徐曉冰，夏 吉，李奇越，孫 偉，羅國(guó)軍

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 引言

隨著人們對(duì)無(wú)線服務(wù)需求的增加，WiFi和ZigBee技術(shù)已被應(yīng)用于各種類(lèi)型的設(shè)備中。其中，ZigBee技術(shù)具有自組織、短距離、低成本、低功耗、低復(fù)雜度以及易部署等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在智能家居等領(lǐng)域，而 WiFi是一種以無(wú)線方式連接個(gè)人計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端等設(shè)備的技術(shù)，應(yīng)用的場(chǎng)景越來(lái)越多[1]。在智能家居的環(huán)境中，WiFi網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)都部署在相同的環(huán)境中，但兩者都在2.4G Hz的免費(fèi)ISM頻段上工作，所以ZigBee網(wǎng)絡(luò)中WiFi信號(hào)產(chǎn)生同頻干擾的問(wèn)題是不能忽視的[2-3]。且 WiFi的功率與ZigBee的功率不是同一數(shù)量級(jí)的，因此WiFi信號(hào)更容易對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生強(qiáng)干擾，嚴(yán)重影響 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的可靠性和吞吐量。

為了避免來(lái)自WiFi信號(hào)的干擾，目前的解決方法可分為避免和共存兩種策略，干擾避免指的是通過(guò)掃描信道尋找到相對(duì)安靜的工作信道，避開(kāi)WiFi的干擾[4]；共存是指預(yù)測(cè)WiFi的工作時(shí)隙，在WiFi可能的空閑時(shí)隙發(fā)送ZigBee數(shù)據(jù)[5]。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于概率的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA)控制算法，該算法計(jì)算接收端節(jié)點(diǎn)包接收率，通過(guò)反饋包機(jī)制將包接收率發(fā)送給發(fā)送端節(jié)點(diǎn)，發(fā)送端節(jié)點(diǎn)根據(jù)包接收率的大小判斷網(wǎng)絡(luò)干擾的強(qiáng)弱，并通過(guò)預(yù)先設(shè)置概率函數(shù)選擇開(kāi)啟或者關(guān)閉 CSMA，但是該算法在干擾強(qiáng)時(shí)無(wú)法解決干擾問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]提出了一種多信道沖突避免策略，當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分節(jié)點(diǎn)因干擾而無(wú)法通信時(shí)，利用ZigBee的多信道特性，使孤立節(jié)點(diǎn)跳頻至其他信道加入網(wǎng)絡(luò)，確保孤立節(jié)點(diǎn)不脫離網(wǎng)絡(luò)，該算法需要同時(shí)配置多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，成本較高。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于信道狀態(tài)預(yù)測(cè)的干擾避免算法，該算法采用隱馬爾科夫模型(known-state sequence hidden Markov model，KSS-HMM)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻ZigBee網(wǎng)絡(luò)的16個(gè)信道狀態(tài)，根據(jù)信道狀態(tài)的優(yōu)劣動(dòng)態(tài)地調(diào)整ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作信道，但是該算法的評(píng)估參數(shù)僅選取了接收信號(hào)強(qiáng)度，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)信道的狀態(tài)。此外，加強(qiáng)ZigBee節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，雖然可以有效提升通信能力、降低誤碼率、保證通信質(zhì)量，但是ZigBee節(jié)點(diǎn)一般由電池供電，提升節(jié)點(diǎn)收發(fā)器的功率會(huì)增大節(jié)點(diǎn)的消耗，將致使該節(jié)點(diǎn)工作時(shí)長(zhǎng)縮短[9]?；跁r(shí)分多址(TDMA)的協(xié)同工作方式[10]則需要在網(wǎng)絡(luò)中安裝一個(gè)雙模式設(shè)備協(xié)調(diào)器，該設(shè)備的收發(fā)器同時(shí)支持IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4兩種協(xié)議，用來(lái)協(xié)商兩系統(tǒng)之間各自的通信時(shí)間片，以保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量。

本文針對(duì)以上問(wèn)題，以ZigBee節(jié)點(diǎn)的信道選擇優(yōu)化為切入點(diǎn)，對(duì)強(qiáng)WiFi信號(hào)干擾時(shí)信道切換原理進(jìn)行分析，并采用已知狀態(tài)序列的隱馬爾可夫模型，預(yù)測(cè)信道未來(lái)的空閑概率與時(shí)間期望(prediction of the channel idle time，PCIT)。各個(gè)信道的空閑時(shí)間期望更新ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的備選信道序列，下一個(gè)時(shí)刻的信道空閑概率決定是否執(zhí)行信道切換操作，使ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)工作在最安靜的信道上，避免強(qiáng)WiFi信號(hào)的干擾。

1 原理

1.1 信道干擾分析

如圖1所示，一個(gè)完整的ZigBee協(xié)議棧應(yīng)該包括應(yīng)用層(APL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、介質(zhì)訪問(wèn)控制層(MAC)和物理層(PHY)，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了其中的物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層，在此基礎(chǔ)上，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義了上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

