无线通信设计中的时分和频分复用

王浩然

二大MAC层协议
[color=rgb(51, 51, 51) ]我们知道，MAC层协议在无线通信中处于特别重要的地位：首先它要解决信号冲突的问题，即同一个时刻只能有一个发送者；其次，它要尽可能地节省电能，尤其是用电池供电的微功率无线网络，电能往往意味着“生命”；最后，它还要保证通信的健壮和稳定性，抵抗来自：复杂的通信环境（阻碍物，树木，走去的人群等）和同频干扰（在免费的ISM频段可能有许多不同厂家的无线通信设备同时工作）的挑战。

无线MAC协议有许多种，从解决“发送冲突”的角度来看，大抵分成2种：竞争抢占信道和时分复用。

1.竞争抢占信道

最常见的WiFi就是这种机制的代表，如下图所示，一个WiFi路由器承载多个无线节点，这些无线节点都“竞争上岗”。

Sensor S-MAC的通信时序如下图所示，它和WiFi的竞争机制相似：当节点1需要向节点2通信时，它先发起同步帧和RTS帧，节点2回应CTS帧，成功握手后节点1再发送DATA帧给节点2，节点2回复ACK确认帧。在节点1和节点2握手的整个过程中，节点3都侦听到了RTS和CTS，它一直“保持沉默”，防止发送冲突。

竞争信道的优点是：算法简单，容易实现，同时方便扩展网络；缺点是：冲突带来能量的损失，更多的延时和后续冲突。
2.时分复用

加州大学伯克利分校主导的OpenWSN是时分复用算法的代表，它的通信机制如下图所示。首先，它将时间分成slot(时槽)，同时它还引入16个频段，如在t1时槽里A和G、E和F、H和D共3对节点同时通信。因为通信双方都是严格地在自己分配的slot进行通信，从理论上讲是“没有冲突”的。

这种协议的优点是：节省电能，最大化使用带宽。缺点是：1. 所有节点需要精确的时钟源，并且需要周期性校时；2. 向网络中添加和删除节点都要有时隙分配和回收算法。

一种优异的LoRaMAC层设计

LoRa(Long Rang)无线通信协议是一种长距离的无线通信技术，它最大的优点是距离远，同时节能电能；当然，它也有不足的地方，那就是传输速率慢。它最适合无线传感器网络，比如在户外或跨楼宇（多楼层）采集：用水、用电、温湿度、一氧化碳、烟雾报警等。

鉴于LoRa的长距离和低速率，锐米通信设计了iDC10(DataConcentrator)数据采集器，它基于星型组网，这样节点与采集器“单跳”通信，节省电能；基于时分复用算法，没有发送冲突，达到较好的带宽使用率；基于频分复用算法，抵抗外部干扰和多径衰退。
1.iDC10时分复用

当N个iWL881A与iDC10通信，iDC10先保留一部分slot，用于下发通信和发送信标帧，其余时间分成N个slot供iWL881A通信使用，原理如下图所示。

时分复用有一个重要的设计，即校时和防止“时钟漂移”带来的冲突。锐米通信巧妙地使用了“安全距离”算法，它根据节点数目和时钟最大漂移系数来计算slot的合理值。在校时方面，设计了“节点主动上传”的秒级校时，“采集器唤醒”和“信标帧”的毫秒级校时。
2.iDC10频分复用

iDC10和iWL881A一般工作在433和470MHz的ISM免费频段，一个需要特别注意点，该频段是公用频段，别的厂家的无线设备也可以工作在此频段。这样一来，在频率设计上需要保证2个原则：

1. 不要干扰别人通信：尽可能快地单次发送“短”数据帧，对于较长的数据帧可以使用FHSS（FrequencyHopping Spread Spectrum）减少单频点滞空时间。

2. 不被别人干扰通信：增加跳频和AFH（Adaptive FrequencyHopping）算法，智能避开被强干扰和长时间占用的信道。

iDC10有4个信道：3个Upstream信道和1个Downstream信道。iWL881A主动上报给iDC10（即Upstream）的频域图如下：在第i轮上报时，在Fj信道成功上传；在第（i+1）轮上报时，优先使用Fj信道，如果失败，则遍历尝试其它信道。

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