基于馬爾科夫鏈的ZigBee信道選擇算法的研究.pdf

1、近年來，隨著智能家居和物聯(lián)網(wǎng)的興起，很多無線通信技術(shù)獲得了快速的發(fā)展。特別是一些能耗比較低、成本比較低的無線通信技術(shù)正獲得前所未有的發(fā)展。其中以基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)尤為突出，正是因?yàn)樗牡?，成本低的特點(diǎn)使得其在無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中占有主導(dǎo)地位。為了最大程度的推廣ZigBee技術(shù)，ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee協(xié)議無線通信標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采用了國(guó)際免費(fèi)的ISM（Industrial Scientific Medic

2、al）頻段。由于ISM頻段免費(fèi)的特性，目前已經(jīng)有很多種無線電技術(shù)采用該頻段進(jìn)行通信。例如：WiFi、藍(lán)牙、wireless USB等，甚至包括微波爐和無繩電話也工作在該頻段。這么多種無線通信技術(shù)都采用該頻段進(jìn)行通信，加上新的無線技術(shù)的研發(fā)和新的無線技術(shù)的加入，使得ISM2.4Ghz頻段不可避免的日益擁擠，從而導(dǎo)致了各個(gè)2.4Ghz設(shè)備之間相互產(chǎn)生干擾。
　　但是像智能家居、可穿戴無線設(shè)備和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用仍處于快速發(fā)展

3、階段，也只能會(huì)有越來越多的2.4Ghz設(shè)備的加入，這不得不讓人們開始關(guān)注在強(qiáng)2.4Ghz設(shè)備干擾下ZigBee節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性問題。尤其是在智能家居環(huán)境中控制一些高危操作的ZigBee節(jié)點(diǎn)；可穿戴設(shè)備中對(duì)身體重要指標(biāo)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)；又或者在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中一些關(guān)鍵培育指標(biāo)（例如：PH值等）的控制節(jié)點(diǎn)等，即對(duì)設(shè)備安全性、穩(wěn)定性、及時(shí)性要求比較高的場(chǎng)合尤為重要。因此，探索和研究ZigBee節(jié)點(diǎn)在其他強(qiáng)2.4Ghz設(shè)備干擾下性能改善的方法有著重要的意義。

4、
　　針對(duì)其他2.4Ghz設(shè)備的強(qiáng)干擾，目前 ZigBee協(xié)議主要通過空閑信道評(píng)估（Clear Channel Assessment,CCA）、動(dòng)態(tài)信道選擇、信道算法、直序擴(kuò)頻技術(shù)以及應(yīng)答重傳和幀緩存等技術(shù)來改善ZigBee節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力。然而這些傳統(tǒng)的方法還存在很多不足之處。例如傳統(tǒng)的信道選擇算法是通過輪詢的掃描ZigBee協(xié)議規(guī)定的16個(gè)信道（2.4Ghz頻段），選擇一個(gè)空閑的信道作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的通信信道。在信道查詢的

5、過程中存在節(jié)點(diǎn)做15次冗余的探測(cè)信道動(dòng)作的可能，并且在干擾很強(qiáng)的情況下，ZigBee節(jié)點(diǎn)查詢其他可用信道的頻率增加，如果每次查詢有一半以上的冗余查詢動(dòng)作，那么將極大的增大節(jié)點(diǎn)的電源消耗，從而縮短節(jié)點(diǎn)的壽命，另外也會(huì)嚴(yán)重的影響節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性能。
　　本文正是從ZigBee信道的選擇算法作為切入點(diǎn)，提出了基于馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)模型的信道選擇算法。相比傳統(tǒng)的信道選擇方法，此方法能夠根據(jù)馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)模型科學(xué)的預(yù)測(cè)將來時(shí)刻概率最大的空閑信道，增

6、加了空閑信道選擇的命中率，從而減少了ZigBee節(jié)點(diǎn)不斷輪詢掃描所有信道所帶來的冗余操作。反映到實(shí)際效果上就是保證了節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性和節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的能量消耗。根據(jù)特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在傳輸相同數(shù)據(jù)的情況下，采用基于馬爾科夫鏈的信道選擇算法能夠節(jié)省2.2％的能量消耗和縮短7.1%的傳輸時(shí)間。
　　在文章的結(jié)構(gòu)安排上，本文首先介紹ZigBee協(xié)議的基本知識(shí)。重點(diǎn)介紹ZigBee協(xié)議中信道的分類及ZigBee節(jié)點(diǎn)選擇信道的時(shí)機(jī)等相關(guān)知識(shí)。其中對(duì)涉