吳迪 施偉斌 王宇波

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）作為家庭智能化應(yīng)用的重要技術(shù)，由于與其它無線技術(shù)共用相同頻段，導(dǎo)致其結(jié)果產(chǎn)生交叉干擾，通信可靠性降低。通過對處于WiFi環(huán)境中WSN設(shè)備的通信可靠性進行研究，對自適應(yīng)信道切換（ARCH）協(xié)議進行改進，與匯聚路由樹協(xié)議（CTP）協(xié)調(diào)使用，重新設(shè)計了無控制信道的自適應(yīng)信道切換 （non-Ctrl CAH） 協(xié)議。該協(xié)議基于實時檢測的鏈路質(zhì)量，以自適應(yīng)方式切換到其它信道進行通信，以緩解WiFi干擾。實驗結(jié)果表明，在干擾環(huán)境中，與固定信道協(xié)議相比，non-Ctrl CAH協(xié)議的包接收率達到95%以上，而且在干擾情況下non-Ctrl CAH協(xié)議的功耗僅為控制信道自適應(yīng)信道切換（Ctrl CAH）協(xié)議和固定信道協(xié)議的1/2。non-Ctrl CAH協(xié)議能以最低功耗獲得較高的包接收率，并且能夠有效緩解家庭環(huán)境中的WiFi干擾。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);信道切換;WiFi干擾;智能家居

DOI：10. 11907/rjdk. 192583 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP399文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）008-0207-05

Abstract： As an important technology of home intelligent application， WSN shares the same frequency band with other wireless technologies， resulting in cross interference and reduced communication reliability. By studying the communication reliability of WSN devices in WiFi environment， the adaptive channel frequency hopping protocol is improved， and it is easy to coordinate with the aggregation routing tree protocol. The protocol is based on the link quality detected in real time and switches to other channels for communication in an adaptive manner to mitigate WiFi interference. The experimental results show that the packet reception rate of the non-Ctrl CAH protocol is over 95%. Compared with the fixed channel protocol，in terms of low power consumption， the power consumption of the non-Ctrl CAH protocol is 1/2 of the control channel adaptive hopping （Ctrl CAH） protocol and the fixed channel protocol. The non-Ctrl CAH protocol achieves a higher packet reception rate with the lowest power consumption and effectively mitigates WiFi interference in the home environment.

Key Words： WSN;channel hopping;WiFi interference;smart home

0 引言

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一項重要技術(shù)，得到了迅速發(fā)展。該技術(shù)具有低功耗、輕量級、自組織等特點，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。同時，無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展使得無線設(shè)備數(shù)量也快速增加。采用不同無線技術(shù)的設(shè)備被迫使用相同的未許可頻段，如IEEE 802.11（WiFi）、IEEE 802.15.1（藍牙）和IEEE 802.15.4（ZigBee）等都共享相同的2.4GHz ISM頻帶[2]。多種設(shè)備共存會造成交叉技術(shù)干擾（CTI），導(dǎo)致信息的可靠性以及無線頻譜使用效率降低。尤其在住宅環(huán)境中，交叉技術(shù)干擾造成的影響更為顯著。例如，家庭環(huán)境中使用WSN技術(shù)智能設(shè)備對家用電器進行精準測量與控制，而當環(huán)境中WiFi與WSN共存時，WSN則易受交叉技術(shù)干擾影響，通信可靠性降低[3-6]。

目前研究者們設(shè)計了多種抗干擾算法，如Liang等[7]在數(shù)據(jù)比特層面上對WSN與WiFi之間的干擾情況進行分析，發(fā)現(xiàn)WSN與WiFi之間距離不同，數(shù)據(jù)包受損部位也不相同。當距離較近時，包頭是WSN數(shù)據(jù)包的主要損壞部分，而當距離較遠時，WiFi干擾可能造成WSN數(shù)據(jù)包任何部位損壞，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，因此可采用包頭和負載冗余的方式緩解WiFi干擾。該算法能在一定程度上緩解WiFi干擾，但也增加了傳輸數(shù)據(jù)量;張招亮等[8]提出一種EasiCAP算法對WiFi的干擾建模，度量環(huán)境中的WiFi干擾，以較小開銷為代價換取較高的通信可靠性。該算法適用于多個靜態(tài)傳感網(wǎng)絡(luò)共同部署的環(huán)境，需要對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部干擾與外部干擾進行建模，但增加了算法復(fù)雜度;杜鵬等[9]提出黑名單機制，該機制基于信道干擾情況，將干擾嚴重的信道排除在待選信道范圍外，從而提升通信可靠性;Sha等[10]提出基于多信道機制的自適應(yīng)信道跳頻（Adaptive and Robust Channel Hopping，ARCH）協(xié)議，該協(xié)議作為一種輕量程的信道跳頻協(xié)議，可根據(jù)信道干擾程度適時作出跳頻決定以緩解WiFi干擾，使通信可靠性得到顯著提高。

