CN107155208A - 基于信道优先级排序的ZigBee抗干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信道优先级排序的ZigBee抗干扰方法，检测ZigBee网络中的当前信道是否受到WiFi信道的干扰，如果当前信道受到干扰，选择第一优先级中距离当前信道最远的信道并检测该信道是否可用—即是否受到WiFi信道的干扰，如果可用，将ZigBee网络节点的当前信道跳变到第一优先级中距离当前信道最远的信道，如果不可用，则选择第一优先级中的次远距离信道并检测该信道是否可用，以此类推，依次判断完第一优先级中的所有信道，再判断第二优先级中的信道，然后判断第三优先级中的信道，直到找到可用信道并将ZigBee网络节点的当前信道跳变到该可用信道；本发明能够快速高效地进行信道跳变，同时也更加节约能量，延长ZigBee网络节点电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于信道优先级排序的ZigBee抗干扰方法。
背景技术
在实际环境中存在着复杂的电磁信号，特别是WiFi与ZigBee之间存在着较强的电磁干扰，由于ZigBee具有较小的发射功率,因此ZigBee系统更容易受到干扰的影响。在实际环境中WiFi对ZigBee的影响最大，并且ZigBee临近信道之间可靠性存在着强烈的正相关性。ZigBee的16个信道中距离WiFi信道中心越远，受到的干扰越小(见附图1)。
2.4G频段作为国际规定的免费频段，存在着大量的无线信号，如ZigBee、WiFi、Bluetooth等，在实际网络环境中，ZigBee网络需要与这些网络共存，由于ZigBee具有较小的发射功率,因此ZigBee系统更容易受到干扰的影响。ZigBee把2.4GHz的ISM频段划分为16个信道，每个信道带宽为2MHz。WiFi将该频段划分为13个信道，信道带宽为22MHz，WiFi(中国)最常用的信道是1、6、11。当ZigBee和WiFi同时使用相同频段通信时，会产生同频干扰。研究表明，ZigBee对WiFi性能的影响几乎可以忽略，但WiFi严重影响ZigBee系统的吞吐量和丢包率，所以探求一种ZigBee的抗干扰方法显得很重要。
ZigBee网络具有以下特点：1.ZigBee网络能够通过少量的信道跳变即可极大的提高通信的可靠性；2.信道跳变决策必须根据信道的实时观测状态做出决定；3.相邻信道相关性很强，当当前信道收到干扰时，要尽可能选择较远的信道。
在现有技术中，信道检测方法直接采用ED的方式，消耗了过多能量，大大降低了电池的使用寿命；在信道跳变时，以WiFi作为干扰源作为研究对象时，未充分考虑到临近信道之间可靠性存在着强烈的正相关性的问题，以2.4G网络作为研究对象时，未充分考虑到WiFi做为2.4G网络中对ZigBee影响最大的因素，对ZigBee网络的干扰起到主导作用。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种提高信道跳变速度和成功率的基于信道优先级排序的ZigBee抗干扰方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于信道优先级排序的ZigBee抗干扰方法，该方法如下：
检测ZigBee网络中的当前信道是否受到WiFi信道的干扰，如果当前信道受到干扰，选择第一优先级中距离当前信道最远的信道并检测该信道是否可用—即是否受到WiFi信道的干扰，如果可用，将ZigBee网络节点的当前信道跳变到第一优先级中距离当前信道最远的信道，如果不可用，则选择第一优先级中的次远距离信道并检测该信道是否可用，以此类推，依次判断完第一优先级中的所有信道，再判断第二优先级中的信道，然后判断第三优先级中的信道，直到找到可用信道并将ZigBee网络节点的当前信道跳变到该可用信道；