IEEE 802.11b定義了Wi-Fi 的物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層，它是目前廣泛使用的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示，在IEEE802.11b的全部信道中，在我國(guó)默認(rèn)使用1號(hào)、6號(hào)、11號(hào)3條彼此無(wú)覆蓋的信道，由此可知，在2.4 GHz頻段中，最多只有4個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)信道不與IEEE 802.11b默認(rèn)設(shè)置的信道重疊。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會(huì)布置在各種場(chǎng)景中，強(qiáng)WiFi信號(hào)很容易對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，如果此時(shí)ZigBee隨機(jī)切換信道，切換的信道可能還處于強(qiáng)WiFi信號(hào)的干擾下；若持續(xù)掃描ZigBee設(shè)備所處信道的忙閑狀態(tài)和其他沒(méi)有在使用中的ZigBee信道的忙閑狀態(tài)，此時(shí)，節(jié)點(diǎn)不斷嘗試發(fā)送掃描幀，這嚴(yán)重的占用了 ZigBee節(jié)點(diǎn)的可用資源，包括其計(jì)算資源和電池電量。因此，一個(gè)優(yōu)良的信道選擇方法既能夠減少信道切換的次數(shù)，又能在目標(biāo)信道中滿足ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。

圖2 信道分布圖

1.2 信道選擇優(yōu)化

隱馬爾可夫模型(HMM)是一個(gè)雙重隨機(jī)過(guò)程，一個(gè)是具有一定狀態(tài)數(shù)的隱馬爾科夫鏈，另一個(gè)是可觀測(cè)的隨機(jī)函數(shù)集。HMM可以用2個(gè)狀態(tài)集合和3個(gè)狀態(tài)矩陣來(lái)描述，即λ={S,O,π,A,B}。其中S為HMM中的隱含狀態(tài)集，該狀態(tài)元素?zé)o法通過(guò)直接觀測(cè)得到，并且它們之間滿足馬爾科夫性質(zhì)。設(shè)S是由N個(gè)狀態(tài)組成的隱藏信道狀態(tài)集，S={Si,i=1,2,3,…,N}，且在時(shí)間點(diǎn)t的信道狀態(tài)xt∈S。O為觀測(cè)到的信道狀態(tài)集，設(shè)由M個(gè)狀態(tài)組成，在時(shí)間點(diǎn)t觀測(cè)到的信道狀態(tài)yt∈O。π={πi}是信道初始狀態(tài)分配矩陣，A={aij}是信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，B={bj(k)}表示由ZigBee設(shè)備觀測(cè)到的信道狀態(tài)為yk∈O，而隱藏信道狀態(tài)為sj∈S的條件概率矩陣。

(1)

圖3 已知狀態(tài)序列隱馬爾可夫模型

(2)

式中:φmn、φkn為轉(zhuǎn)移概率。

信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣為A={aij}。

aij=Pr(xi=Si|xi-1=Sj)

(3)

時(shí)間T內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可用于計(jì)算等式(1)和(2)。

條件概率矩陣B={bj(k)}，其中:

(4)

在2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，WiFi網(wǎng)絡(luò)的干擾可以假設(shè)為PRP M/G/1排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型[12]，即可設(shè)定其干擾過(guò)程服從泊松分布λp，干擾時(shí)間遵循指數(shù)分布μp。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的16個(gè)信道中，從t=1到t=T，隱藏狀態(tài)觀察序列的概率為

(5)

其中x0是時(shí)間t0處信道的隱藏信道狀態(tài)。在給定的隱藏狀態(tài)序列xT下，從t=1到t=T，觀測(cè)狀態(tài)序列yT的條件概率為

(6)

根據(jù)乘法準(zhǔn)則和邊際分布定律，觀測(cè)序列yT的概率為

(7)

在KSS-HMM模型中，歷史隱藏狀態(tài)和檢測(cè)到的信道狀態(tài)是確定的。 因此，如果ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在時(shí)間t0執(zhí)行信道切換，則信道時(shí)隙時(shí)間T1的觀測(cè)序列的概率為

(8)

(9)

其中y2T2是時(shí)隙時(shí)間T2的觀測(cè)狀態(tài)序列，即y1T2={yt,t=t0+1,…,t0+T2,yt∈O}。從時(shí)間t0-T1+1到t0+T2的時(shí)隙時(shí)間T1+T2的聯(lián)合概率為

Pr(y1T1,y2T2)=Pr(y1T1)·Pr(y2T2)=

(10)

基于上述預(yù)測(cè)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)是否應(yīng)該執(zhí)行從信道 切換到新信道的的判斷標(biāo)準(zhǔn)可以表示為

Prm(y1T1，0)<τL

(11)

式中τL為信道被視為忙碌的閾值。

同時(shí)，如果以下不等式成立表示信道l將是空閑的：

Prl(y1T1,0)>τH

(12)

式中τH為信道被視為空閑的閾值。

基于已知的觀測(cè)序列y1T1，未來(lái)時(shí)間中信道空閑時(shí)間的期望為

(13)