多信道機制是當前主要的抗干擾方法之一，該方法可使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分布在不同信道上進行通信，優(yōu)點是能提升通信可靠性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等。當某一信道受到嚴重干擾時，節(jié)點可根據(jù)鏈路質(zhì)量，自適應(yīng)地跳頻到其它信道進行通信，從而減少干擾的影響，提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。但在多信道通信過程中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分布在不同信道上，增加了節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)的復(fù)雜度，因此需要充分考慮時間同步、節(jié)點協(xié)調(diào)、丟失節(jié)點、信道分配等問題[11]。

在多信道通信過程中，根據(jù)節(jié)點之間協(xié)商傳輸信道方式的不同分為：有控制信道和無控制信道方式。在有控制信道抗干擾協(xié)議中，節(jié)點在控制信道上進行協(xié)商，確定數(shù)據(jù)傳輸信道后，發(fā)送者和接收者同時切換到該信道進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸完成后返回控制信道[12]。控制信道的使用有利于控制信息交換，但網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點都會在控制信道上進行控制信息交換，也加劇了節(jié)點間在控制信道上的競爭。同時，若控制信道受到干擾，將影響整個網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞;在無控制信道抗干擾協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可在任意信道上協(xié)商數(shù)據(jù)傳輸信道，節(jié)點分布在多個信道上進行協(xié)商，減少了通信競爭。若單一信道受到干擾，也不會影響其余節(jié)點信息的傳輸。但當節(jié)點處于不同信道時，節(jié)點間存在的協(xié)調(diào)、時間同步等問題會增加協(xié)議實現(xiàn)的復(fù)雜度[13-15]?；谝陨蠁栴}，本文提出無控制信道的自適應(yīng)信道切換 （non-Control Channel Adaptive Hopping Protocol， non-Ctrl CAH） 協(xié)議，該協(xié)議在自適應(yīng)信道跳頻（ARCH）協(xié)議基礎(chǔ)上進行了改進，使其可以與CTP協(xié)議進行協(xié)調(diào)使用。

1 協(xié)議設(shè)計

本文提出無控制信道的自適應(yīng)信道切換（non-Ctrl CAH）協(xié)議，該協(xié)議作為一種自適應(yīng)協(xié)議，基于接收者實時檢測的鏈路質(zhì)量決定是否進行信道切換。采用以滑動窗口方式統(tǒng)計的ETX（Estimated Transmission Count）作為衡量鏈路質(zhì)量的指標[16]。發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)包時，切換到接收者駐留的信道發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者接收數(shù)據(jù)包并對鏈路質(zhì)量進行評估。當ETX超過規(guī)定閾值時，接收者將從黑名單以外的信道中選擇新信道，并通知所有鄰居節(jié)點進行信道切換。下面分別從鏈路質(zhì)量估計、信道選擇、信道協(xié)調(diào)以及信道失調(diào)機制處理等方面對協(xié)議進行概述。

1.1 鏈路質(zhì)量估計

鏈路質(zhì)量估計是non-Ctrl CAH協(xié)議設(shè)計中的重要一環(huán)，通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)包實時接收率作為鏈路質(zhì)量評估的依據(jù)，該方法的優(yōu)點在于可以快速、準確地檢測信道干擾。鏈路質(zhì)量的度量標準是ETX值，表示成功接收數(shù)據(jù)包所需的重傳輸次數(shù)。ETX值計算基于包序列號，可減少因主動探測信道質(zhì)量造成的額外開銷。本協(xié)議ETX值采用移動平均方式進行計算，若ETX值超過某個閾值，則預(yù)測當前信道不可靠。