其中所述第一优先级包含信道15,20,25,26，第二优先级包含信道11,14,16,19,21,24，第三优先级包含信道12,13,17,18,22和23，上述三个优先级的划分是按照ZigBee信道与三个常用WiFi信道1、6、11中心距离的不同，进行的等级划分。
进一步的，在检测信道是否受到干扰时，我们采用ACK与ED相结合的方式：当在指定时间内ACK未被接收到时，NACK计数器增加一个数值，发送端重新发送数据包；如果NACK计数器超过一定的阀值时，发送端停止重新发送转而进行能量检测ED以确定是否是干扰导致了数据传输失败，如果ED结果—即RSSI超过预定阀值，则信道受到WiFi信道干扰，否则信道没有受到WiFi信道干扰。
该方法依赖于ZigBee网络设备以及存储于该设备中的信道检测和切换程序，所述程序设置第一干扰检测模块，第二干扰检测模块，信道切换判断模块，广播模块，所述程序基于设备的信道检测、切换流程步骤如下：
1)第一干扰检测模块实时监测数据包中的ACK，如果在规定时间内收到ACK,NACK计数器清零；如果在规定时间内未收到ACK时，NACK计数器从零开始加1，发送端重新发送数据，当NACK计数器超过设定的阀值时，发送端停止发送数据，进入步骤2)；
2)第二干扰检测模块根据第一检测模块提供的结果，NACK计数器超过预定阀值进行ED，一旦检测结果RSSI值超过预定阀值，则视为检测到干扰，并进入步骤3)，如果RSSI值没有超过预定阀值，则NACK计数器清零，继续进行ACK实时监测；
3)信道切换判断模块根据步骤2)的结果，利用ED的方式判断按照优先级排序第一信道是否是可用信道，如果不可用继续判断第二信道，直到找到可用信道，进入步骤4)；其中第一信道是第一优先级中距离当前信道最远的信道，第二信道是第一优先级中的次远距离信道，以此类推，第十六信道是第三优先级中距离当前信道最近的信道；
4)广播模块根据信道切换判断模块的判断结果，在当前信道上向邻居节点广播信道选定帧，使整个系统切换到可用信道。
优选的，该方法的信道检测和切换程序集成于ZigBee抗干扰协议。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明在干扰检测时采用ACK+ED的方式，在信道跳变时，按照优先级以及与当前收到干扰的信道的距离作为判断依据，对信道进行排序，按照排序次序进行信道跳变，能够快速高效地进行信道跳变，同时也更加节约能量，延长ZigBee网络节点电池的使用寿命。
附图说明
图1是本发明ZigBee信道示意图；
图2是本发明干扰检测流程图；
图3是本发明流程图；
图4是本发明信道跳变流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明做进一步详细描述：
本发明是一种基于信道优先级排序的ZigBee抗干扰方法，本发明基于ACK+ED干扰检测的方式和基于信道优先级排序的思想提出了一种新的ZigBee网络抗干扰方法。在目前已有的干扰检测方法中，有的直接采用ED的方式，会消耗过多的能量，降低网络节点的续航能力；有的采用PER+ED方式，在确定PER时需要根据一段时间内的数据包进行判断，当ZigBee网络受到干扰时，反应延时较大。本发明采用ACK+ED的方式，提高了干扰检测的反应速度同时也节约了网络节点电池的使用寿命，对ZigBee网络这种对低功耗要求严格的网络具有重要作用。在进行信道选择时，现有的方法中有考虑到WiFi作为主干扰因素，根据距离三个WiFi信道(信道1、6、11)的中心距离，对ZigBee信道进行分级，但是没有充分考虑到相邻信道可靠性存在强烈的正相关性，在进行信道跳变时，一次成功率较低，尝试跳变次数增加会使ED增加从而消耗更多能量。本发明在考虑WiFi作为主影响因素的基础上充分考虑到相邻信道之间的关系，提高了一次跳变的成功率。
具体方法如下：
