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【摘要】无线通信技术在日常生活中发挥着越来越重要的作用，无线跳频技术也由于其良好的抗干扰性而被广泛应用。本文在分析跳频原理的基础上，结合SimpliciTI协议中的跳频机制，针对该跳频机制的不足进行了研究和改进，并在MSP430单片机控制CC1100E射频芯片上进行了软件编程，从而进一步提高了该协议中无线跳频机制的抗干扰能力。
【关键词】无线通信；抗干扰；跳频机制
1.引言
随着通信和信息技术的不断发展，无线通信技术的应用步伐不断加快，正日益走向成熟。由于其自身成本低廉、灵活性高、易用性强、施工周期短等优势，无线通信技术广泛应用在智能家居、环境监测、交通管理、医疗卫生、抗灾抢险等领域。然而，它也有一些缺点，如容易受干扰，安全性低，可靠性较差。因此，克服无线通信技术的这些缺点是当前的研究重点。该文就如何提高无线通信的抗干扰问题上，利用MSP430单片机控制CC1100E射频芯片，以SimpliciTI协议为基础，实现和改进了跳频技术，从而提高了无线通信的抗干扰能力。
2.跳频原理
跳频通信技术作为一种有效的抗干扰通信技术，在现代无线抗干扰通信中应用广泛。跳频工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照设定规律进行离散变化的通信方式。从通信技术的实现方式来说，跳频是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的信号[1，2]。与定频通信相比，跳频通信具有良好的抗干扰能力，即使有部分频道被干扰，还可以在其他频道上进行正常的通信。
3.SimpliciTI协议中的跳频机制
3.1 跳频机制的优势
在没有跳频机制的组网方式中，网内所有节点都使用固定的通信频率进行数据传输，当信道遭遇噪声干扰时，数据通信受影响，节点依靠暂存数据延时重复发送的方法来减少丢包率，这样的方式会消耗大量的网络能量、遇到长时间阻塞信道会大量丢包。SimpliciTI协议的跳频机制是在占用通信信道被外界强烈干扰下，进行信道的选择切换，找到可用信道再继续通信的一种通信策略。这使得通信可靠性得到很大提高，信道的利用率增强，也提高了传输能力。
3.2 跳频机制的实现
3.2.1 SimpliciTI中跳频的工作流程
网内每个节点程序在mrfi_f1f2.c文件里都会有一个相同的信道列表，分别以逻辑信道0，1，2…的方式命名，一般为4个信道，在节点上电初始化后，节点默认进入逻辑信道0。在网络中中心节点负责对整个网络的管理和调度，是频率跳变的发起者和组织者。该设备利用信道检测算法持续监测信道的噪声干擾，如果判定网络受到噪声干扰，影响正常的网络通信，则进行频率跳变，实现切换信道，它会向网络中其它节点设备发送一个广播帧，通知其切换到相应信道。处于激发态的节点会接收到广播帧即时更改自身信道，这样就可以继续通信了[3]。
3.2.2 SimpliciTI中跳频的软件实现
RSSI（Received Signal Strength Indicator）表示接受信号强度指示。CC 1100E芯片中的RSSI值是对当前信道中信号功率电平的评估值，在接受模式下，RSSI状态寄存器的值会不断更新，所以，可以在空载时读取RSSI值来判断该信道中噪声信号的强度，作为跳频的依据。
基于以上RSSI的分析，中心节点的软件实现如下：首先检测当前所在信道，对当前信道连续取RSSI值，如果当前信道噪声信号不强，则返回。如果检测到当前信道噪声信号较强，可能会影响网络中设备间的通信，则中心节点发生频率跳变，跳变到信道列表中其他信道。判断时RSSI阀值取—70dBm，如果连续3次RSSI样值大于—70dBm，则进行频率跳变[4，5]。中心节点频率跳变的程序流程图如图1所示。
检测当前信道判断是否要发生频率跳变的函数checkChangeChannel（void）关键代码如下：
static void checkChangeChannel （void）
{ SMPL_Ioctl（IOCTL_OBJ_RADIO，IOCTL_ACT_RADIO_RSSI，（void *）&dbm）；//检测当前信道
