輸?shù)腝oS。系統(tǒng)有兩種變頻方式：人工變頻和自動(dòng)變頻。人工變頻優(yōu)先級(jí)最高，無人工干預(yù)時(shí)采用自動(dòng)變頻方式。結(jié)合MWSN的任務(wù)使命和技術(shù)體制，本文設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)變頻機(jī)制，通過自適應(yīng)變頻來達(dá)到規(guī)避干擾的效果。

2.1 工作原理

MWSN的物理層參考GB/T 15629.15-2010《信息技術(shù) 系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換 局域網(wǎng)和城域網(wǎng) 特定要求 第15.4部分：低速無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）媒體訪問控制和物理層規(guī)范》[2]定義的物理層進(jìn)行設(shè)計(jì)。GB/T 15629.15-2010提供了多個(gè)物理層定義，工作在不同的頻段：314～316 MHz、430～434 MHz、779～787 MHz等。MWSN可以根據(jù)具體的應(yīng)用要求，選用工作頻段。MWSN設(shè)置8個(gè)工作頻點(diǎn)（即8個(gè)工作信道），每個(gè)工作信道分配一個(gè)信道號(hào)，可根據(jù)車隊(duì)工作的電磁環(huán)境人工/自動(dòng)選擇。

MWSN匯聚節(jié)點(diǎn)開機(jī)后，工作在預(yù)先規(guī)劃的信道上，按工作流程進(jìn)行信標(biāo)廣播和組網(wǎng)；傳感節(jié)點(diǎn)開機(jī)后，也工作在預(yù)先規(guī)劃的信道上，接收到本網(wǎng)絡(luò)的信標(biāo)后，按照入網(wǎng)流程加入網(wǎng)絡(luò)。

MWSN匯聚節(jié)點(diǎn)具有接收信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）[3]檢測(cè)功能。工作期間，它周期性對(duì)工作信道的信號(hào)電平進(jìn)行偵聽檢測(cè)，對(duì)信道底噪進(jìn)行掃描。MWSN匯聚節(jié)點(diǎn)在任何情況下采集到的RSSI值均為有效采樣值。RSSI值與接收到信號(hào)信息中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符組合使用。如果接收到的信號(hào)信息能被解析出來且信號(hào)中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符為本網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)時(shí)，則判定為本網(wǎng)絡(luò)正常工作的信號(hào)，RSSI值用于判斷匯聚節(jié)點(diǎn)接收工作信號(hào)的強(qiáng)度情況，稱之為“工作信號(hào)RSSI”；如果接收到的信號(hào)無法解析出來或能被解析出來但信號(hào)中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符為非本網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)（其他車隊(duì)的MWSN）時(shí)，則作為為底噪信號(hào)，用于評(píng)估本信道受到干擾的情況。

在MWSN運(yùn)行過程中，因受到外界惡意干擾或其他系統(tǒng)/設(shè)備使用相同工作頻點(diǎn)而導(dǎo)致MWSN工作信道底噪較高，導(dǎo)致MWSN的信息傳輸成功率嚴(yán)重下降甚至不能正常組網(wǎng)工作時(shí)，系統(tǒng)將采取變頻措施以規(guī)避干擾。

MWSN自適應(yīng)變頻機(jī)制工作原理與流程如圖3所示。

圖3 變頻機(jī)制工作原理與流程

2.2 變頻判決

MWSN在運(yùn)行過程中，根據(jù)以下幾個(gè)條件按順序判斷是否啟動(dòng)變頻程序：

（1）工作信道底噪：判決門限為-82 dBm。

（2）工作信號(hào)RSSI：判決門限為-75 dBm。

（3）信息發(fā)送成功率：判決門限為50%。

（4）變頻次數(shù)：判決門限為10分鐘內(nèi)不超過3次。

關(guān)于上述判決條件的說明：

（1）關(guān)于工作信道底噪門限：通過仿真計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)，當(dāng)工作信道底噪大于-82 dBm時(shí)，會(huì)對(duì)MWSN造成嚴(yán)重干擾，匯聚節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送成功率小于50%的概率為81.7%（≥80%），可判定工作信道受到嚴(yán)重干擾。因此，設(shè)定判決門限為-82 dBm。