检测ZigBee网络中的当前信道是否受到WiFi信道的干扰，如果当前信道受到干扰，选择第一优先级中距离当前信道最远的信道并检测该信道是否可用—即是否受到WiFi信道的干扰，如果可用，将ZigBee网络节点的当前信道跳变到第一优先级中距离当前信道最远的信道，如果不可用，则选择第一优先级中的次远距离信道并检测该信道是否可用，以此类推，依次判断完第一优先级中的所有信道，再判断第二优先级中的信道，然后判断第三优先级中的信道，直到找到可用信道并将ZigBee网络节点的当前信道跳变到该可用信道；
其中所述第一优先级包含信道15,20,25,26，第二优先级包含信道11,14,16,19,21,24，第三优先级包含信道12,13,17,18,22和23，上述三个优先级的划分是按照ZigBee信道与三个常用WiFi信道1、6、11中心距离的不同，进行的等级划分。
在检测信道是否受到干扰时，我们采用ACK与ED相结合的方式：当在指定时间内ACK未被接收到时，NACK计数器增加一个数值，发送端重新发送数据包；如果NACK计数器超过一定的阀值时，发送端停止重新发送转而进行能量检测ED以确定是否是干扰导致了数据传输失败，如果ED结果—即RSSI超过预定阀值，则信道受到WiFi信道干扰，否则信道没有受到WiFi信道干扰。
本发明提出的抗干扰算法可以利用内置于ZigBee网络的网络节点，通过软件或者硬件集成的方式来实现对干扰的处理，根据功能可以划分为干扰检测模块，利用NACK+ED的方式检测信道是否受到干扰，并向信道切换模块反馈检测结果(网络节点实时分析ACK，当ACK未检测到时NACK计数器加1，当NACK超过阀值时，网络节点进行能量检测如果RSSI值超过阀值时，则检测结果为当前信道受到干扰，如果RSSI没有超过阀值时，检测结果为当前信道没有受到干扰；如果检测到ACK则NACK计数器清零)。在这里NACK阀值和RSSI阀值可以根据具体要求进行设置，当对通信质量要求较高时，可以将这两个阀值设置的低一些，当对通信质量要求一般时，可以将这两个阀值设置的高一些。信道切换模块从干扰检测模块接收检测结果，如果受到干扰，切换到第一优先级中距离当前信道最远的信道，并将切换后的信道传输给信道判断模块；信道判断模块利用ED的方式判断当前信道是否是可用信道，如果RSSI超过阀值，则判断当前信道不可用，则按照信道排序，尝试使用第二优先信道，如果RSSI没有超过阀值，则判断当前信道可用，并将判断结果传输给广播模块。广播模块根据信道判断模块的判断结果，如果判断结果指示切换后信道是可用信道，则在当前信道上向邻居节点广播信道选定帧，所有接收到该信道选定帧的邻居节点记录下该信道号，并向其回复应答帧，当接收到整个网络的其他节点的应答帧时，网络同步切换到可用信道。
本发明基于软硬件结合的抗干扰处理流程步骤如下：
1)第一干扰检测模块实时监测数据包中的ACK，如果在规定时间内收到ACK,NACK计数器清零；如果在规定时间内未收到ACK时，NACK计数器从零开始加1，发送端重新发送数据，当NACK计数器超过设定的阀值时，发送端停止发送数据，进入步骤2)；
2)第二干扰检测模块根据第一检测模块提供的结果，NACK计数器超过预定阀值进行ED，一旦检测结果RSSI值超过预定阀值，则视为检测到干扰，并进入步骤3)，如果RSSI值没有超过预定阀值，则NACK计数器清零，继续进行ACK实时监测；
3)信道切换判断模块根据步骤2)的结果，利用ED的方式判断按照优先级排序第一信道是否是可用信道，如果不可用继续判断第二信道，直到找到可用信道，进入步骤4)；其中第一信道是第一优先级中距离当前信道最远的信道，第二信道是第一优先级中的次远距离信道，以此类推，第十六信道是第三优先级中距离当前信道最近的信道；
4)广播模块根据信道切换判断模块的判断结果，在当前信道上向邻居节点广播信道选定帧，使整个系统切换到可用信道。
本发明的抗干扰方法，可以集成于ZigBee抗干扰协议中，根据此方法设计的ZigBee抗干扰协议，在ZigBee网络生存期间一直存在。ZigBee网络会依据协议中的规定，按照当前信道状态，进行相应的检测，判断，信道切换等步骤。