1.2 信道選擇

當前信道在受到干擾時，鏈路質(zhì)量下降，節(jié)點需要更換到下一信道進行通信。為避免使用干擾嚴重的信道，下一信道的選擇顯得尤為重要。為了證明當某一信道受到干擾時，相鄰信道是否受到影響，在2.1節(jié)中將對該問題進行探究。實驗結(jié)果證明，相鄰信道之間的干擾相關(guān)。因此，切換到相鄰信道進行通信是不可行的，應(yīng)避免選擇在空間上與當前干擾嚴重信道接近的信道。同樣，為避免產(chǎn)生較大開銷，也不會采用監(jiān)控所有信道的方法選擇一個干擾較小的信道。本協(xié)議采用帶偏移的信道切換序列與黑名單機制相結(jié)合的方式，同時為保證失調(diào)節(jié)點更容易重新同步，選取26信道作為協(xié)調(diào)信道。當接收者鏈路質(zhì)量下降時，將當前信道放入黑名單，然后進行下一信道選擇，公式如下：

式（6）中，[next_channel≠26]。協(xié)議根據(jù)當前信道與信道偏移量選擇下一信道，對相鄰信道干擾結(jié)果的分析表明，信道偏移量，即[channeloffset]為3時，可以有效避免干擾。然后將選擇的信道與黑名單中的信道進行比較，若黑名單存在該信道，則重新選擇信道;若不存在，則使用該信道作為下一選擇信道。若黑名單中的信道數(shù)量大于最大可容納數(shù)量時，則清空黑名單，以保證有充足信道可供使用。

1.3 信道協(xié)調(diào)

non-Ctrl CAH協(xié)議是對ARCH協(xié)議的改進，使其能與CTP協(xié)議協(xié)調(diào)使用。CTP協(xié)議作為一種單信道協(xié)議，其在無干擾條件下，使用單一信道具有良好的傳輸性能。但在強干擾環(huán)境下，CTP的傳輸性能嚴重下降。non-Ctrl CAH協(xié)議結(jié)合了ARCH協(xié)議抗干擾的優(yōu)點與CTP良好的傳輸性能。將兩種協(xié)議優(yōu)點相結(jié)合的關(guān)鍵就是發(fā)送者與接收者之間信道的協(xié)調(diào)，不同的信道協(xié)調(diào)算法導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量存在較大差異。信道切換算法主要分為兩類：一種是整個網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點進行信道切換，另一種是網(wǎng)絡(luò)中部分受干擾的節(jié)點進行信道切換。由于同一網(wǎng)絡(luò)中同一信道不同節(jié)點之間的鏈路質(zhì)量存在較大差異，采用整體信道切換的方式可能會使某些質(zhì)量較好的鏈路進行信道切換而產(chǎn)生額外開銷。non-Ctrl CAH協(xié)議采用部分節(jié)點進行跳頻的算法，該算法基于接收者的檢測鏈路質(zhì)量選擇下一信道。接收者檢測到接收鏈路上的信道狀況惡化時，會選擇下一信道，并通知發(fā)送節(jié)點切換到該信道的發(fā)送數(shù)據(jù)包。該協(xié)議接收方、發(fā)送方處理流程如圖1、圖2所示。

當接收者檢測到鏈路質(zhì)量惡化，即ETX值超過閾值時，選擇新的信道，并將新信道信息嵌入到ACK數(shù)據(jù)包中，通知發(fā)送者下一次發(fā)送數(shù)據(jù)包的信道。發(fā)送者接收到ACK數(shù)據(jù)包后，將信道信息保存在鄰居表中。發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)包之前先遍歷鄰居表，切換到接收者信道發(fā)送數(shù)據(jù)，然后等待一段時間接收ACK，收到ACK以后跳回原信道。接收方通知鄰居節(jié)點進行信道切換的方式是將下一信道信息嵌入到ACK包中，發(fā)送給子節(jié)點。該策略的優(yōu)點是可以處理不同數(shù)量的子節(jié)點，缺點在于可能無法通知到所有節(jié)點，造成鄰居節(jié)點失調(diào)。

