一种增强Zigbee通信性能的方法
【专利摘要】本发明公开了一种增强zigbee通信性能的方法，本方法首先从2.4GISM频段的频谱角度分析了zigbee通信干扰的原因，然后提出一种存在干扰情况下能提高zigbee通信链路性能的方法。此方法基于zigbee的多信道通信机制，采用了干扰探测、信道选择及信道维护来实现对多信道通信的操作。在存在干扰情况下，此方法能区分不同程度的干扰，并且一定程度上能够预测干扰下的zigbee链路的通信性能，在干扰环境中，此方法可以躲避干扰，使zigbee节点切换信道，有效的改善zigbee链路的通信性能，较之传统的单信道通信模式，此方法的吞吐率可以达到3倍。
【专利说明】—种增强z i gbee通信性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信【技术领域】，尤其涉及Zigbee无线通信协议的优化方法，具体地说是一种增强zigbee通信性能的方法。
【背景技术】
[0002]为了实现工业、家庭和楼宇的自动化控制，将人类从有线的环境中解放出来，以取代线缆为目标，用于无线个人局域网(WPAN, Wireless Personal Area Network)范围的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展，典型技术标准有蓝牙(Bluetooth)、ZigBee、无线USB (WirelessUSB)、无线局域网W1-Fi (IEEE802.llb/g)等。在人们享受方便快捷的时候，这些技术的电磁兼容问题日益凸现。由于这些技术均选择了 2.4GHz(2.4?2.483GHz)ISM频段，再加上无绳电话和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥挤。Zigbee工作在工业、科学、医疗(ISM)频段，定义了两个物理层，即2.4GHz频段和868/915MHZ频段物理层，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美使用，所以其主要工作于全球范围内免许可证的2.4GHz的ISM频段。因此同频干扰是影响zigbee通信性能的主要因素。
[0003]Zigbee是新近推出的一个低数据率的无线通信技术，采用了 IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。W1-Fi是基于IEEE802.1lb标准的无线局域网的主流技术，而随着低速率应用市场需求的不断增长，Zigbee和W1-Fi系统共处的可能性越来越大。但由于两者都主要工作在2.4GHz的ISM频段，它们不可避免地会产生相互干扰，因此在同频干扰下，增强zigbee无线通信的性能是亟需解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现存同频干扰对zigbee通信性能的影响，提出一种增强zigbee通信性能的方法，本方法采用多信道实现，充分利用闲置频谱资源，提高了 zigbee链路的通信性能。
[0005]本发明的技术方案是根据无线传感网络固有的自组网特性和数据流的单向传递性，以及多信道操作来实现的。
[0006]一种增强Zigbee通信性能的方法，它基于Zigbee节点多信道通信方式，用表示干扰密度的信道占用率u和表示干扰强度的强度指示符V组合表示工作信道的干扰，并记作干扰预测指标<11，V > ;设定阈值Uh，节点周期性探测当前工作信道的信道占用率U ;当探测到当前工作信道的信道占用率U超出阈值Uh时，节点扫描全部可用信道；对全部可用信道的干扰预测指标<11，V >进行比较，选择干扰预测指标最小的可用信道并切换至该可用信道继续通信。
[0007]其具体步骤为:
[0008]I)阈值设定:阈值Uh取[25 %，50%]；
[0009]2)干扰探测:节点周期性探测当前工作信道的信道占用率U，如果信道占用率u超过设定阈值IV则启动信道选择过程；[0010]3)信道选择:信道选择开始后，触发当前节点对所有可用信道的干扰进行评估，计算干扰预测指标<11，V >，将各信道的干扰预测指标< U，V >进行比较，选择干扰预测指标最小的可用信道为目的信道；比较过程为:对信道占用率U进行比较，选取信道占用率U最小的信道为目的信道；若存在信道占用率U最小值相同的可用信道，则对所述可用信道的强度指示符V进行比较，选取其中强度指示符V最小的信道为目的信道。
