WLAN对IEEE 802.15.4无线传感器网络干扰的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.18MB 54 页 15积分
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摘 要
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。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。
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。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。
本文主要针对 IEEE 802.15.4 通信协议，研究分析其与无线局域网共存时的抗
干扰性。本文在对无线传感器网络以及IEEE 802.15.4 通信协议深入研究的基础上，
提出了实验研究 IEEE 802.15.4 抗干扰性能的方案。根据实验方案完成了干扰研究
测试平台的建立。该测试平台包括节点测试系统及数据分析软件。测试节点选用
TI CC2430 射频芯片，以 IEEE 802.15.4 通信协议为标准，根据实验需要设计了多
种情况下节点的无线通信程序；数据分析软件平台完成了测试数据包的分析与统
计。最后，运用搭建的干扰研究测试平台，以丢包率为评价因子，定量分析了多
种典型场景下系统的抗干扰性。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。
研究结果显示，IEEE 802.15.4 信道的数据传输会受与之频段相重叠的WLAN
的干扰，受干扰程度随着 IEEE 802.15.4 节点发送功率的增大而减小；来自 WLAN
的干扰越强，IEEE 802.15.4 信道的RSSI 值越大，RSSI 值与IEEE 802.15.4 信道丢
包率成正相关。该研究成果为研究无线传感器网络的同频抗干扰技术提供了有价
值的实验依据。
关键词：无线传感器网络 IEEE 802.15.4 协议 无线局域网 干扰
丢包率 RSSI
ABSTRACT
Wireless sensor network is one of the research and application in the current
information and technology field. WSN has quickly entered the practical stage after
years of development. IEEE 802.15.4 communication protocol is designed specifically
for WSN and it is the implementation in physical layer and MAC layer of WSN.
There are a variety of interfering factors in Practical applications. These interfering
factors result in frequent changes in network topology of WSN and some of the WSN
nodes isolated and affect the reliability of WSN data transmission. WSN networks’
lifetime will be reduced due to large consumption of energy. Wireless Local Area
Network which based on IEEE 802.15.4b is one of the important interference source
and it will inevitably close to WSN. Therefore, it has important practical significance to
study the anti-interference performance of IEEE 802.15.4 protocol.
This paper mainly analyzes of anti-interference performance of IEEE 802.15.4
protocol when it coexists with IEEE 802.11b. The experimental study program is based
on the deeply study of WSN and IEEE 802.15.4 protocol. This paper establishes
interference test platform according to the experimental study program. The platform
consists of nodes test system and data analysis software. The nodes test system selects
TI CC2430 RF chip and wireless communication nodes under the program is designed
according to IEEE 802.15.4 protocol. The analysis and statistics of test packet is
accomplished in data analysis software. This paper quantitative analysis of the
anti-interference of the system in a variety of typical scenarios finally, using packet loss
rate as evaluation factors. Meanwhile, the correlation between factors of impact of radio
layer packet loss rate and RSSI is analyzed.
The results showed that data transmission in IEEE 802.15.4 channel will be
affected by WLAN overlapped with it. And the degree of interference will decrease with
the increase of transmit power of IEEE 802.15.4 nodes. RSSI of IEEE 802.15.4 channel
will increase if the inference of WLAN is stronger. RSSI value and IEEE 802.15.4
channel packet loss rate is positively correlated. The research provides a valuable
experimental basis for the study of WSN anti-interference technology in same
frequency.
Key words: Wireless Sensor Network, IEEE 802.15.4, Wireless Local
Area Network, interference, packet loss rate, RSSI
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................... 1
§1.1 引言..................................................... 1
§1.2 背景及意义............................................... 1
§1.2.1 选题背景 ............................................. 1
§1.2.2 研究意义 ............................................. 3
§1.3 国内外研究概况........................................... 3
§1.4 论文研究内容与结构....................................... 5
第二章 无线传感器网络及IEEE 802.15.4 标准 ....................... 6
§2.1 无线传感器网络........................................... 6
§2.1.1 无线传感器网络的宏观体系架构 ......................... 6
§2.1.2 无线传感器网络通信体系架构 ........................... 7
§2.1.3 无线传感器网络的优势 ................................. 8
§2.2 IEEE 802.15.4 标准 ....................................... 9
§2.2.1 物理层（PHY） ....................................... 10
§2.2.2 MAC 子层 ............................................ 11
§2.3 本章小结................................................ 14
第三章 2.4GHz 频段无线通信技术及其干扰研究 ..................... 15
§3.1 2.4GHz ISM 频段无线通信技术 ............................. 15
§3.1.1 ZigBee 技术 ......................................... 15