术语解释：
RSSI：Received Signal Strength Indication接收的信号强度指示，无线发送层的可选部分，用来判定链路质量。
ED(energy detection)能量检测：检测当前ZigBee信道是否存在干扰，若RSSI超过能量门限，网络节点检测的结果为受到干扰，若RSSI没有超过能量门限，网络节点检测的结果为没有受到干扰。
ACK：在数据通信传输中，接收端发给发送端的一种传输控制字符。它表示确认发来的数据已经接收无误。
NACK：对ACK的一个计数器。
PER：(Packet Error Rate)网络节点检测误包率。
Claims (4)
1.一种基于信道优先级排序的ZigBee抗干扰方法，其特征在于，该方法如下：
检测ZigBee网络中的当前信道是否受到WiFi信道的干扰，如果当前信道受到干扰，选择第一优先级中距离当前信道最远的信道并检测该信道是否可用—即是否受到WiFi信道的干扰，如果可用，将ZigBee网络节点的当前信道跳变到第一优先级中距离当前信道最远的信道，如果不可用，则选择第一优先级中的次远距离信道并检测该信道是否可用，以此类推，依次判断完第一优先级中的所有信道，再判断第二优先级中的信道，然后判断第三优先级中的信道，直到找到可用信道并将ZigBee网络节点的当前信道跳变到该可用信道；
其中所述第一优先级包含信道15,20,25,26，第二优先级包含信道11,14,16,19,21,24，第三优先级包含信道12,13,17,18,22和23，上述三个优先级的划分是按照ZigBee信道与三个常用WiFi信道1、6、11中心距离的不同，进行的等级划分。
2.根据权利要求1所述的基于信道优先级排序的ZigBee抗干扰方法，其特征在于：在检测信道是否受到干扰时，我们采用ACK与ED相结合的方式：当在指定时间内ACK未被接收到时，NACK计数器增加一个数值，发送端重新发送数据包；如果NACK计数器超过一定的阀值时，发送端停止重新发送转而进行能量检测ED以确定是否是干扰导致了数据传输失败，如果ED结果—即RSSI超过预定阀值，则信道受到WiFi信道干扰，否则信道没有受到WiFi信道干扰。
3.根据权利要求1或2所述的基于信道优先级排序的ZigBee抗干扰方法，其特征在于：该方法依赖于ZigBee网络设备以及存储于该设备中的信道检测和切换程序，所述程序设置第一干扰检测模块，第二干扰检测模块，信道切换判断模块，广播模块，所述程序基于设备的信道检测、切换流程步骤如下：
1)第一干扰检测模块实时监测数据包中的ACK，如果在规定时间内收到ACK,NACK计数器清零；如果在规定时间内未收到ACK时，NACK计数器从零开始加1，发送端重新发送数据，当NACK计数器超过设定的阀值时，发送端停止发送数据，进入步骤2)；
2)第二干扰检测模块根据第一检测模块提供的结果，NACK计数器超过预定阀值进行ED，一旦检测结果RSSI值超过预定阀值，则视为检测到干扰，并进入步骤3)，如果RSSI值没有超过预定阀值，则NACK计数器清零，继续进行ACK实时监测；
3)信道切换判断模块根据步骤2)的结果，利用ED的方式判断按照优先级排序第一信道是否是可用信道，如果不可用继续判断第二信道，直到找到可用信道，进入步骤4)；其中第一信道是第一优先级中距离当前信道最远的信道，第二信道是第一优先级中的次远距离信道，以此类推，第十六信道是第三优先级中距离当前信道最近的信道；
4)广播模块根据信道切换判断模块的判断结果，在当前信道上向邻居节点广播信道选定帧，使整个系统切换到可用信道。
4.根据权利要求1或2所述的基于信道优先级排序的ZigBee抗干扰方法，其特征在于：该方法的信道检测和切换程序集成于ZigBee抗干扰协议。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170912 |