劉盛堯，高淑春，于海霞

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程與傳媒學(xué)院，安徽 合肥 230013）

0 引 言

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是一個基于IEEE 802.15.4 規(guī)范的通信協(xié)議，用于家庭自動化、工業(yè)設(shè)備控制、醫(yī)療數(shù)據(jù)采集和其他低帶寬需求的無線局域網(wǎng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)的普及，設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)中的部署不斷增加，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了與其他網(wǎng)絡(luò)之間的干擾問題。

目前很多研究在討論增強ZigBee 的安全性，緩解干擾的解決方法，一般分為避免和共存兩種。文獻(xiàn)研究了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)在受到無線Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)干擾時，單個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過信道分配來避免干擾。Kho等人提出了一種基于信道跳變的干擾避免方法，來提高 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信的包接受率。Huang等人利用Pareto 模型來預(yù)測Wi-Fi 信號的分組間隙，然后去動態(tài)的調(diào)整ZigBee 數(shù)據(jù)包的分組長度，在Wi-Fi 分組的間隙發(fā)送ZigBee 的分組，使兩個不同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包相互交替發(fā)送，達(dá)到共存。張招亮等提出了一種基于干擾強度和活躍比率干擾特征模型的信道分配機(jī)制，利用信道分配算法使得環(huán)境中所有無線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量最優(yōu)，實現(xiàn)相互共存。但是以上方法多為單一的Wi-Fi 干擾研究，在強干擾時，抗干擾效果還有待改善，以往研究很多通過調(diào)整合適的距離，或者頻偏來指導(dǎo)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的部署，但這在宿舍，家庭等人們居住的生活場景下不太適用。

本文，為了在干擾信號的情況下解碼ZigBee 信號，提出了一種基于學(xué)習(xí)的干擾抑制方法，該方法在物理層使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一個線性空間濾波器來抑制干擾，而不需要對干擾有任何了解。需要解決的是如何訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其能夠?qū)崟r解碼數(shù)據(jù)包。為了解決這一問題，采用了一個小型的沒有隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用內(nèi)在關(guān)系對其進(jìn)行了優(yōu)化。

1 問題描述

ZigBee 無線個域網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，一般由一個ZigBee 網(wǎng)關(guān)服務(wù)于一個或多個ZigBee 設(shè)備，在這個網(wǎng)絡(luò)中有一些其他的無線信號形成了干擾源，干擾了ZigBee 的無線通信，對這些干擾源有以下假設(shè)：

（1）ZigBee 的接收設(shè)備不知道干擾信號的帶寬、波形和幀格式；

（2）干擾信號的帶寬可以大于、等于或小于ZigBee 信號的帶寬；

（3）干擾信號的波形可能會隨時間變化。

對于這些干擾信號，其目標(biāo)是確保ZigBee 設(shè)備的無線通信不受無線電干擾攻擊，本文設(shè)計了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過濾干擾信號，在存在未知干擾的情況下解碼數(shù)據(jù)包，而不需要任何干擾知識。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的干擾緩解方法

2.1 ZigBee 物理層規(guī)范

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的，工作在免許可的2.4 ～2.483 5 GHz（全球），902 ～928 MHz（北美和澳大利亞），868 ～868.6 MHz（歐洲）頻段.我國使用2.4 GHz頻段，段內(nèi)分配了16 個信道，每個信道使用2 MHz 帶寬每個信道間隔5 MHz。無線電使用直接序列擴(kuò)頻編碼（DSSS）以及偏移正交相移鍵控調(diào)制（O-QPSK），如圖1所示為2.4 GHz 調(diào)制和擴(kuò)展功能。每4 個bit 流數(shù)據(jù)映射成一個符號，共2=16 種不同的符號，接著每個符號映射成32 個碼片組成的一個PN 序列。PN 序列中的碼片被看成是半正弦脈沖，并通過O-QPSK 整形后調(diào)制到載波上，并分別將下標(biāo)為奇數(shù)的調(diào)制到Q 路正交支路上，將下標(biāo)為偶數(shù)的調(diào)制到I 路同相支路上。

圖1 2.4 GHz 調(diào)制和擴(kuò)展功能圖

2.2 信號傳輸公式化

如圖2，按照信號處理流程，在傳統(tǒng)的ZigBee 接收機(jī)物理框架中設(shè)計添加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在信號流經(jīng)過頻偏、相偏補償后送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，緩解干擾信號，恢復(fù)ZigBee 信號。（ 表示兩個信號流，一個是干擾信號，一個是ZigBee 的有用信號， 表示ZigBee 的有用信號）

圖2 ZigBee 接收機(jī)在面臨干擾信號時解碼ZigBee 數(shù)據(jù)包優(yōu)化圖

由于ZigBee 通常用于短程通信，因此，假設(shè)ZigBee 通信的無線電信號在視距和非視距下都是平坦信號。在此假設(shè)的基礎(chǔ)上，將干擾緩解問題表述為一個數(shù)學(xué)問題。(n)∈C為圖1中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的兩個輸入信號流，其中為ZigBee 幀的樣本數(shù)量。(n)∈C為ZigBee 信號，(n)∈C為干擾信號。那么，接收到的信號（）可以表示為：

