無線通信設計秘密二：時分和頻分復用

2017-06-20  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

我們知道,MAC層協議在無線通信中處于特別重要的地位:首先它要解決信號沖突的問題,即同一個時刻只能有一個發送者;其次,它要盡可能地節省電能,尤其是用電池供電的微功率無線網絡,電能往往意味著“生命”;最后,它還要保證通信的健壯和穩定性,抵抗來自:復雜的通信環境(阻礙物,樹木,走去的人群等)和同頻干擾(在免費的ISM頻段可能有許多不同廠家的無線通信設備同時工作)的挑戰。

無線MAC協議有許多種,從解決“發送沖突”的角度來看,大抵分成2種:競爭搶占信道和時分復用。

1.競爭搶占信道

最常見的WiFi就是這種機制的代表,如下圖所示,一個WiFi路由器承載多個無線節點,這些無線節點都“競爭上崗”。

Sensor S-MAC的通信時序如下圖所示,它和WiFi的競爭機制相似:當節點1需要向節點2通信時,它先發起同步幀和RTS幀,節點2回應CTS幀,成功握手后節點1再發送DATA幀給節點2,節點2回復ACK確認幀。在節點1和節點2握手的整個過程中,節點3都偵聽到了RTS和CTS,它一直“保持沉默”,防止發送沖突。

競爭信道的優點是:算法簡單,容易實現,同時方便擴展網絡;缺點是:沖突帶來能量的損失,更多的延時和后續沖突。

2.時分復用

加州大學伯克利分校主導的OpenWSN是時分復用算法的代表,它的通信機制如下圖所示。首先,它將時間分成slot(時槽),同時它還引入16個頻段,如在t1時槽里A和G、E和F、H和D共3對節點同時通信。因為通信雙方都是嚴格地在自己分配的slot進行通信,從理論上講是“沒有沖突”的。

這種協議的優點是:節省電能,最大化使用帶寬。缺點是:1. 所有節點需要精確的時鐘源,并且需要周期性校時;2. 向網絡中添加和刪除節點都要有時隙分配和回收算法。

LoRa(Long Rang)無線通信協議是一種長距離的無線通信技術,它最大的優點是距離遠,同時節能電能;當然,它也有不足的地方,那就是傳輸速率慢。它最適合無線傳感器網絡,比如在戶外或跨樓宇(多樓層)采集:用水、用電、溫濕度、一氧化碳、煙霧報警等。

鑒于LoRa的長距離和低速率,銳米通信設計了iDC10(DataConcentrator)數據采集器,它基于星型組網,這樣節點與采集器“單跳”通信,節省電能;基于時分復用算法,沒有發送沖突,達到較好的帶寬使用率;基于頻分復用算法,抵抗外部干擾和多徑衰退。

1.iDC10時分復用

當N個iWL881A與iDC10通信,iDC10先保留一部分slot,用于下發通信和發送信標幀,其余時間分成N個slot供iWL881A通信使用,原理如下圖所示。

時分復用有一個重要的設計,即校時和防止“時鐘漂移”帶來的沖突。銳米通信巧妙地使用了“安全距離”算法,它根據節點數目和時鐘最大漂移系數來計算slot的合理值。在校時方面,設計了“節點主動上傳”的秒級校時,“采集器喚醒”和“信標幀”的毫秒級校時。

2.iDC10頻分復用

iDC10和iWL881A一般工作在433和470MHz的ISM免費頻段,一個需要特別注意點,該頻段是公用頻段,別的廠家的無線設備也可以工作在此頻段。這樣一來,在頻率設計上需要保證2個原則:

1. 不要干擾別人通信:盡可能快地單次發送“短”數據幀,對于較長的數據幀可以使用FHSS(FrequencyHopping Spread Spectrum)減少單頻點滯空時間。

2. 不被別人干擾通信:增加跳頻和AFH(Adaptive FrequencyHopping)算法,智能避開被強干擾和長時間占用的信道。

iDC10有4個信道:3個Upstream信道和1個Downstream信道。iWL881A主動上報給iDC10(即Upstream)的頻域圖如下:在第i輪上報時,在Fj信道成功上傳;在第(i+1)輪上報時,優先使用Fj信道,如果失敗,則遍歷嘗試其它信道。

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