1.4 信道失調(diào)處理

節(jié)點鏈路質(zhì)量下降時，接收者通知發(fā)送者進行信道切換的消息可能會丟失，造成發(fā)送者與接收者之間的信道失調(diào)，即：接收者與發(fā)送者不在同一信道進行通信。協(xié)議分別從接收者和發(fā)送者兩方面處理信道失調(diào)問題。發(fā)送方處理信道失調(diào)機制為：設(shè)N表示最大允許的重復(fù)傳輸次數(shù)，n表示發(fā)送方重發(fā)當前數(shù)據(jù)包的次數(shù)。若n>N，發(fā)送節(jié)點切換到協(xié)調(diào)信道重新與接收者保持同步。接收方處理信道失調(diào)機制為：設(shè)T為連續(xù)接收數(shù)據(jù)包的最大時間間隔，t為接收方接收到同一子節(jié)點發(fā)送的上一數(shù)據(jù)包后截止到目前的時間。若t>T，接收節(jié)點周期性地切換到協(xié)調(diào)信道，重新與發(fā)送者保持同步。N、T的選擇應(yīng)該滿足[Tt（N）]，其中[t（N）]為重發(fā)N個包的時間，目的是當接收方切換到協(xié)調(diào)信道時，發(fā)送者已處于協(xié)調(diào)信道，更有利于發(fā)送者與接收者之間進行同步。接收者協(xié)調(diào)信道等待時間滿足[T（wait）t（1）]，其中[T（wait）]表示接收者等待時間，[t（1）]表示發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的時間。當接收者在協(xié)調(diào)信道的時間超出等待時間后返回原信道，進行周期性重復(fù)并統(tǒng)計重復(fù)協(xié)調(diào)次數(shù)，直到找到失調(diào)節(jié)點，或當重復(fù)次數(shù)超過最大重復(fù)次數(shù)時，將該節(jié)點從鄰居表移除。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 相鄰信道干擾實驗

以下對相鄰信道的干擾是否相關(guān)進行探究。實驗環(huán)境設(shè)置如下：采用網(wǎng)絡(luò)性能測試工具iperf模擬WiFi干擾，將數(shù)據(jù)從PC機通過局域網(wǎng)傳輸?shù)搅硪籔C機，采用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)平均傳輸速率為20M/s。WiFi的干擾信道是第4信道，中心頻率為2427MHz。WSN的實驗設(shè)置是在12～19信道各設(shè)置一組節(jié)點（一個發(fā)送者、一個接收者）。數(shù)據(jù)包速率為1個/s，8組節(jié)點同時在8個信道進行數(shù)據(jù)收發(fā)，節(jié)點及干擾源位置設(shè)置如圖3所示。

使用頻譜分析儀測量WiFi干擾如圖4所示，結(jié)果表明，WiFi頻率處于2.417-2.438GHz時，WiFi產(chǎn)生嚴重干擾。如圖5所示，根據(jù)12～19信道各組節(jié)點的包接收率，由于14[～]17信道與WiFi頻率重疊，受到WiFi干擾后出現(xiàn)大量丟包的情況，也證明了相鄰信道之間的干擾相關(guān)。

2.2 多信道協(xié)議測試實驗

為了評估本文協(xié)議的抗干擾性能，在實驗室環(huán)境進行一系列實驗，將本協(xié)議與基于控制信道的自適應(yīng)信道切換協(xié)議以及固定信道協(xié)議分別在包接收率、時延、信道切換次數(shù)、功耗方面進行比較。首先，在實驗室環(huán)境中對3種協(xié)議性能進行比較。在長16m、寬10m的實驗室中，均勻部署30個節(jié)點，在干擾源距離網(wǎng)關(guān)分別為15m、7.5m、0.5m的場景中進行實驗，產(chǎn)生干擾工具與2.1節(jié)相同。實驗室節(jié)點放置方式如圖6所示（干擾源距網(wǎng)關(guān)15m）。

本文主要采用低速率的數(shù)據(jù)傳輸，實驗中節(jié)點以20個/min的速率傳輸，并啟用數(shù)據(jù)包重傳機制。實驗中的協(xié)議均是在CTP協(xié)議基礎(chǔ)上加以改進的，使CTP協(xié)議在強干擾環(huán)境中依然具有一定抗干擾性能。將固定信道、Ctrl CAH、non-Ctrl CAH 3種協(xié)議分別在相同環(huán)境中進行實驗，分別測量各種情況下的包接收率、時延、信道切換次數(shù)以及功耗情況。如圖7所示，采用Ctrl CAH、non-Ctrl CAH協(xié)議后的抗干擾性明顯優(yōu)于固定信道，且包接收率達到之前的95%以上，是否采用控制信道對包接收率的影響并不明顯，但固定信道協(xié)議由于受到WiFi干擾，包接收率下降為之前的68%，且隨著干擾源與網(wǎng)關(guān)距離減小，包接收率也逐漸降低。

協(xié)議時延結(jié)果如圖8所示，自適應(yīng)信道切換協(xié)議節(jié)點時延僅為固定信道的1/3，原因在于固定信道協(xié)議只能通過重發(fā)數(shù)據(jù)包緩解干擾;采用控制信道的時延略低于無控制信道協(xié)議，原因在于無控制信道協(xié)議在信道切換過程中需要進行信道的重新同步，導(dǎo)致時延增加。