[0011]所述周期Trssi=10ms。
[0012]更优的，所述阈值Uh为25%。
[0013]作为另一种实施方式，所述信道选择过程为:信道选择开始后，触发当前节点对所有可用信道的干扰进行评估，计算各个可用信道的干扰预测指标<11，V >并进行比较，将可用信道中干扰预测指标最小的信道记为best信道，该信道干扰预测指标记为< ubest，Vbest >;然后当前节点遍历邻居信道表，对各个邻居信道的干扰预测指标<u，V >进行比较，将邻居信道中干扰预测指标最小的信道记为nbrbest信道，该信道干扰预测指标记为< Unbltest, Vnbrbest > ;最后best信道和nbrbest信道进行比较,设定松弛变量Ubest和ud，若 Unbbrtes 在[ubest, Ubest+ ]之间，且 Vnbrbest 在[Vbest, Vbest+ Va ]之间，则选择 nbrbest 信道为目的信道，反之选择best信道为目的信道。
[0014]第二种实施方式中，所述％为8%，所述13为lOdBm。
[0015]本发明所述干扰预测指标< U，V >的获取方法是，首先通过多轮探测工作信道的干扰密度或干扰强度并获得u或V的测量值，记为X’\多次测量获得
[0016]然后通过以下公式分别进行加权处理: [0017]Xn = (1- Ct ) ΦΧη+ α *χ，η ≤ 2
「 ? ,, X'1 +X2 +--- + Xn
[0018]X1 =-
η
[0019]其中，X’为当前所获得的u或V的测量值，Xn为η次指数加权平均后u或ν的值，*为一阶导数，α为指数加权系数，
[0020]最后指数加权平均后得到< U，ν >对，作为干扰预测的指标。
[0021]所述加权系数α取值0.125。
[0022]本发明的有益效果:
[0023]1、本方法是采用阈倌.设定、干扰探测、信道选择三种工作流程来改进zigbee链路的通信性能。
[0024]2、本方法能够有效区分不同程度的同频干扰，并且能够比较预测干扰条件下zigbee链路的通信性能。
[0025]3、本方法提出的干扰评估，不依赖于位置信息，采用分布式算法，无需其他节点参与。并且评估的参数可以自己定制，满足不同需求。
[0026]4、和传统的单信道通信模式相比，该方法在存在有同频干扰的环境中，可以大幅度的改善zigbee链路的通信性能。尤其在特定的干扰环境中，该方法可以达到3倍于单信道模式下的吞吐暈。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是工作于2.4G ISM频段无线系统的信号比较示意图。[0028]图2是wifi和zigbee信道在2.4G频段上的分布示意图。
[0029]图3是本发明第一种实施方式的工作流程示意图。
[0030]图4是本发明第二种实施方式的工作流程示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0032]如图1所示，ISM2.4GHz频段日益受到重视，原因主要有:首先它是一个全球性的频段，开发的产品具有全球通用性；其次，它整体的频宽胜于其他ISM频段，这就提高了整体数据传输速率，允许系统共存；第三就是尺寸，2.4GHz无线电和天线的体积相当小，产品体积也更小。如图1所示，根据802.1lb标准，其发射频宽为22MHz，并且要求在距离中心频率IlMHz之外，其信号衰减需超过30dB。但是实际对于任何发射信号，其能量是逐渐衰减的过程。因此802.1lb会和zigbee、无线USB、蓝牙和无绳电话等设备之间产生频宽重叠，就会形成频谱干扰。
[0033]如图2所示，Zigbee的底层标准把2.4GHz的ISM频段划分为16个信道，每个信道带宽为2MHz。W1-Fi将该频段划分为11个直扩信道，系统可选定其中任一信道进行通信，信道带宽为22MHz，所以11个信道有重叠，无重叠的信道最多只有3个。显而易见，假定W1-Fi系统工作在任一信道，则Zigbee和其信道频率重叠的概率为1/4。当Zigbee和W1-Fi同时使用相同频段通信时，产生带内有色噪声干扰，导致传输分组冲突。
