【無線射頻通信】-無線通信設計的秘密：跳頻技術(shù)

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----無線通信設計的秘密：跳頻技術(shù)一、使用無線跳頻技術(shù)的意義

無線通信的健壯性來自2方面的挑戰(zhàn)：外部干擾和多徑衰退。

外部干擾

在ISM公用頻段，頻率是非常珍貴的資源。如下圖所示，2.4GHz的頻段有WiFi、Bluetooth和ZigBee，還有無繩電話、微波爐等，這樣一來需要避開同頻干擾。

多徑衰退

在實際通信環(huán)境中，墻壁、門、走動的人群、樹木和建筑物都可能造成無線信號的反射。如下圖所示，除直線路徑Pd外，還會疊加其他反射路徑(Pm1和Pm2)的信號，這些混合信號可能會使接收設備無法解碼，這稱之為多徑衰退。

多徑衰退是一個較簡單的問題，由于分析它的全部影響因素幾乎是不行能的。下圖是一個典型的試驗：在X軸長20cm、Y軸長35cm分別安裝一個接收器和放射器，每次移動其中一個設備1cm，統(tǒng)計通信勝利率。

從上述結(jié)果可知，同頻率下那怕僅移動1cm，多徑衰退都可能引起通信勝利率從100%驟降到0%；而同一位置在更換頻率后，通信勝利率也可能從0%改善到100%，這就是跳頻通信帶來的好處。

跳頻通信

解決"外部干擾'和"多徑衰退'的技術(shù)是"跳頻通信'，其含義是，每次通信都更換頻率。如下圖所示，在fb.17~fb.20有噪聲干擾，由于使用跳頻技術(shù)，可以避開干擾信道連續(xù)通信。

二、常見無線通信中抗干擾方法

1.ZigBee

2.4G的zigbee總共可以使用16個信道，頻率從2405MHZ到2480MHZ,zigbee通常使用一個固定的信道（頻率不變）。zigbee假如受到其他2.4G信號（藍牙、WIFI等）的干擾，會自動選擇另外一個干擾少的信道來使用。

ZigBee支持兩種信道接入模式，一種是信標(beacon)模式，一種是非信標模式。

信標模式當中規(guī)定了一種"超幀'的格式，在超幀的開頭發(fā)送信標幀，里面含有一些時序以及網(wǎng)絡的信息，緊接著是競爭接入時期，在這段時間內(nèi)各節(jié)點以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時期，節(jié)點采納時分復用的方式接入信道，然后是非活躍時期，節(jié)點進入休眠狀態(tài)，等待下一個超幀周期開頭又發(fā)送信標幀。

非信標模式比較敏捷，節(jié)點均以競爭方式接入信道，不需要周期性的發(fā)送信標幀。

明顯，在信標模式當中由于有了周期性的信標，整個網(wǎng)絡的全部節(jié)點都能進行同步，但這種同步網(wǎng)絡的規(guī)模不會很大。實際上，在ZigBee當中用得更多的可能是非信標模式。

2.Bluetooth

藍牙采納了AFH（AdaptiveFrequencyHopping），LBT（ListenBeforeTalk）、功率掌握等一系列獨特的措施克服干擾，避開沖突。

AFH頻率自適應掌握是在跳頻通信過程中，拒絕使用那些曾經(jīng)用過但是傳輸不勝利的頻點，使跳頻通信在無干擾的可使用的頻點上進行，從而大大提高跳頻通信中接收信號的質(zhì)量。

Bluetooth采納跳頻擴頻（FHSS）技術(shù)，使用79個信道，每個信道占用1MHz，信號不斷以1600Hz的速率在79個調(diào)頻點間隨機跳動，藍牙信號實際上占用79MHz頻帶。

3.WiFi

WiFi使用DSSS，每信道帶寬為22MHz，采納隨機退避的方式，爭搶使用信道。

4.GSM

GSM的空中接口采納時分多址技術(shù)。GSM是基于窄帶TDMA制式，允許在一個射頻同時進行8組通話。目前GSM所采納的跳頻方式，其特點是在每個突發(fā)脈沖間隔轉(zhuǎn)變一個信道的使用頻率，但在傳輸一個完整的突發(fā)脈沖期間頻率保持不變，其跳頻約為217跳/s，間隔為每個TDMA幀長4.615ms。

5.CDMA

CDMA系統(tǒng)是基于碼分技術(shù)（擴頻技術(shù)）和多址技術(shù)的通信系統(tǒng)，系統(tǒng)為每個用戶安排各自特定地址碼。地址碼之間具有相互準正交性，從而在時間、空間和頻率上都可以重疊。打個比方，將帶寬想像成一個大房子，全部的人將進入惟一的大房子。假如他們使用完全不同的語言，他們就可以清晰地聽到同伴的聲音而只受到一些來自別人談話的干擾。

三、OpenWSN的跳頻算法

OpenWSN為提高通信牢靠性，避開"外部干擾'和"多徑衰退'，使用16信道的跳頻技術(shù)。每個數(shù)據(jù)幀在發(fā)送時隙使用不同的頻率，其頻率計算公式如下：

Frequency=(ASN+channelsOffset)%16

ASN(AbsoluteSlotNumber)即肯定時隙序號，每個時隙加一，全部節(jié)點共享。它的作用是，保證一幀失敗后，下一幀的重傳使用不同的頻率（由于ASN加一）。

channelsOffset是通信雙方"約會