if（dbm>INTERFERNCE_THRESHOLD_DBM）//INTERFERNCE_THRESHOLD_DBM为RSSI阀值
{if（++inARow==IN_A_ROW） //IN_A_ROW为连续超过阀值的次数
{changeChannel（）；break；}}} //改变信道
改变信道的函数changeChannel（void）关键代码如下：
static void changeChannel（void）
{ if（++sChannel>=NWK_FREQ_TBL_SIZE）//NWK_FREQ_TBL_SIZE为最大信道数
{sChannel=0；}
freq.logicalChan=sChannel；
SMPL_Ioctl（IOCTL_OBJ_FREQ，IOCTL_ACT_SET，&freq）；}//设置新的逻辑信道
4.跳频机制的改进措施
SimpliciTI网络采用跳频机制，在一定程度上有效地解决了外界对网络通信的干扰问题。但是，对于中心节点而言，当需要进行跳频时，由改变信道的函数changeChannel（void）可知，改变到新的信道是按照逻辑顺序依次向上递增的，这样就存在着一个问题，就是跳频过程中有一定的盲目性。针对这种情况，该文提出了基于RSSI的预测信道质量算法，使得在跳频时更快找到合理的信道，减少盲目性。
该算法是在中心节点建立一个基于噪声信号强度的列表，这一列表与信道列表一一对应，并定时更新这一列表。当中心节点需要跳频时，就可以选取噪声信号强度最弱所对应的信道进行切换，避免了切换到新信道后噪声强度更大的可能性。中心节点改进后频率跳变的程序流程图如图2所示。 更新噪声信号强度列表的函数关键代码如下：
update_chan（void）
{for（uint8_t i=0；i {freq.logicalChan=0；
SMPL_Ioctl（IOCTL_OBJ_FREQ，IOCTL_ACT_SET，&freq）；NWK_DELAY（1）；
SMPL_Ioctl（IOCTL_OBJ_RADIO，IOCTL_ACT_RADIO_RSSI，（void *）&dbm）；
chanrssi[i]=dbm；}}
搜索噪声信号强度最弱的信道的函数chan_ok（void）关键代码如下：
uint8_t chan_ok（void）
{uint8_t chan_num=0；
for（uint8_t i=0；i if（chanrssi[i] chan_num=i；
return chan_num；} //返回值為新信道的索引
在2.2.2中改变信道的函数change Channel（void）中将if语句段去掉，之后添加一条语句sChannel=chan_ok（）；即可。
接下来进行测试比较，其测试条件为：AP初始化时有4个信道，开始在信道0进行通信，我们在信道0和信道1均产生噪声信号，观察AP进行跳频的过程。改进前跳频过程如图3所示，改进后跳频过程如图4所示。从图中可以看出改进前AP是从信道0跳到信道1，再跳到信道2（图中01和02表示），而改进后AP是直接从信道0跳到信道2（图中02表示）。这样就提高了AP的跳频效率。
5.结束语
经测试改进后的跳频通信系统在相同噪声干扰条件下的跳频次数明显减少，从而节约了整个网络能量消耗。随着无线频谱资源的日益紧张，采取跳频通信技术实现抗干扰通信将会显得越来越重要，跳频通信技术的应用提高了无线通信数据传输的可靠性[2]。而利用低功耗MSP430单片机和CC1100E射频芯片设计实现无线跳频系统是一种廉价、方便的解决方案，所以必将在民用市场受到越来越多的关注和应用。
参考文献
[1]李文仲，段朝玉，等.短距离无线数据通信入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006：196—197.
[2]李立早，魏欣.基于CC2510的无线跳频通信系统的设计[J].江苏科技信息，2010，10：41—43.
[3]王军强.基于SimpliciTI的无线传感器网络关键技术研究[D].重庆：重庆大学通信工程学院，2009：31—38.
