实时无线网的典型技术分析

来源:用户上传      作者:钱光明　易超

　　摘要：看今天的无线网络，不同的频段选择、不同的协议描述、不同的标准出台以及不同的应用登场，都令我们应接不暇。同时，无线网络的可靠性和实时性越来越吸引了应用者和研究者的注意。该文基于2.4G非授权频段，从当今文献中提炼出三个典型技术手段：基于时分的调度技术、多频率、多信道和同时多发。这三个手段是提高无线网络实时性和/或可靠性的重要方法。
　　关键词：时分;跳频;同时多发
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）09-0033-03
　　1 引言
　　相信我们当今的社会生活离不开无线网。在朝着万物互联的方向而努力的同时，人们不会只满足于手机通信、蓝牙耳机、WiFi上网这些应用，自然要考虑将无线网技术用于监测、控制等场合，而这些场合往往要求有更高的可靠性、可调度性和/或其他指标保证，本文称这样的无线网为实时无线网。多年来，许多学者和机构已经开展了这方面的工作。例如，HighwayAddressable Remote Transducer（HART） Communication Founda-tion提出了一个WirelessHART标准[1]，International Society ofAutomation发布过ISAlOO.llac2].促进了IEEE 802.15. 4-TSCH的出台和工业物联网IIoT（Industrial Internet of Things）的研究和应用[3]。相比传统的有线网，无线网络有许多独自的特征。那么，现有技术是如何驾驭这些特征，进而争取到较好的实时指标呢？
　　2 基于时分的调度技术
　　毫无疑问，“延时”是无线网中的一个重要指标。对多个来源的数据采用时分处理，有利于对整个调度过程和延时指标进行把控。因此，从早期的研究[4][5]，到近年的实时无线技术[3][6]，许多都采用TDMA（time division multiple access）的时分方式来进行调度，一个时槽为最小调度单位，系统给不同的任务分配不同的时槽。
　　WirelessHART标准中，每个时槽宽度固定为lOrfisc7]。而在ISAlOO.lla中，时槽宽度则是在节点加入网络时，由统筹全局的系统管理器指定的[8]。若干时槽组成一个超帧（superframe）。整个网络中，超帧周期地重复，它也由系统管理器来管理。当系统管理器为通信的两个节点分配一个连接（link）时，要指定信道和超帧，还要指明相对于该超帧第一个时槽的时槽偏移量，即在哪一个时槽中服务该连接。时槽分配，加上适当的调度算法，可以尽量做到全网的高度计划和协调，使重要指标得到较好的可预见性。
　　基于竞争型协议的无线网不能保障实时性[9l，尤其是重负载的时候。例如IEEE 802.15.4中，一个超帧包含CAP（conten-tion access period）和CFP（collision free period）[10]，在CAP期间，使用带时槽的媒体竞争机制可能导致较长的响应时间[11]。而在后继协议IEEE 802.15. 4-TSCH中，虽然也保留了一种共享时槽用于广播传输，但节点之间的单播数据传送采用与Wire-lessHART -样的分配型时槽（dedicated slot）嘲。
　　基于时槽分配而进行调度的网络是计划型的，不过，它有时也不能完全做到无冲突。比如多个节点同时发出数据请求时[12]，又如多个相邻节点在同一频率通道同一时槽同时发送广告EB（enhanced beacon）时[13]，都必然存在冲突的可能，需要设计合适的调度算法来处理。
　　3 多频率多信道
　　3.1 选频
　　Wifi，蓝牙和zigbee等相关网络都处在2.4G非授权频段，对于工作在同一波段的实时无线网，它们是不可忽视的干扰源。为无线通信选择频率信道时，针对已知的干扰源，可以选择它们不用的信道。例如，基于802.llb/g的WiFi网中，1号、6号和11号信道会成为主要干扰源[6]，但在这几个信道之间存在一定的间隔，在这些间隔中选择通信频率时，就可以避开它们带来的干扰，蓝牙4.0的3个广播信道2402MHz、2426MHz和2480MHz就是这样选择的[14]。
　　对多个2.4G非授权网络的共存问题，还可以采用更深入的研究方法。如一个网络监测并估算另一网络的发包情况，进而采取相应措施，自己发包时选择不同时间和/或不同频率[15]。很明显，这样实施起来比较复杂，并且要取得好的去干扰效果也不容易。
