無線通信設(shè)計秘密二：時分和頻分復(fù)用

2017-06-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一

二大MAC層協(xié)議

我們知道,MAC層協(xié)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(fā)送者;其次,它要盡可能地節(jié)省電能,尤其是用電池供電的微功率無線網(wǎng)絡(luò),電能往往意味著“生命”;最后,它還要保證通信的健壯和穩(wěn)定性,抵抗來自:復(fù)雜的通信環(huán)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(shè)備同時工作)的挑戰(zhàn)。

無線MAC協(xié)議有許多種,從解決“發(fā)送沖突”的角度來看,大抵分成2種:競爭搶占信道和時分復(fù)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(jié)點,這些無線節(jié)點都“競爭上崗”。

無線通信設(shè)計秘密二：時分和頻分復(fù)用ansysem分析案例圖片1

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

無線通信設(shè)計秘密二：時分和頻分復(fù)用ansysem分析案例圖片2

競爭信道的優(yōu)點是:算法簡單,容易實現(xiàn),同時方便擴展網(wǎng)絡(luò);缺點是:沖突帶來能量的損失,更多的延時和后續(xù)沖突。

2.時分復(fù)用

加州大學(xué)伯克利分校主導(dǎo)的OpenWSN是時分復(fù)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(jié)點同時通信。因為通信雙方都是嚴(yán)格地在自己分配的slot進行通信,從理論上講是“沒有沖突”的。
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這種協(xié)議的優(yōu)點是:節(jié)省電能,最大化使用帶寬。缺點是:1. 所有節(jié)點需要精確的時鐘源,并且需要周期性校時;2. 向網(wǎng)絡(luò)中添加和刪除節(jié)點都要有時隙分配和回收算法。

二

一種優(yōu)異的LoRaMAC層設(shè)計

LoRa(Long Rang)無線通信協(xié)議是一種長距離的無線通信技術(shù),它最大的優(yōu)點是距離遠,同時節(jié)能電能;當(dāng)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(wǎng)絡(luò),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(shè)計了iDC10(DataConcentrator)數(shù)據(jù)采集器,它基于星型組網(wǎng),這樣節(jié)點與采集器“單跳”通信,節(jié)省電能;基于時分復(fù)用算法,沒有發(fā)送沖突,達到較好的帶寬使用率;基于頻分復(fù)用算法,抵抗外部干擾和多徑衰退。

1.iDC10時分復(fù)用

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

無線通信設(shè)計秘密二：時分和頻分復(fù)用ansysem學(xué)習(xí)資料圖片4

時分復(fù)用有一個重要的設(shè)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(jù)節(jié)點數(shù)目和時鐘最大漂移系數(shù)來計算slot的合理值。在校時方面,設(shè)計了“節(jié)點主動上傳”的秒級校時,“采集器喚醒”和“信標(biāo)幀”的毫秒級校時。