§3.1.2 Wi-Fi 技术 .......................................... 15
§3.1.3 蓝牙技术 ............................................ 16
§3.1.4 HomeRF 技术 ......................................... 17
§3.2 2.4GHz ISM 频段干扰研究 ................................. 17
§3.3 噪声序列发生器（CAOS）在干扰研究中的应用................ 19
§3.3.1 CAOS 体系结构 ....................................... 19
§3.3.2 对IEEE 802.15.4 物理层的评估 ........................ 19
§3.4 本章小结................................................ 22
第四章 无线传感器网络干扰测试系统节点设计 ...................... 23
§4.1 干扰研究衡量指标与研究目标.............................. 23
§4.2 CC2430 射频芯片 ......................................... 23
§4.3 关键技术介绍与实现...................................... 24
§4.3.1 DMA 控制器 .......................................... 24
§4.3.2 接受信号强度指示器（RSSI） .......................... 25
§4.3.3 空闲信道评估（CCA） ................................. 26
§4.3.4 输出功率 ............................................ 27
§4.3.5 频率和信道 .......................................... 28
§4.3.6 数据包有效载荷 ...................................... 29
§4.4 核心函数................................................ 29
§4.4.1 射频初始化 .......................................... 29
§4.4.2 发送数据包 .......................................... 30
§4.4.3 接收数据 ............................................ 30
§4.5 本章小结................................................ 30
第五章 无线数据采集分析系统设计 ................................ 31
§5.1 系统介绍................................................ 31
§5.2 串口设置................................................ 34
§5.3 串口数据读取与处理...................................... 34
§5.3.1 串口数据读取流程与实现 .............................. 34
§5.3.2 数据处理 ............................................ 36
§5.4 本章小结................................................ 37
第六章 干扰研究测试 ............................................ 38
§6.1 干扰研究方案设计........................................ 38
§6.1.1 干扰研究的测试场景 .................................. 38
§6.1.2 干扰研究实验设计 .................................... 38
§6.2 WLAN 信道变化对节点丢包率的影响 ......................... 39
§6.2.1 干扰测试步骤与结果 .................................. 39
§6.2.2 数据分析 ............................................ 40
§6.2.3 结论 ................................................ 40
§6.3 IEEE 802.15.4 节点发送功率变化 .......................... 41
§6.3.1 干扰测试步骤与结果 .................................. 41
§6.3.2 数据分析 ............................................ 41
§6.3.3 结论 ................................................ 41
§6.4 影响射频层丢包率大小的因素与环境 RSSI 值的相关性 ......... 42
§6.4.1 干扰测试步骤与结果 .................................. 42
§6.4.2 数据分析 ............................................ 42
§6.4.3 结论 ................................................ 43
§6.5 WLAN 干扰源信道、强度未知 ............................... 43
§6.5.1 干扰测试步骤与结果 .................................. 43
§6.5.2 数据分析 ............................................ 43
§6.5.3 结论 ................................................ 43
§6.6 本章小结................................................ 44
第七章 总结与展望 .............................................. 45
§7.1 论文总结................................................ 45
§7.2 研究展望................................................ 45
参考文献 ....................................................... 47
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................. 50
致谢 ........................................................... 51
第一章 绪 论
1
第一章
绪
论
§1.1 引言
作为当前信息技术领域研究与开发的热点之一，无线传感器网络（WSN）经
过多年的研究与开发，正快速进入实用阶段。不过，目前很多无线传感器网络系
统的实际性能并不能满足应用需要。网络生存时间短、数据传输不可靠和网络覆
盖失败等问题，直接影响无线传感器网络的实用价值。在具体应用环境中，各种
干扰因素可导致网络拓扑频繁变化和部分节点孤立，不仅影响数据传输的可靠性，
也会因通信量增加而消耗大量能量，使网络生存时间显著缩短[1-2]。基于IEEE
802.11 的无线局域网（Wireless Local Network，WLAN）在实际应用中是一个很重
要的干扰源。
目前无线传感器网络的标准之一是 IEEE 802.15.4。在该标准推荐的三个频段
中，应用最广泛的是2.4GHz频段。使用该频段的还包括基于IEEE 802.11b的WLAN
和基于IEEE 802.15.1的蓝牙等通信系统。图1-1显示了2.4G Hz频段，IEEE 802.15.4
和IEEE 802.11b 两种技术的频段使用情况[3]。IEEE 802.15.4 信道带宽为3MHz,而
IEEE 802.15.4 信道带宽为22MHz。每个IEEE 802.11b 信道与IEEE 802.15.4 的四
个信道重叠。尽管这两种标准都采用了抗干扰性能较强的直接序列扩频(DSSS)以
及“先听后发”的抗干扰机制，但是信道的频段重叠使两者共存应用时，不可避
免存在干扰导致数据包丢失[3-4]。
图1-1 IEEE 802.15.4 及IEEE 802.11b 在2.4GHz 频段的频率范围
§1.2 背景及意义
§1.2.1 选题背景
随着科学技术的进步，便携式网络连接在人们生活中起着越来越重要的作用。
摘要：

摘要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。IEEE802.15.4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。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。基于IEEE802.11b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IEEE802.15.4通信协议抗干扰性能具有重要现实意义。本文主要针...

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