《電子技術應用》
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面向高動態無線網絡的信道狀態收集系統研究
電子技術應用
張鴻云,彭進霖,林博
軍事科學院 軍事智能研究院
摘要: 在以無線體域網為典型代表的高動態無線網絡中,如何以高時間精度記錄無線信道狀態是開展傳輸優化方案研究的關鍵前置問題之一。以低成本便攜化為核心目標,綜合對比研究了幾類典型無線開發組件,選取ESP32+ESP-NOW作為軟硬件開發平臺;并設計了一套高精度的無線信道狀態收集記錄系統。經過設計優化,這套軟硬件系統最高能達到約257 μs的收發間隔。另外,通過控制變量的多組實驗測試,詳細評估了協議模式、收發速率、核心數、線程數、主頻、串口通信及文件讀寫等變量對報文收發間隔和穩定性的影響。研究成果為高動態無線網絡鄰域的相關研究提供了設計方案和測試數據參考。
中圖分類號:TN92 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.246007
中文引用格式: 張鴻云,彭進霖,林博. 面向高動態無線網絡的信道狀態收集系統研究[J]. 電子技術應用,2025,51(5):44-49.
英文引用格式: Zhang Hongyun,Peng Jinlin,Lin Bo. Research on channel state collection system for high-dynamic wireless networks[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(5):44-49.
Research on channel state collection system for high-dynamic wireless networks
Zhang Hongyun,Peng Jinlin,Lin Bo
Academy of Military Science
Abstract: In high-dynamic wireless networks, typically represented by Wireless Body Area Networks (WBANs), recording the state of wireless channels with high temporal precision is a critical preliminary issue for conducting research on transmission optimization schemes. With low cost and portability as core objectives, this paper comprehensively compares several typical wireless development components and selects ESP32+ESP-NOW as the hardware and software development platform. It also designs a set of high-precision wireless channel state collection and recording systems. After design optimization, this hardware and software system can achieve a maximum transmission interval of approximately 257 microseconds. Additionally, through multiple sets of experimental tests controlling variables, the effects of protocol mode, transmission rate, number of cores, thread count, CPU frequency, serial communication, and file read/write on packet transmission intervals and stability were evaluated in detail. The research findings of this paper provide design schemes and test data references for related research in the field of high-dynamic wireless networks.
Key words : wireless channel;wireless body area networks;state collection;ESP32;ESP-NOW

引言

物聯網技術的發展極大地拓寬的網絡覆蓋的廣度和深度,也極大地細化了網絡覆蓋的粒度。然而,由于部署環境復雜和信道特性獨特等特征,在以無線體域網、無線個域網等為典型代表的新一代高動態無線網絡中,如何保證無線數據傳輸的可靠性與高效性比其他無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)更具挑戰性。記錄收集真實的無線信道狀態數據,如RSSI和CSI,是開展傳輸優化研究的基礎。

現有的研究中有大量的工作聚焦于用數學公式對無線信道增益的建模擬合。其中一類探討采用擬合概率分布以測量信道增益的小尺度衰落模型[1-4],其中較好的擬合分布是Lognormal、Gamma 和Weibull分布。另外一類是研究大規模衰落模型,有不少研究工作利用無線收發終端之間的距離來對無線信道的路徑損耗進行建模[5-7]。這類基于數據建模的公式擬合,本質上仍然是一種信道仿真數據,在新型的高動態網絡中仍然具備天然的劣勢,也無法提供給依賴于真實信道數據的智能優化方案使用。

Hanlen等人[8]提出一套面向2.4 GHz頻段的無線信道狀態收集平臺,該平臺最高支持5 ms的時間記錄精度。該平臺的軟硬件構建有較高技術門檻,TI的CC2XXX系列無線射頻芯片的軟硬件開發難度較大,且PCB板的定制對研發人員的電路設計能力也有較高要求。文獻[9]提出一種基于Arduino及XBee的無線信道路徑損耗的收集平臺,該平臺采用三明治結構組裝構建,對開發者較為友好。該平臺支持的最高信道狀態收集時間精度也是5 ms,且由于三明治結構的集成度不高,該平臺的體積較大,便攜性較差。

本文的工作聚焦于高動態無線網絡中信道狀態數據的高時間精度記錄收集,研究不同參數變量對數據收集的精度、穩定性能指標的影響,并通過設計優化,構建一套高集成度、小型化、自供電的信道狀態數據收集軟硬件平臺。


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作者信息:

張鴻云,彭進霖,林博

(軍事科學院 軍事智能研究院,北京 100093)


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