（2）關(guān)于工作信號(hào)RSSI門限：根據(jù)Okumura-Hata無線傳輸空間鏈路模型[4]，在中等起伏地形環(huán)境下，MWSN節(jié)點(diǎn)間通信距離達(dá)到2 000 m時(shí)，工作信號(hào)強(qiáng)度會(huì)衰落到-80 dBm左右。綜合考慮其他因素，預(yù)留一定的冗余度，因此設(shè)定工作信號(hào)RSSI的判決門限為-75 dBm。

（3）關(guān)于信息發(fā)送成功率門限：小于50%被認(rèn)為不可接受，因此設(shè)定判決門限為50%。

（4）關(guān)于變頻次數(shù)門限：10分鐘內(nèi)不超過3次，目的是防止由于變頻過于頻繁而導(dǎo)致MWSN劇烈抖動(dòng)，甚至短暫癱瘓。

下面分三種情況分析是否啟動(dòng)變頻程序。

（1）匯聚節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到當(dāng)前工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信號(hào)RSSI值小于-75 dBm時(shí)，判定匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感節(jié)點(diǎn)之間超過了正常通信距離，而并非受到了干擾，因此不作變頻操作。

（2）匯聚節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到當(dāng)前工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信號(hào)RSSI值不小于-75 dBm時(shí)，對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模（即網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量），設(shè)置不同的統(tǒng)計(jì)周期（發(fā)送包數(shù)），再根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)包的成功率來判斷匯聚節(jié)點(diǎn)工作信道的質(zhì)量，并以此作為變頻判決依據(jù)，如表1所示。

①信息發(fā)送成功率不小于70%時(shí)，不啟動(dòng)變頻程序；

②信息發(fā)送成功率在50%～70%之間時(shí)，啟動(dòng)備用信道底噪掃描程序，周期性（如10 s）對(duì)其他7個(gè)備用信道進(jìn)行信道底噪掃描，并保存各備用信道的底噪掃描結(jié)果；掃描6次以上后，不斷統(tǒng)計(jì)各備用信道的底噪平均值，從中選出底噪平均值最小的備用信道作為變頻的目標(biāo)信道，但不啟動(dòng)變頻程序；

③信息發(fā)送成功率小于50%，且連續(xù)3個(gè)統(tǒng)計(jì)周期的信息發(fā)送成功率均小于50%時(shí)，啟動(dòng)變頻程序，MWSN切換到變頻目標(biāo)信道上工作。但是，為了防止網(wǎng)絡(luò)劇烈抖動(dòng)，如果最近10 min內(nèi)已經(jīng)過3次變頻，即使信息發(fā)送成功率小于50%，也暫停啟動(dòng)變頻程序；間隔5 min后，如果信息發(fā)送成功率仍然小于50%，則再啟動(dòng)變頻程序。

（3）匯聚節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到當(dāng)前工作信道的底噪大于-82 dBm，且連續(xù)6個(gè)RSSI采樣周期獲得的底噪均大于-82 dBm，則判定工作信道受到嚴(yán)重干擾，啟動(dòng)變頻程序。但是，如果最近10 min內(nèi)已經(jīng)過3次變頻，則暫停啟動(dòng)變頻程序，間隔5 min后再啟動(dòng)變頻程序。

2.3 變頻操作

根據(jù)設(shè)定的自動(dòng)變頻條件，一旦受干擾程度達(dá)到自動(dòng)變頻的條件，匯聚節(jié)點(diǎn)就會(huì)啟動(dòng)變頻程序：

（1）匯聚節(jié)點(diǎn)向傳感節(jié)點(diǎn)廣播變頻通知消息，重復(fù)3次，變頻通知消息中包含變頻的目標(biāo)信道（頻點(diǎn)）信息。

（2）匯聚節(jié)點(diǎn)將工作信道變更至目標(biāo)信道，并在新的工作信道上周期性廣播本網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，正常組網(wǎng)和運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)。