　　同一网络中也存在选频的问题。针对IEEE 802.15. 4-TSCH，文献[6]指出：如何使多个相邻连接（link）在同一时间内不使用同一频率，是一个挑战性的问题。作者提出不能用的黑名单信道（blacklisted channeD要在一定时间内让全网知曉，使得可用信道总数能被及时更新，以便快速计算出一个新信道。文献[13]提出的基于多时槽帧（slotframe）的冲突避免调度算法，既要选时槽，更主要是选频，为将要发送EB的节点在多时槽帧中分配好时频资源。
　　3.2 跳频
　　为了避免临近空间同频率的干扰，早期的蓝牙就采用了跳频技术（frequency hopping），每次数据交换所用的载波频率按一定方式选择，以便较好地避开受干扰的频率通道[14]。蓝牙5.0仍然保留它[16]。早期的IEEE 802.15.4采用了抗干扰能力较好的直序扩频通信技术DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），而在当今为工业物联网IIOT而准备的IEEE 802.15. 4-TSCH标准中，不但保留了DSSS，而且引入了跳频技术，TSCH的英文全称就是Time-Slotted Channel Hopping，即基于时槽的跳频[3]。可见跳频对提高无线通信质量很受重视。 　　為了避开受干扰的频率信道，蓝牙5.0共有40个信道可以选择，IEEE 802.15. 4-TSCH共有16个信道（其中最后一个信道在某些国家不合法）。
　　选频和跳频在文献中似乎没有刻意区分。在无法预知干扰源（外人）的情况下，基于非黑名单不断地变换通信频率，毫无疑问是一个跳频手段。在同一网络中，为了避免临近节点（自己人）的干扰，给各节点选择不同频率的过程称为选频似乎更合适。如果通过各节点自己独立地跳频来选频，那么，要完全避免频率冲突，确实是挑战性的问题。
　　4 同时多发
　　同时多发CT（concurrent transmission）是一个网络同步手段，也是可以提高数据传输成功率的一个引人注目的方法。它始于文献[17]提出的Glossy泛洪结构：正确收到数据包的所有节点，再同时将该包以同频率发送出去。在多跳无线网中，数据发送的过程如波浪前行，使得远端节点正确收包的概率大增。
　　干扰信号相对较弱时，因为捕获效应的存在，节点仍然能够接收数据包[18]。但当节点密度较高时，它们进行同时多发，相互造成的影响会严重降低该包的正确接收概率。很幸运，文献[17]基于IEEE 802.15.4进行分析和实验，指出只要节点间同时发包的时间偏差△不超过0.5μs，就会有很高的正确收包率。这样，节点同时发包尽管是一种相互影响，但是一种construc-tive interference，这种同时多发机制使得整个多跳无线网可以看作一个单一的通信体，进而可以采用经典的单处理器实时调度算法来调度。据此，文献[19]提出了一个Blink协议，采用EDF（earliest deadline first）调度算法[20]，不但正确收包率高，而且可以支持端到端的截止期设定，还能实现最小能耗计算。
　　文献[21]则基于蓝牙5.0进行同时多发，称为BlueFlood。虽然与IEEE 802.15.4的物理层相比，在蓝牙5.0上的效果相对脆弱，但只要同时发包的时间偏差△在一定范围内（如2Mbps速率时△不超过0.25 μS），加上蓝牙特有的高速性能，同时多发是完全可行的。
　　当然，同时多发方式对数据传送的速度会有一定影响。但它不但提高了可靠性，将全网看作一个整体，而且无须收集全局信息。而在WirelessHART和IEEE 802.15. 4-TSCH等协议中，为了得到较好的调度效果，是需要使用全局信息的。
　　5 结束语
　　基于时分的调度技术有利于全网的计划和调度结果的可预见性，选频和跳频有利于抗干扰和进一步减少冲突，同时多发技术有利于进一步提高数据传输的可靠性。实际上，这些手段在其他频段也可大显身手。例如，文献[22]就通过实验证实了同时多发在LoRa网中也是可行的。
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　　基金項目：长沙市科技局资助项目（ZD1802001）
　　作者简介：钱光明，男，教授，主要研究方向为嵌入式和实时系统;易超，男，在读研究生。
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