IEEE 802.15.4协议无线传感器网络干扰测试∗

何 平

（襄阳职业技术学院 襄阳 441050）

IEEE 802.15.4协议无线传感器网络干扰测试∗

何 平

（襄阳职业技术学院 襄阳 441050）

在IEEE 802.15.4协议与WLAN局域网系统共存情况下，对IEEE 802.15.4协议下射频层的抗干扰性能进行实验研究。使用TI射频芯片CC2430，根据课题目的设计节点间的无线通信程序，解决了针对研究IEEE 802.15.4通信协议抗干扰性能研究需要解决的关键技术问题：DMA控制器的数据传输方式、接收节点从寄存器读取RSSI值、发送节点发送功率循环改变、发送节点及接收节点的信道循环改变并同步。根据CC2430提供的信道质量参数对不同条件下的IEEE 802.15.4抗干扰性能进行实验测试并对实验结果进行数据分析，综合测量数据，给出多种典型情况下干扰影响的定量分析。同时，分析了影响射频层丢包率的因素及其与接收信号强度指示RSSI的相关性。

无线传感器网络；IEEE 802.15.4协议；无线局域网干扰；丢包率；RSSI

1 引言

无线传感器网络是当前信息技术领域研究与应用的热点之一，经过多年的发展，无线传感器网络已经快速进入实用阶段［1］。IEEE 802.15.4通信协议是专门针对无线传感器网络设计的通信协议，是无线传感器网络通信协议中物理层与MAC层的具体实现［2］。实际应用环境中，存在各种干扰因素，导致无线传感器网络拓扑频繁变化和部分节点孤立，影响无线传感器网络数据传输的可靠性，也会因通信量增加而大量消耗能量，缩短无线传感器网络生存时间［3］。基于IEEE 802.11b通信协议的无线局域网是重要的干扰源之一，它与无线传感器网络不可避免地会近距离共存。因此，研究IEEE 802.15.4通信协议抗干扰性能具有重要现实意义。

2 干扰研究衡量指标

以丢包率为通信质量的衡量指标，研究WLAN与IEEE 802.15.4共存时，WLAN对IEEE802.15.4的干扰情况。

丢包率是指测试中丢失数据包数量占所发送数据包的比率。丢包率按下式计算［4］：

根据WLAN的频段占用情况，首先研究频段重叠时IEEE802.15.4通信质量的变化情况。其次，无线信号的强度将直接影响到信号的传输距离以及接收信号的强度，将研究IEEE 802.15.4数据发送节点发送功率强度的变化对通信质量的影响。另外，RSSI值是判定链路质量的一个重要指标，空载时观察RSSI的平均值，是判断干扰情况的最主要手段。

无线传感器网络干扰测试主要进行三方面进行研究：WLAN工作信道对IEEE 802.15.4信道丢包率的影响；干扰环境不变时，IEEE 802.15.4发送功率对丢包率的影响；射频层丢包率与RSSI的相关性。

3 关键技术的实现

无线传感器网络干扰测试系统采用TI的CC2430射频芯片。CC2430是用来实现嵌入式Zig-Bee应用的片上系统，支持2.4GHz IEEE 802.15.4协议。芯片集成了RF收发器、增强工业标准的8051 MCU、大容量的闪存和SRAM等高性能模块。对CC2430射频芯片的开发在IAR开发环境下进行［5］。

3.1 DMA控制器

首先完成对DMA信道的配置。DMA信道把DMAARM置1，便能进入工作状态。进入工作状态之后，若用户设定好的DMA触发事件发生，则DMA传送开始。

发送节点的数据传送部分程序段设计如下：

RFD=（pPacketPointer-＞payloadLength + SPP_HEADER_AND_FOOTER_LENGTH）；

RFD=pPacketPointer-＞destAddress；

RFD=myAddress；

RFD=pPacketPointer-＞flags；

if（pPacketPointer-＞payloadLength）

｛

DMA_ARM_CHANNEL（dmaNumberTx）；

DMA_START_CHANNEL（dmaNumberTx）；

｝

上述程序段实现了将数据包长度、地址以及标志位写入到TXFIFO的功能，并且调用DMA控制器开始数据传送。

3.2 接收信号强度指示器（RSSI）

RSSI的值是判定链路质量的一个重要指标，空载时观察RSSI的平均值，是判断干扰情况的最主要手段［6］。

RSSI寄存器值RSSI.RSSI_VAL在射频中涉及到的电能P，可通过下式计算［7］：

式中，OFFSET是一个系统开发期间得到的来自前端增益的经验值。其近似值为-45。

CC2430通过硬件校验CRC，将RSSI的值附加到数据帧之中。接收节点发送RSSI的值至串口的程序设计如下：

U0DBUF=RSSIL；

while（UTX0IF==0）；

UTX0IF=0；

3.3 空闲信道评估（CCA）

空闲信道评估（CCA）基于测量到的RSSI值以及通过编程来设置的阈值。IEEE 802.15.4一共指定了三种CCA模式，CC2430射频芯片可以全部实现［8］。三种CCA模式都是通过设置MDMCTRL0L.CCA_MODE来完成。CCA的程序实现如下：