（3）傳感節(jié)點(diǎn)收到變頻通知消息后，也將工作信道變更至目標(biāo)信道，并重新發(fā)起入網(wǎng)流程加入網(wǎng)絡(luò)；個(gè)別傳感節(jié)點(diǎn)由于干擾或其他原因而沒有接收到變頻通知消息，則在原工作信道等待5個(gè)信標(biāo)周期，如果還沒有收到本網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，則再切換到其他信道逐個(gè)守候信標(biāo)。每個(gè)信道等待5個(gè)信標(biāo)周期，一旦收到本網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，則立即重新發(fā)起入網(wǎng)流程加入網(wǎng)絡(luò)。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于MWSN，工作頻段選擇779～787 MHz，對(duì)自適應(yīng)用頻機(jī)制進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和裝車野外拉距試驗(yàn)。裝車野外拉距試驗(yàn)又選取了城市街區(qū)、鄉(xiāng)村和開闊地域三種典型應(yīng)用環(huán)境。試驗(yàn)方案如圖4所示，模擬干擾源1工作在MWSN當(dāng)前工作頻點(diǎn)，對(duì)MWSN直接實(shí)施干擾，而模擬干擾源2則工作在其他7個(gè)備用頻點(diǎn)之一，作為備用信道的底噪，分別模擬以下場(chǎng)景進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證：

（1）工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信號(hào)RSSI值小于-75 dBm。

（2）工作信道底噪不大于-82 dBm，且工作信號(hào)RSSI值不小于-75 dBm：

①信息發(fā)送成功率不小于70%；（通過調(diào)整底噪、工作信號(hào)RSSI值實(shí)現(xiàn)）

②信息發(fā)送成功率在50%～70%；（通過調(diào)整底噪、工作信號(hào)RSSI值實(shí)現(xiàn)）

③信息發(fā)送成功率小于50%。（通過調(diào)整底噪、工作信號(hào)RSSI值實(shí)現(xiàn)）

（3）工作信道底噪大于-82 dBm，且連續(xù)6個(gè)RSSI采樣周期獲得的底噪均大于-82 dBm。

（4）10分鐘內(nèi)變頻次數(shù)已達(dá)到3次。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

圖4 自適應(yīng)變頻機(jī)制試驗(yàn)方案

3 結(jié) 語

通過以上設(shè)計(jì)和驗(yàn)證可以看到，自適應(yīng)變頻機(jī)制可以根據(jù)電磁環(huán)境，自動(dòng)變更MWSN的工作頻點(diǎn)以規(guī)避干擾，使得MWSN具有一定的抗干擾能力，提升了MWSN對(duì)特種車隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的保障能力。但是，這種單純通過變頻來規(guī)避干擾的方法的抗干擾能力還不夠強(qiáng)，極端情況下一旦預(yù)設(shè)的所有頻點(diǎn)均受到干擾，將導(dǎo)致MWSN的通信能力嚴(yán)重下降甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，要使MWSN具有更強(qiáng)的抗干擾能力，需要進(jìn)一步探索效果更好的、適合MWSN應(yīng)用的抗干擾機(jī)制或者多種抗干擾機(jī)制組合應(yīng)用。

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陳始茂（1974—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)；

吳超宇（1978—），男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)。

Anti-interference Mechanism based on Self-adaptive Frequency Change in Mobile Wireless Sensor Network

CHEN Shi-mao, WU Chao-yu

（No.7 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Guangzhou Guangdong 510310,China）

In accordance with the application requirements of mobile wireless sensor network for special motorcade, an anti-interference mechanism based on self-adaptive frequency change is designed to improve the anti-interference ability of mobile wireless sensor network. The mobile wireless sensor network has eight working frequency points. According to the network planning，the mobile wireless sensor network works at one of the frequency points，and the other frequency points serve as the backup options. When suffering severe electromagnetic interference，the mobile wireless sensor network starts a program to scan channel noise of spare frequency points，and choose the frequency point with minimum channel noise, and then changes its working frequency point to the frequency point with minimum channel noise, thus to avoid the electromagnetic interference.Experiments indicates that the design can satisfy the anti-interference requirements of the mobile wireless sensor network.

special motorcade; mobile wireless sensor network; anti-interference; self-adaptive frequency change

TP212.9

A

1002-0802(2016)-07-0950-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.028

2016-03-18;

2016-06-20 Received date:2016-03-18;Revised date:2016-06-20