[0034]下面结合具体案例对本发明作进一步的说明。
[0035]该无线网络包括4个zigbee节点和4个wifi节点,其中wifi干扰速率为IMb,节点工作于4信道和9信道上(如图2)，zigbee节点可用信道限制为与其相对应的15信道和20信道，并以IOms为周期探测当前工作信道的信道占用率U。
[0036]如图3所示，本发明的第一种工作流程:
[0037]实施例:
[0038]I)阈值设定:阈值Uh取25% ；
[0039]2)干扰探测:节点探测到当前信道的信道占用率u超过设定阈值uh，表示干扰比较严重，则启动信道选择过程；
[0040]3)信道选择:信道选择开始后，触发当前节点对所有可用信道的干扰进行评估，计算干扰预测指标<11，V >，
[0041]首先通过多轮探测工作信道的干扰密度或干扰强度并获得u = 30%或ν=-37dBm的测量值，记为X’J,多次测量获得
[0042]然后通过以下公式分别进行加权处理:
[0043]
【权利要求】
1.一种增强Zigbee通信性能的方法，其特征在于它基于Zigbee节点多信道通信方式，用表示干扰密度的信道占用率u和表示干扰强度的强度指示符V组合表示工作信道的干扰，并记作干扰预测指标<11，V > ;设定阈值uh，节点周期性探测当前工作信道的信道占用率U ;当探测到当前工作信道的信道占用率U超出阈值Uh时，节点扫描全部可用信道；对全部可用信道的干扰预测指标< U，V >进行比较，选择干扰预测指标最小的可用信道并切换至该可用信道继续通信。
2.根据权利要求1所述的一种增强Zigbee通信性能的方法，其特征在于其具体步骤为: O阈值设定:阈值Uh取[25%, 50%]； 2)干扰探测:节点周期性探测当前工作信道的信道占用率U，如果信道占用率u超过设定阈值IV则启动信道选择过程； 3)信道选择:信道选择开始后，触发当前节点对所有可用信道的干扰进行评估，计算干扰预测指标<u，V >，将各信道的干扰预测指标< U，V >进行比较，选择干扰预测指标最小的可用信道为目的信道；比较过程为:对信道占用率u进行比较，选取信道占用率u最小的信道为目的信道；若存在信道占用率u最小值相同的可用信道，则对所述可用信道的强度指示符V进行比较，选取其中强度指示符V最小的信道为目的信道。
3.根据权利要求2所述的一种增强Zigbee通信性能的方法，其特征在于所述周期Trss1-1Oms ο
4.根据权利要求2所述的一种增强Zigbee通信性能的方法，其特征在于所述阈值Uh为 25%。
5.根据权利要求2所述的一种增强Zigbee通信性能的方法，其特征在于所述信道选择过程为:信道选择开始后，触发当前节点对所有可用信道的干扰进行评估，计算各个可用信道的干扰预测指标< U，V >并进行比较，将可用信道中干扰预测指标最小的信道记为best信道，该信道干扰预测指标记为< ubest，Vbest > ;然后当前节点遍历邻居信道表，对各个邻居信道的干扰预测指标< U，V >进行比较，将邻居信道中干扰预测指标最小的信道记为nbrbest信道,该信道干扰预测指标记为< Unbrirest, Vnbrbest > ;最后best信道和nbrbest信道进行比较,设定松弛变量Ubest和“，若unbAest在[ubest, Ubes + “」之间，且Vntobest在[vbe；st，Vbest+ ?」之间，则选择nbrbest信道为目的信道,反之选择best信道为目的信道。
6.根据权利要求5所述的一种增强Zigbee通信性能的方法，其特征在于所述"力8%，所述A为lOdBm。
7.根据权利要求1、2、5中所述的任一种增强Zigbee通信性能的方法，其特征在于所述干扰预测指标<11，V >的获取方法是，首先通过多轮探测工作信道的干扰密度或干扰强度并获得u或V的测量值，记为X’\多次测量获得 然后通过以下公式分别进行加权处理:
8.根据权利要求7所述的一种增强Zigbee通信性能的方法，其特征在于所述加权系数α 取值 0.125。
【文档编号】H04W72/12GK103561474SQ201310556706
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】周贵祥, 胡回春, 文博, 李实秋, 刘莎莎, 赵锋 申请人:南京熊猫电子制造有限公司