if（FSMSTATE＞30）

｛

sppTxStatus=TX_IN_PROGRESS；

if（pPacketPointer-＞flags&DO_ACK）

｛

pAckData=pPacketPointer；

DMA_ABORT_CHANNEL（dmaNumberRx）；

waitForAck（）；

｝

else

｛

pAckData=NULL；

｝

RFIM|=IRQ_TXDONE；

｝

else

｛

ISFLUSHTX；

res=CHANNEL_BUSY；

RFIM&= ～IRQ_TXDONE；

if（！（pPacketPointer-＞flags&RETRANSMISSION））

｛

pPacketPointer-＞flags^=SEQUENCE_BIT；

｝

｝

｝

3.4 频率和信道

IEEE 802.15.4 指定 16个信道［9］。它们位于2.4GHz频段之内，步长为 5MHz，编号为 11～26［10］。信道k的RF频率由IEEE 802.15.4指定：

Fc=2405+5（k-11）MHz k=（11，12，…，26）

实现了发送节点和接收节点的信道切换。其中，接收节点的信道切换是通过按键中断的方式实现的。程序实现如下：

#ifndef device1

#pragma vector=P0INT_VECTOR

__interrupt void P0_ISR（void）

｛

if（P0IFG＞0）

｛EA=0；//关中断

halWait（50）；//延时防抖

if（P0_4==1）

｛P0IFG=0；

RX_CHANNEL+=1；

…

…

…

｝

｝

｝

频率初始化是通过以下语句实现的：

UINT32 frequency=2405000+（（UINT32）CHANNEL-11）*5000；

其中，CHANNEL的值对应上述程序段中RX_CHANNEL的值。

4 干扰研究方案设计

4.1 干扰研究的测试场景

实验设置两种场景。场景一是无明显不可控干扰的实验室环境以及在该环境下设定可控干扰源。场景一介绍如下：实验室长约6m，宽约5m。IEEE802.11b可控干扰源与IEEE 802.15.4通信节点布局如图2所示。通过路由器、两台笔记本电脑搭建无线局域网，它们按照电脑、路由器、电脑的顺序依次并排摆放，间隔很小。两个CC2430通信节点之间的距离为1m。WLAN干扰源与通信节点之间的垂直距离为3.2m。设定无线路由器工作在某一特定信道，两台笔记本电脑之间以10Mbit/s左右的稳定速率进行大文件传输，构成相对稳定的WLAN干扰源，作为可监控的特定WLAN干扰。

场景二是WLAN覆盖比较广泛的街道，存在明显不可控干扰。在该场景下进行实验时保持两个CC2430通信节点的距离为1m。

图1 场景一中IEEE 802.11b干扰源与IEEE 802.15.4通信节点布局

4.2 干扰研究实验设计

设计四组实验：

第一组在场景一中进行，测量WLAN工作信道对IEEE 802.15.4不同信道丢包率的影响。该组包括以下两个实验：

实验1：无可监控的固定WLAN干扰信号。

实验2：设定可控特定的无线局域网干扰。无线路由器分别设置工作在第2信道与第11信道。

第二组即实验3，在场景一中进行，测量干扰环境不变的情况下，IEEE 802.15.4发送功率对丢包率的影响。设置IEEE 802.15.4节点发送功率依次为-25dBm、-15dBm、-3dBm、-1dBm、0dBm。

第三组即实验4，在场景一中进行，研究影响射频层丢包率的因素与RSSI的相关性。

第四组即实验5，在场景二中进行，研究WLAN干扰源信道、强度未知的情况下，IEEE 802.15.4通信节点受WLAN的影响情况。

4.3 WLAN信道变化对节点丢包率的影响

该组实验中，CC2430无线通信节点射频发送功率设定为-10dBm，从11信道开始，每个信道发送1000个数据包后切换至下一个信道，直至26信道。数据包在发送过程中不采用数据包重发机制，启用空闲信道评估技术。