最后，假設(shè)SA是包含所有可用信道的集合，則可以基于以下條件選擇最佳信道Ch：

Ch=argmaxl∈SA[E(T)l]

(14)

1.3 具體實(shí)現(xiàn)流程

在強(qiáng)WiFi信號(hào)干擾的情況下，本文設(shè)計(jì)的ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信道切換具體過(guò)程如下：

(1)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器形成網(wǎng)絡(luò)后生成一個(gè)備選信道序列，并將該序列廣播到網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到廣播幀的內(nèi)容獲取備選信道序列。

(2)基于本文提出的已知狀態(tài)序列的隱馬爾可夫模型，利用信道狀態(tài)的歷史信息預(yù)測(cè)信道未來(lái)的空閑時(shí)間期望。

(3)當(dāng)預(yù)測(cè)的空閑時(shí)間概率小于閾值時(shí)，意味著此時(shí)信號(hào)受到干擾，根據(jù)本文提出的PCIT算法選取最佳的幾個(gè)備選信道替換初始的備選信道序列。

(4)協(xié)調(diào)器更新信道序列并廣播到網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)收到該廣播幀后更新本地的信道序列。

(5)該ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前的備選信道序列切換到新的信道，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步跳信道。

2 實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所涉及的算法，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信模型，如圖4所示。該模型有1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，2個(gè)WiFi收發(fā)設(shè)備。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信模型

實(shí)驗(yàn)采用CC2530核心芯片、Z-stack.2.5.1a協(xié)議棧，并使能ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的所有信道，不啟用功率放大功能，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備采用星形連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞?。為了研究WiFi為ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的影響，首先測(cè)量無(wú)干擾時(shí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)11至26信道一定距離下的接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)與包接收率，其次，WiFi的通信信道設(shè)置為1，將ZigBee的信道11～14完全覆蓋，此時(shí)再測(cè)量RSSI值與包接收率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 各個(gè)信道下的RSSI值

圖6 各個(gè)信道下的包接收率

由圖5、圖6可知，RSSI值正常維持在-52 dBm左右，包接收率無(wú)干擾時(shí)接近1。當(dāng)受到WiFi 設(shè)備1信道信號(hào)干擾時(shí)，RSSI與包接收率明顯降低；RSSI值與包接收率具有很高的相關(guān)度，可以作為評(píng)判ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

在同樣的環(huán)境中不斷的改變WiFi的信道，即WiFi的信道號(hào)由1信道至13信道不斷隨機(jī)改變，模擬來(lái)自IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)定義的2 412 MHz至2 472 MHz頻段的干擾，模擬實(shí)驗(yàn)中改變WiFi干擾信號(hào)的到達(dá)率，經(jīng)MATLAB軟件仿真可得出基于PCIT的信道切換次數(shù)，并與常見(jiàn)的信道切換方法作比較，仿真參數(shù)如表1所示，切換次數(shù)如圖7所示；經(jīng)本文PCIT信道切換方法后的包接收率結(jié)果如圖8所示。

表1 PCIT仿真參數(shù)

圖7 不同的WiFi信號(hào)干擾率信道切換的次數(shù)

由圖7可知，在不同的WiFi信號(hào)干擾到達(dá)率λ的情況下，隨著λ的增加，切換次數(shù)隨之增加。因?yàn)棣嗽黾樱馕吨鳺iFi信號(hào)干擾的概率越大，此時(shí)ZigBee設(shè)備為了滿足通信質(zhì)量會(huì)不斷切換信道。此外，本文的基于PCIT的信道選擇方法比常用的隨機(jī)切換方法的信道切換次數(shù)明顯降低，較智能切換方法當(dāng)λ=0.06時(shí)，降低了24.9%，λ=0.20時(shí)，降低了22.1%。由圖7可知，λ越大，即干擾概率越大時(shí)，信道切換的次數(shù)降低的越明顯。

圖8 WiFi干擾時(shí)包接收率對(duì)比

由圖8可知，在有WiFi干擾的情況下，不跳信道的包接收率僅維持在0.27左右，常用的信道跳轉(zhuǎn)算法維持在0.76左右，PCIT信道選擇算法維持在0.84左右，由此得知本文提出的PCIT信道選擇算法切換信道后提高了包接收率，即在強(qiáng)WiFi干擾時(shí)能提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了在2.4 GHz強(qiáng)WiFi干擾下的ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道切換機(jī)制，為此，提出了一種基于已知狀態(tài)序列的隱馬爾可夫模型的PCIT ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道選擇方法，該算法中，通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)每個(gè)信道空閑時(shí)間的期望選擇最佳的切換信道。仿真結(jié)果表明，在受到較強(qiáng)干擾的情況下，與常用的切換方法相比， PCIT切換方法降低了信道切換次數(shù)，提高了包接收率。今后的研究中將進(jìn)一步優(yōu)化信道的預(yù)測(cè)方法，考慮實(shí)際應(yīng)用中各個(gè)信道的利用率、漏檢率對(duì)信道切換的影響。