[4]宋继勋.无线小型自组织网络协议分析与实现[D].北京：北京交通大学2009：47—49.
[5]Texas Instruments.Application Note：SimpliciTI Frequency Agility[A].Texas Instruments，2007（1）：4—13.
【关键词】无线通信；抗干扰；跳频机制
1.引言
随着通信和信息技术的不断发展，无线通信技术的应用步伐不断加快，正日益走向成熟。由于其自身成本低廉、灵活性高、易用性强、施工周期短等优势，无线通信技术广泛应用在智能家居、环境监测、交通管理、医疗卫生、抗灾抢险等领域。然而，它也有一些缺点，如容易受干扰，安全性低，可靠性较差。因此，克服无线通信技术的这些缺点是当前的研究重点。该文就如何提高无线通信的抗干扰问题上，利用MSP430单片机控制CC1100E射频芯片，以SimpliciTI协议为基础，实现和改进了跳频技术，从而提高了无线通信的抗干扰能力。
2.跳频原理
跳频通信技术作为一种有效的抗干扰通信技术，在现代无线抗干扰通信中应用广泛。跳频工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照设定规律进行离散变化的通信方式。从通信技术的实现方式来说，跳频是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的信号[1，2]。与定频通信相比，跳频通信具有良好的抗干扰能力，即使有部分频道被干扰，还可以在其他频道上进行正常的通信。
3.SimpliciTI协议中的跳频机制
3.1 跳频机制的优势
在没有跳频机制的组网方式中，网内所有节点都使用固定的通信频率进行数据传输，当信道遭遇噪声干扰时，数据通信受影响，节点依靠暂存数据延时重复发送的方法来减少丢包率，这样的方式会消耗大量的网络能量、遇到长时间阻塞信道会大量丢包。SimpliciTI协议的跳频机制是在占用通信信道被外界强烈干扰下，进行信道的选择切换，找到可用信道再继续通信的一种通信策略。这使得通信可靠性得到很大提高，信道的利用率增强，也提高了传输能力。
3.2 跳频机制的实现
3.2.1 SimpliciTI中跳频的工作流程
网内每个节点程序在mrfi_f1f2.c文件里都会有一个相同的信道列表，分别以逻辑信道0，1，2…的方式命名，一般为4个信道，在节点上电初始化后，节点默认进入逻辑信道0。在网络中中心节点负责对整个网络的管理和调度，是频率跳变的发起者和组织者。该设备利用信道检测算法持续监测信道的噪声干擾，如果判定网络受到噪声干扰，影响正常的网络通信，则进行频率跳变，实现切换信道，它会向网络中其它节点设备发送一个广播帧，通知其切换到相应信道。处于激发态的节点会接收到广播帧即时更改自身信道，这样就可以继续通信了[3]。
3.2.2 SimpliciTI中跳频的软件实现
RSSI（Received Signal Strength Indicator）表示接受信号强度指示。CC 1100E芯片中的RSSI值是对当前信道中信号功率电平的评估值，在接受模式下，RSSI状态寄存器的值会不断更新，所以，可以在空载时读取RSSI值来判断该信道中噪声信号的强度，作为跳频的依据。
基于以上RSSI的分析，中心节点的软件实现如下：首先检测当前所在信道，对当前信道连续取RSSI值，如果当前信道噪声信号不强，则返回。如果检测到当前信道噪声信号较强，可能会影响网络中设备间的通信，则中心节点发生频率跳变，跳变到信道列表中其他信道。判断时RSSI阀值取—70dBm，如果连续3次RSSI样值大于—70dBm，则进行频率跳变[4，5]。中心节点频率跳变的程序流程图如图1所示。
检测当前信道判断是否要发生频率跳变的函数checkChangeChannel（void）关键代码如下：
static void checkChangeChannel （void）
{ SMPL_Ioctl（IOCTL_OBJ_RADIO，IOCTL_ACT_RADIO_RSSI，（void *）&dbm）；//检测当前信道
if（dbm>INTERFERNCE_THRESHOLD_DBM）//INTERFERNCE_THRESHOLD_DBM为RSSI阀值
