基于SimpliciTI協議的跳頻機制研究

杭州電子科技大學電子信息學院 毛海明 陳科明 劉福濤

基于SimpliciTI協議的跳頻機制研究

杭州電子科技大學電子信息學院 毛海明 陳科明 劉福濤

無線通信技術在日常生活中發揮著越來越重要的作用，無線跳頻技術也由于其良好的抗干擾性而被廣泛應用。本文在分析跳頻原理的基礎上，結合SimpliciTI協議中的跳頻機制，針對該跳頻機制的不足進行了研究和改進，并在MSP430單片機控制CC1100E射頻芯片上進行了軟件編程，從而進一步提高了該協議中無線跳頻機制的抗干擾能力。

無線通信；抗干擾；跳頻機制

1.引言

隨著通信和信息技術的不斷發展，無線通信技術的應用步伐不斷加快，正日益走向成熟。由于其自身成本低廉、靈活性高、易用性強、施工周期短等優勢，無線通信技術廣泛應用在智能家居、環境監測、交通管理、醫療衛生、抗災搶險等領域。然而，它也有一些缺點，如容易受干擾，安全性低，可靠性較差。因此，克服無線通信技術的這些缺點是當前的研究重點。該文就如何提高無線通信的抗干擾問題上，利用MSP430單片機控制CC1100E射頻芯片，以SimpliciTI協議為基礎，實現和改進了跳頻技術，從而提高了無線通信的抗干擾能力。

2.跳頻原理

跳頻通信技術作為一種有效的抗干擾通信技術，在現代無線抗干擾通信中應用廣泛。跳頻工作原理是指收發雙方傳輸信號的載波頻率按照設定規律進行離散變化的通信方式。從通信技術的實現方式來說，跳頻是一種用碼序列進行多頻頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統。從時域上看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上看，跳頻信號的頻譜是一個在很寬頻帶上以不等間隔隨機跳變的信號[1，2]。與定頻通信相比，跳頻通信具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻道被干擾，還可以在其他頻道上進行正常的通信。

3.SimpliciTI協議中的跳頻機制

3.1 跳頻機制的優勢

在沒有跳頻機制的組網方式中，網內所有節點都使用固定的通信頻率進行數據傳輸，當信道遭遇噪聲干擾時，數據通信受影響，節點依靠暫存數據延時重復發送的方法來減少丟包率，這樣的方式會消耗大量的網絡能量、遇到長時間阻塞信道會大量丟包。SimpliciTI協議的跳頻機制是在占用通信信道被外界強烈干擾下，進行信道的選擇切換，找到可用信道再繼續通信的一種通信策略。這使得通信可靠性得到很大提高，信道的利用率增強，也提高了傳輸能力。

3.2 跳頻機制的實現

3.2.1 SimpliciTI中跳頻的工作流程

網內每個節點程序在mrfi_f1f2.c文件里都會有一個相同的信道列表，分別以邏輯信道0，1，2…的方式命名，一般為4個信道，在節點上電初始化后，節點默認進入邏輯信道0。在網絡中中心節點負責對整個網絡的管理和調度，是頻率跳變的發起者和組織者。該設備利用信道檢測算法持續監測信道的噪聲干擾，如果判定網絡受到噪聲干擾，影響正常的網絡通信，則進行頻率跳變，實現切換信道，它會向網絡中其它節點設備發送一個廣播幀，通知其切換到相應信道。處于激發態的節點會接收到廣播幀即時更改自身信道，這樣就可以繼續通信了[3]。

3.2.2 SimpliciTI中跳頻的軟件實現

基于以上RSSI的分析，中心節點的軟件實現如下：首先檢測當前所在信道，對當前信道連續取RSSI值，如果當前信道噪聲信號不強，則返回。如果檢測到當前信道噪聲信號較強，可能會影響網絡中設備間的通信，則中心節點發生頻率跳變，跳變到信道列表中其他信道。判斷時RSSI閥值取-70dBm，如果連續3次RSSI樣值大于-70dBm，則進行頻率跳變[4，5]。中心節點頻率跳變的程序流程圖如圖1所示。

檢測當前信道判斷是否要發生頻率跳變的函數checkChangeChannel(void)關鍵代碼如下：

4.跳頻機制的改進措施

SimpliciTI網絡采用跳頻機制，在一定程度上有效地解決了外界對網絡通信的干擾問題。但是，對于中心節點而言，當需要進行跳頻時，由改變信道的函數changeChannel(void)可知，改變到新的信道是按照邏輯順序依次向上遞增的，這樣就存在著一個問題，就是跳頻過程中有一定的盲目性。針對這種情況，該文提出了基于RSSI的預測信道質量算法，使得在跳頻時更快找到合理的信道，減少盲目性。

該算法是在中心節點建立一個基于噪聲信號強度的列表，這一列表與信道列表一一對應，并定時更新這一列表。當中心節點需要跳頻時，就可以選取噪聲信號強度最弱所對應的信道進行切換，避免了切換到新信道后噪聲強度更大的可能性。中心節點改進后頻率跳變的程序流程圖如圖2所示。

更新噪聲信號強度列表的函數關鍵代碼如下：

圖1 改進前頻率跳變流程圖

圖2 改進后頻率跳變流程圖

圖3 改進前頻率跳變過程

圖4 改進后頻率跳變過程

在2.2.2中改變信道的函數change Channel(void)中將if語句段去掉，之后添加一條語句sChannel=chan_ok();即可。

接下來進行測試比較，其測試條件為：AP初始化時有4個信道，開始在信道0進行通信，我們在信道0和信道1均產生噪聲信號，觀察AP進行跳頻的過程。改進前跳頻過程如圖3所示，改進后跳頻過程如圖4所示。從圖中可以看出改進前AP是從信道0跳到信道1，再跳到信道2（圖中01和02表示），而改進后AP是直接從信道0跳到信道2（圖中02表示）。這樣就提高了AP的跳頻效率。

5.結束語

經測試改進后的跳頻通信系統在相同噪聲干擾條件下的跳頻次數明顯減少，從而節約了整個網絡能量消耗。隨著無線頻譜資源的日益緊張，采取跳頻通信技術實現抗干擾通信將會顯得越來越重要，跳頻通信技術的應用提高了無線通信數據傳輸的可靠性[2]。而利用低功耗MSP430單片機和CC1100E射頻芯片設計實現無線跳頻系統是一種廉價、方便的解決方案，所以必將在民用市場受到越來越多的關注和應用。

[1]李文仲,段朝玉,等.短距離無線數據通信入門與實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006:196-197.

[2]李立早,魏欣.基于CC2510的無線跳頻通信系統的設計[J].江蘇科技信息,2010,10:41-43.

[3]王軍強.基于SimpliciTI的無線傳感器網絡關鍵技術研究[D].重慶:重慶大學通信工程學院,2009:31-38.

[4]宋繼勛.無線小型自組織網絡協議分析與實現[D].北京:北京交通大學2009:47-49.

[5]Texas Instruments.Application Note:SimpliciTI Frequency Agility[A].Texas Instruments,2007(1):4-13.

Signal Strength Indicator)表示接受信號強度指示。CC 1100E芯片中的RSSI值是對當前信道中信號功率電平的評估值，在接受模式下，RSSI狀態寄存器的值會不斷更新，所以，可以在空載時讀取RSSI值來判斷該信道中噪聲信號的強度，作為跳頻的依據。

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毛海明（1987—），男，浙江上虞人，杭州電子科技大學電子信息學院2010級碩士研究生，研究方向：電路與系統。