图2 无可监控的固定干扰信号时的丢包率

实验1：无可监控的固定WLAN干扰信号。根据式（1）计算得，丢包率如图2所示。其中，横坐标表示IEEE 802.15.4信道，纵坐标表示丢包率。

实验2：设定可控特定的无线局域网干扰。无线路由器分别设置工作在第2信道与第11信道。得到丢包率情况如图3所示。

图3 存在可控干扰信号时的丢包率

图2 显示，当无可监控的固定干扰信号时，通信节点没有出现明显的丢包现象，13，14，15等八个信道的丢包率为零，其余信道最高丢包率不超过1.1%。可知周围环境WLAN对IEEE 802.15.4每个信道的干扰都是极其微小的，这与实验环境周围无固定大功率的WLAN干扰源存在相符。

图3显示，当WLAN设定为2信道时，IEEE 802.15.4的第13，14，15，16信道的丢包率很高，分别为88.1%，88.9%，94.6%和87.9%，其它信道为零丢包率或接近零丢包率。当WLAN设定为11信道时，IEEE 802.15.4的21，22，23，24信道的丢包率很高，分别为77.9%，94.4%，91.5%和70%，其它信道为零丢包率或接近零丢包率。

图2与图3对比得知，WLAN干扰源影响的是通信频段与之重叠的IEEE 802.15.4信道。当WLAN干扰源信号很强时，对与之信道重叠的四个IEEE 802.15.4信道产生严重的干扰，有的信道丢包率甚至达到了94%以上，造成信道阻塞。

由此，得到一个重要的实验结论：每个WLAN信道会严重影响与之频段重叠的四个IEEE 802.15.4信道的数据传输，而对不重叠的IEEE 802.15.4信道基本不存在影响。因此，在WLAN干扰下，选择合适的IEEE 802.15.4信道可大大提高其通信质量。

4.4 IEEE 802.15.4节点发送功率变化

实验3：无线路由器工作频段设置在11信道，CC2430通信节点设定为24信道。数据包在发送过程中不采用数据包重发机制，启用空闲信道评估技术。改变节点发送功率分别为-25dBm、-15dBm、-3dBm、-1dBm、0dBm，采集到24信道的丢包率以及数据包RSSI平均值如图4所示。其中，数据RSSI值是在接收数据包的同时获取计算的，可认为是数据包的强度。

图4 丢包率与数据包RSSI的关系

图4 显示，当节点发送功率为-25dBm，即数据包RSSI平均值为-88.9dBm时，24信道丢包率为97%，信道几乎完全被阻塞。当节点发送功率逐渐增大，依次为-15dBm、-3dBm、-1dBm、0dBm时，24信道丢包率依次为94.7%、92.2%、90.3%和73%。

图6的实验结果分析表明，当WLAN干扰强度基本不变时，随着无线通信节点射频发送功率的增大，丢包率逐渐减小。因此，在应用到实际工作中时，可以通过提高节点发送功率来减小丢包率。但是，在节点能源不能及时补充的情况下，提高节点发送功率要以缩短节点的生存周期为代价。在实际应用中，可采用功率动态调整的方式达到能耗与通信质量的平衡。

4.5 影响射频层丢包率大小的因素与环境RSSI值的相关性

实验4：进行实验2时，同时采集了无线路由器工作在2信道和11信道时环境RSSI平均值。为方便对比，记录丢包率以及环境RSSI平均值如图5所示。其中，环境RSSI值是数据包传送间隙内获取计算的，此时无数据包到达，可认为是环境噪声的强度。图5中，横坐标表示IEEE 802.15.4信道，主纵坐标轴表示丢包率，次纵坐标轴表示环境RSSI平均值。

图5 存在可控干扰信号时的环境RSSI平均值

显示，当WLAN设定为2信道时，与其频段重叠的IEEE 802.15.4的12、13、14、15信道的环境RS-SI平均值在-80dBm～-70dBm之间，明显大于其它信道的环境RSSI值，而这四个信道的丢包率也明显远远大于其它信道。当WLAN设定为11信道时，与其频段重叠的IEEE 802.15.4的21、22、23、24信道的环境RSSI平均值在-90dBm～-75dBm之间，明显大于此时其它信道的环境RSSI值，而这四个信道的丢包率也明显远远大于其它信道。

图5的实验数据表明，当存在特定信道的WLAN干扰源时，与其频段重叠的IEEE 802.15.4信道的环境RSSI明显增大。环境RSSI值明显增大时，信道丢包率也明显上升。在无线传感器网络实际应用中，需要对信道的受干扰情况进行分析并通过跳频的方式动态调整工作信道，以避开受干扰比较严重的信道，保证无线传感器网络的链路质量。该实验表明，RSSI可以实时反映IEEE 802.15.4信道的受干扰情况。因此，在实际应用中，可以对RSSI进行实时监控，将其作为判断链路质量的一项动态指标，确定跳频方案。