{if（++inARow==IN_A_ROW） //IN_A_ROW为连续超过阀值的次数
{changeChannel（）；break；}}} //改变信道
改变信道的函数changeChannel（void）关键代码如下：
static void changeChannel（void）
{ if（++sChannel>=NWK_FREQ_TBL_SIZE）//NWK_FREQ_TBL_SIZE为最大信道数
{sChannel=0；}
freq.logicalChan=sChannel；
SMPL_Ioctl（IOCTL_OBJ_FREQ，IOCTL_ACT_SET，&freq）；}//设置新的逻辑信道
4.跳频机制的改进措施
SimpliciTI网络采用跳频机制，在一定程度上有效地解决了外界对网络通信的干扰问题。但是，对于中心节点而言，当需要进行跳频时，由改变信道的函数changeChannel（void）可知，改变到新的信道是按照逻辑顺序依次向上递增的，这样就存在着一个问题，就是跳频过程中有一定的盲目性。针对这种情况，该文提出了基于RSSI的预测信道质量算法，使得在跳频时更快找到合理的信道，减少盲目性。
该算法是在中心节点建立一个基于噪声信号强度的列表，这一列表与信道列表一一对应，并定时更新这一列表。当中心节点需要跳频时，就可以选取噪声信号强度最弱所对应的信道进行切换，避免了切换到新信道后噪声强度更大的可能性。中心节点改进后频率跳变的程序流程图如图2所示。 更新噪声信号强度列表的函数关键代码如下：
update_chan（void）
{for（uint8_t i=0；i
SMPL_Ioctl（IOCTL_OBJ_FREQ，IOCTL_ACT_SET，&freq）；NWK_DELAY（1）；
SMPL_Ioctl（IOCTL_OBJ_RADIO，IOCTL_ACT_RADIO_RSSI，（void *）&dbm）；
chanrssi[i]=dbm；}}
搜索噪声信号强度最弱的信道的函数chan_ok（void）关键代码如下：
uint8_t chan_ok（void）
{uint8_t chan_num=0；
for（uint8_t i=0；i
return chan_num；} //返回值為新信道的索引
在2.2.2中改变信道的函数change Channel（void）中将if语句段去掉，之后添加一条语句sChannel=chan_ok（）；即可。
接下来进行测试比较，其测试条件为：AP初始化时有4个信道，开始在信道0进行通信，我们在信道0和信道1均产生噪声信号，观察AP进行跳频的过程。改进前跳频过程如图3所示，改进后跳频过程如图4所示。从图中可以看出改进前AP是从信道0跳到信道1，再跳到信道2（图中01和02表示），而改进后AP是直接从信道0跳到信道2（图中02表示）。这样就提高了AP的跳频效率。
5.结束语
经测试改进后的跳频通信系统在相同噪声干扰条件下的跳频次数明显减少，从而节约了整个网络能量消耗。随着无线频谱资源的日益紧张，采取跳频通信技术实现抗干扰通信将会显得越来越重要，跳频通信技术的应用提高了无线通信数据传输的可靠性[2]。而利用低功耗MSP430单片机和CC1100E射频芯片设计实现无线跳频系统是一种廉价、方便的解决方案，所以必将在民用市场受到越来越多的关注和应用。
参考文献
[1]李文仲，段朝玉，等.短距离无线数据通信入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006：196—197.
[2]李立早，魏欣.基于CC2510的无线跳频通信系统的设计[J].江苏科技信息，2010，10：41—43.
[3]王军强.基于SimpliciTI的无线传感器网络关键技术研究[D].重庆：重庆大学通信工程学院，2009：31—38.
[4]宋继勋.无线小型自组织网络协议分析与实现[D].北京：北京交通大学2009：47—49.
[5]Texas Instruments.Application Note：SimpliciTI Frequency Agility[A].Texas Instruments，2007（1）：4—13.