當干擾源距離網(wǎng)關(guān)15m時，30個節(jié)點均勻分布在實驗室中。節(jié)點信道切換次數(shù)可以反映節(jié)點所受干擾情況。如圖9所示，non-ctrl CAH協(xié)議信道切換是基于父節(jié)點檢測到某一子節(jié)點的鏈路質(zhì)量下降時，父節(jié)點通知所有子節(jié)點進行信道切換，子節(jié)點具有相同的切換次數(shù)。如圖10所示，ctrl CAH協(xié)議中，每個子節(jié)點切換次數(shù)是由各個節(jié)點決定的，不同節(jié)點信道切換次數(shù)不同。但兩者都有相同趨勢，即干擾源與網(wǎng)關(guān)中間位置的切換次數(shù)較少，當距離干擾源及網(wǎng)關(guān)較近時，切換次數(shù)較多。

本協(xié)議節(jié)點功耗以網(wǎng)關(guān)接收相同數(shù)量數(shù)據(jù)包所需傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量加以表示。實驗采用20個節(jié)點，每個節(jié)點成功發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包所需發(fā)送的字節(jié)數(shù)量表示功耗，實驗結(jié)果如表1所示。在無干擾情況下，固定信道協(xié)議數(shù)據(jù)包由同步包、路由包、負載包和應(yīng)答包組成，non-ctrl CAH協(xié)議所需數(shù)據(jù)包類型與固定信道協(xié)議相同，而ctrl CAH協(xié)議需要先在控制信道執(zhí)行一次握手機制，再到數(shù)據(jù)信道進行負載包發(fā)送，所需數(shù)據(jù)包是前兩種協(xié)議的兩倍以上;在有干擾的情況下，non-ctrl CAH協(xié)議和ctrl CAH協(xié)議受到WiFi干擾后都需要重發(fā)少量數(shù)據(jù)包，而固定信道只能通過重發(fā)數(shù)據(jù)包以抵抗干擾，導(dǎo)致大量重發(fā)包的出現(xiàn)，所以采用各種協(xié)議所需傳輸?shù)目傋止?jié)數(shù)表示功耗情況。綜合表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在無干擾情況下，固定信道協(xié)議所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量最少;在有干擾情況下，non-ctrl CAH協(xié)議所需傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)最少，僅為ctrl CAH和固定信道協(xié)議的1/2。

3 結(jié)語

環(huán)境中的干擾具有高復(fù)雜性與動態(tài)性特點，除WiFi干擾外，還有微波干擾、藍牙干擾等。本文提出的non-ctrl CAH協(xié)議采用低速率的數(shù)據(jù)傳輸，通過信道切換的方式緩解干擾。該協(xié)議具有以下特點：①non-ctrl CAH協(xié)議是基于接收者的協(xié)議，父節(jié)點根據(jù)實時ETX值的變化情況，動態(tài)選擇下一信道;②具有較強的穩(wěn)健性，分別引入接收方的最大等待時間和發(fā)送方的最大重傳次數(shù)用于處理信道失調(diào);③由網(wǎng)絡(luò)中受干擾嚴重的節(jié)點進行信道切換，而非整個網(wǎng)絡(luò)進行信道切換，同時將信道切換信息嵌入應(yīng)答包，可以在一定程度上降低功耗。實驗結(jié)果顯示，與固定信道協(xié)議相比，使用自適應(yīng)信道跳頻機制，處于干擾環(huán)境下節(jié)點的包接收率可達到之前的95%以上，比固定信道包接收率提高了27%以上，而時延僅為固定信道協(xié)議的 ? 1/3。non-ctrl CAH協(xié)議由接收者的通知子節(jié)點進行信道切換，而CAH協(xié)議是基于單個節(jié)點的ETX值進行跳頻。在功耗方面，在有干擾的環(huán)境下，non-ctrl CAH協(xié)議功耗最低僅為ctrl CAH協(xié)議和的1/2。因此，non-ctrl CAH可以更好地應(yīng)用于存在干擾的低功耗局域網(wǎng)中。通過本文研究，對WSNs抗干擾協(xié)議有了更深入的認識，為WiFi與WSNs共存找到了一個合適方法，下一步將對WiFi干擾具體原因作進一步研究。

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（責任編輯：黃 健）