4.6 WLAN干扰源信道、强度未知

实验5：本次实验在WLAN覆盖比较广泛的街道上进行。其余的实验步骤同实验1，实验结果如图6所示。

图6 WLAN干扰源未知时的丢包率

图6 显示，IEEE 802.15.4信道的丢包率起伏不定，最大丢包率出现在13信道，为33%，最小丢包率出现在26信道，为5.7%，且丢包率的大小变化也是无确定规律的。由此可见，此时，IEEE 802.15.4信道的丢包率呈现出随机性现象。

由于该实验在街道上进行，街道周围可能有多个WLAN干扰源存在，其工作信道未知，与实验用的通信节点的距离远近不一，因此WLAN干扰源强度不定，对通信节点各个信道的影响也呈现出一定的随机性。观察图6得到，IEEE802.15.4每个信道都不同程度地受到很大影响，有的信道丢包率达到30%以上，这在很大程度上影响了IEEE 802.15.4通信节点数据包传输的可靠性与稳定性。

5 结语

本文得到三个重要结论：每个WLAN信道会严重影响与之频段重叠的四个IEEE 802.15.4信道的数据传输，而对不重叠的IEEE 802.15.4信道基本不存在影响。当WLAN干扰强度基本不变时，随着IEEE 802.15.4无线通信节点射频发送功率的增大，IEEE 802.15.4通信质量受WLAN的干扰影响程度逐渐减弱。当存在特定信道的WLAN干扰源时，与其频段重叠的IEEE 802.15.4信道的环境RSSI明显增大。环境RSSI值与信道丢包率为正相关关系。

［1］Kannan Srinivasan，Prabal Dutta，Arsalan Tavakoli，et al.An empirical study of low-power wireless［J］.ACM Transaction on Sensor Networks，2010，6（2）：1-48.

［2］Ompra Gnawali，Rogriao Fonseca，Kyle Jamieson，et al.Collection Tree Protocol［C］//In：Proc.of 7th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems（Sen-Sys），2009：1-14.

［3］Jan-Hinrich Hauer，Vlado Handziski and Adam Wolisz.Experimental Study of the Impact ofWLAN Interference on IEEE 802.15.4 Body Area Networks［J］.Lecture Notes in Computer Science，2009：17-32.

［4］Axel Sikora，Voicu F.Groza.Coexistence of IEEE 802.15.4 with other Systems in the 2.4GHz-ISM-Band［J］.IMTC 2005-Instrumentation and Measurement Technology Conference，Ottawa，Canada，2005：1786-1791.

［5］Wang C，Ma J.Availability analysis and compassion of different intrusion-tolerant systems［J］.Lecture Notes in Computer Science.2004，3309：161-166.

［6］Zhang J M，Gu L F Wang LM.Reliable transmission method with energy-awareness for wireless sensor networks［J］.International Journal of Computer Network&Information Security，2006（5）：1-5-110.

［7］Karpinski M，Senart A，Cahill V.Sensor Networks for Smart Roads［C］//In Proceeding of the 2nd IEEE International Workshop on Sensor Networks and Systems for Pervasive Computer（PerSeNA），2006：158-167.

［8］Rãzvan Musãloiu-E，Andreas Terzis.Minimising the effect ofWiFi interference in 802.15.4 wireless sensor networks［J］.International Journal of Sensor Networks.2008，3（1）：43-54.

［9］Karayannis G.Standards-based wireless networking alternatives，”Intelligent Systems［J］.Statistics&Risk Modeling，2003，31（4）：2.

［10］Karayannis G.Standards-Based Wireless Networking Alternatives［J］.Sensors，2003，20：26-30.

IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Network Protocol Interference Testing

HE Ping
（Xiangyang Vocational and Technology College，Xiangyang 441050）

Under the IEEE 802.15.4 protocol and LAN system WLAN coexistence，layer anti-jamming performance under IEEE 802.15.4 radio protocol is studied experimentally.TI radio frequency chip CC2430 is used according to the radio communication program design task object nodes to solve the key problems study IEEE 802.15.4 communication protocol for the study of anti-jamming performance need to be addressed：DMA controller for data transmission，the receiving node from the register read RSSI value，the sending node transmit power cycle changes，the sending node and the receiving node channel circulation changes and synchronization.According to channel quality parameters provided by the CC2430 and experimental test results for data analysis of IEEE 802.15.4 jamming performance under different conditions，measurement data is integrated，a variety of interference effects typically quantitative analysis are given.At the same time，it analyzes the factors affecting the RF layer packet loss rate and the

signal strength indication RSSI correlation.

wireless sensor networks，IEEE 802.15.4 protocol，WLAN interference，packet loss rate，RSSI

TP61

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.036

Class Number TP61

2017年5月7日，

2017年6月57日

何平，女，讲师，研究方向：计算机网络、物联网，数据库。