其中=[]是ZigBee 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的信道系數(shù)，=[]為干擾設(shè)備與ZigBee 接收機(jī)之間的信道系數(shù)，（）為ZigBee 接收器的噪聲。

2.3 緩解干擾的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

這時，采用一個小型的沒有隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來替代濾波器，實時解碼ZigBee 數(shù)據(jù)包，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量為ZigBee 信號以及干擾信號（即（）=[（），（）]）的實部和虛部，輸出是ZigBee 有用信號流（即（））的實 部和虛部，用R 和I 表示實部和虛部。

利用網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的內(nèi)在關(guān)系，有：

為了實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)包檢測，提出了一種加速訓(xùn)練過程的方法。根據(jù)（2）式，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重參數(shù)，定義=R()，=I()，=R()，=I()，故上式可以表示為：

其中R()+I()+R()+I ()可映射為輸出信號流實部 R()，I()-R()+I()-R()可映射為輸出信號流虛部I（）。此時僅有四個權(quán)重數(shù)，訓(xùn)練次數(shù)大大降低。用于緩解干擾信號的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 緩解干擾信號的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重訓(xùn)練

ZigBee 物理層幀結(jié)構(gòu)中的前導(dǎo)域共4 個字節(jié)（32 bit）。對于這32 bit，每4 個bit 被調(diào)制成32 個碼片組成的一個PN 序列。前導(dǎo)域中包含8 個Q/I 路的PN 序列，共256個碼片。故選擇一個總數(shù)256×4×2=2 048 個樣本來更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的四個權(quán)重，根據(jù)（3）式，按圖4的模型訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。其中256 是前導(dǎo)域碼片數(shù)，4 為過采樣率，2 為復(fù)數(shù)的分量數(shù)。如圖所示，前1 024 個樣本對應(yīng)幀前導(dǎo)域中256 個碼片的實部，后1 024 個樣本對應(yīng)幀前導(dǎo)域中256 個碼片的虛部。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重訓(xùn)練圖

在該算法中，使用反向傳播訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，并將平方誤差作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的代價函數(shù)。在訓(xùn)練過程中，使用自適應(yīng)步長來更新權(quán)重。其中，對于圖2中前1 024 個樣本數(shù)據(jù)集，更新權(quán)重為：

3 仿真結(jié)果與性能分析

3.1 ZigBee 接收器的性能指標(biāo)

首先定義一些指標(biāo)來評估ZigBee 接收器的性能.

干擾信號比ISR：針對ZigBee 接收機(jī)在干擾前后接收到的無線電信號，定義ISR 為：

其中，y（）為關(guān)閉ZigBee 發(fā)射機(jī)，ZigBee 接收機(jī)接收到的干擾信號，y（）為關(guān)閉干擾設(shè)備，ZigBee 接收機(jī)接收到的ZigBee 信號，N為被測信號采樣數(shù).

包接收率PRR：報文接收率是指解碼成功的包占總發(fā)送包數(shù)的比例。

3.2 仿真分析

由于僅考慮ZigBee 的前導(dǎo)域，它是ZigBee 信號到達(dá)事件檢測的關(guān)鍵問題。其他信號干擾前導(dǎo)域即會導(dǎo)致ZigBee樣本存在較大失真。發(fā)射的ZigBee 信號的Q/I 路采樣流都由多個正、負(fù)半正弦脈沖組成，故通過MATLAB 仿真ZigBee 半正弦脈沖信號模型和ISR 值不同的干擾信號，ISR 從-10 dB 到20 dB，對 MSE 以及PRR 進(jìn)行相關(guān)分析。

圖5為本文提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不同ISR 值的解碼MSE.可以看出，當(dāng)ISR 為20 dB 時，MSE 小于3.5%。這意味著即使干擾信號比ZigBee 信號強20 dB，所提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的方法也可以在零噪聲情況下解碼ZigBee 數(shù)據(jù)包。表1為使用本文算法以及未使用本文算法傳統(tǒng)接收機(jī)對不同ISR 值時的平均包接受率PRR，可以看到，提出的ZigBee 接收器達(dá)到了平均98%的PRR，而傳統(tǒng)接收器的平均PRR 僅為49.34%，且在ISR 即干擾信號越大，對包接受率影響越大。

圖5 不同ISR 下的MSE 圖示

表1 包接受率隨JSR 值不同的變化

4 結(jié) 論

在本文中，提出了一種無隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解碼有干擾信號的ZigBee 數(shù)據(jù)包，并用ZigBee 包的幀前導(dǎo)域進(jìn)行訓(xùn)練。仿真結(jié)果表明，在干擾信號下可以解碼ZigBee 信號，整個傳輸過程沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，而且采集到的數(shù)據(jù)值準(zhǔn)確，表明系統(tǒng)具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，對今后ZigBee 接收機(jī)的設(shè)計有一定的理論意義。