可靠的抗干扰时隙跳频信道用于无线传感器网络
拉苏尔·塔瓦科利、马吉德·纳比、特万·巴斯滕和基斯·古森斯，埃因霍温理工大学
IEEE802.15.4时隙跳频信道通信（TSCH）旨在通过减少介质访问冲突、多径衰落和无线链路阻塞 的影响，提高无线传感器网络（WSN）中的通信可靠性。尽管TSCH优于单信道通信，但在免许可 ISM频段上的跨技术干扰仍可能影响基于TSCH的无线传感器网络的性能。对于车载网络等应用场景， 干扰随时间动态变化，导致通信可靠性无法长期保证。本文提出了一种增强型TSCH协议与分布式信 道感知技术相结合的方案（ETSCH+DCS），能够动态检测高质量信道用于通信。信道质量通过集中 式和分布式信道质量估计技术相结合的方式获取。集中式技术采用非侵入式信道质量估计（NICE） 方法，在网络协调器处主动对每个时隙的空闲部分进行能量检测。NICE使ETSCH能够跟踪动态干扰， 同时不降低网络吞吐量。分布式信道质量估计技术由网络中所有节点基于其通信历史执行，用于检 测对协调器隐藏的干扰源。我们进行了两组受控干扰源的实验室实验，并利用真实世界干扰数据集 进行了大量仿真，以评估ETSCH的性能。实验和仿真结果表明，与基本TSCH及当前最先进的方案 相比，ETSCH显著提升了网络通信的可靠性。在某些实验场景中，仅NICE即可将平均数据包接收率 提高22%，并将突发性丢包长度缩短一半，相较于普通TSCH协议表现更优。进一步实验表明， DCS可将隐藏干扰（NICE无法检测到的干扰）对受影响链路的数据包接收率的影响降低50%。
CCS概念： •网络→网络协议设计；网络控制算法；网络可靠性；无线个域网；
附加关键词和短语：IEEE802.15.4，时隙跳频信道通信，TSCH，车载无线传感器网络，干扰，可靠的， 信道质量估计，无线共存
此项工作的初步版本发表于第12届移动自组织与传感器系统国际会议（MASS’15）论文集。本工作由DEWI和 SCOTT欧洲项目支持，分别获得ARTEMIS联合企业资助协议编号621353以及ECSEL联合企业资助协议编号 737422的资助。作者地址：R.塔瓦科利（通讯作者）和K.古森，荷兰埃因霍温理工大学电气工程系，邮政信箱 513，荷兰埃因霍温5600MB；电子邮件：{r.tavakoli,k.g.w.goossens}@tue.nl；M.纳比，荷兰埃因霍温理工 大学电气工程系，邮政信箱513，荷兰埃因霍温5600MB，以及伊朗伊斯法罕理工大学电气与计算机工程系，伊 斯法罕84156‐83111；电子邮件：m.nabi@tue.nl；T.巴斯滕，荷兰埃因霍温理工大学电气工程系，邮政信箱 513，荷兰埃因霍温5600MB，以及TNO嵌入式系统创新部门，邮政信箱6235，荷兰埃因霍温5600HE；电子邮 件：a.a.basten@tue.nl。允许出于个人或教学用途制作本作品全部或部分内容的数字或纸质副本，但前提是不 得以盈利或商业利益为目的制作或分发副本，且所有副本须注明本声明及首页完整引用信息。若作品组件的版权 属于非ACM的其他方，则必须尊重其版权。允许注明出处的摘要使用。如需其他方式复制、重新发布、在服务器 上发布或再分发至列表，须事先获得特定许可和/或支付费用。请向permissions@acm.org申请许可。©2017年 ACM1550‐4859/2017/01‐ART3$15.00htt p s://doi.or g /10.1145/3158231
ACM传感器网络汇刊，第14卷，第1期，文章3。出版日期：2018年1月。
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1引言
低速率无线传感器网络（WSNs）涵盖了从智能建筑到智能车辆的广泛应用。该技术也被 认为可用于新一代汽车中，能够提升车载网络（IVNs）的灵活性和可重构性。除了常见的 无线传感器网络需求（如节点复杂度低、功耗小）外，车载网络由于具有较高的服务质量 （QoS）要求，因此需要可靠的通信。根据定义，一个可靠的系统应能保证正确服务的准 备就绪（可用性）、正确服务的连续性（可靠性）以及可维护性。考虑到这些需求， IEEE802.15.4标准的时隙跳频信道通信（TSCH）模式[5]是作为此类网络介质访问控制 （MAC）层协议的合适候选方案。
TSCH将时间划分为称为时隙的固定时间段。基于此，TSCH使用基于TDMA的机制 和信道跳变方案，为网络中的每条通信链路分配不同的[时隙、信道]对。通过该技术， TSCH通过保证无线节点对介质的访问来提供服务可用性。同时，它还提高了链路在面对 持续的多径衰落和干扰时的可靠性。目前已有大量研究致力于提升低功耗TSCH网状网络 的性能和端到端可靠性。这包括对TSCH本身进行配置和性能优化的研究，如参考文献 [8, 25, 30, 36, 37],，以及考虑TSCH上层协议的研究，如参考文献[12, 13, 18, 23, 24, 34]。然 而，为了满足工业应用的严格要求，例如车载网络中的亚秒级延迟和可靠通信，仍需进一 步研究[38]。
IEEE 802.15.4[5]在免许可的2.4GHzISM频段中定义了16个频率信道。该频段也被其 他标准使用，包括IEEE802.11Wi‐Fi[2]和IEEE802.15.1蓝牙[1]。该频段的共用导致 跨技术干扰和数据包丢失，特别是对于使用低功率通信的无线传感器网络而言。文献[32] 的作者将车载环境中的干扰分为车内源和车外源干扰。他们表明，由于Wi‐Fi和蓝牙设备 等干扰源与传感器节点距离较近，其产生的跨技术干扰会影响车载TSCH无线传感器网络 的性能。同时研究表明，车外干扰在信道上的影响随时间具有高度动态的行为。这种动态 行为导致TSCH协议性能不稳定，从而造成通信的可靠性随时间变化而不稳定且无法保证。
我们提出了TSCH协议的一种增强型TSCH协议（ETSCH），见参考文献Tavakoli等 人。[31]。ETSCH基于非侵入式信道质量估计（NICE）技术的结果，采用动态信道白名单。 NICE在不对协议进行任何更改的情况下频繁执行信道采样。ETSCH还使用次级跳频序列 列表，以提高协调器发送的用于网络设置的配置数据包的传输可靠性。这些技术通过自适 应地选择一组低噪声信道进行跳频，提高了TSCH协议的可靠性。
ETSCH是集中式的，主要由网络的协调器完成。考虑到每个节点的干扰条件仅影响该节点的数 据包接收，该技术是 主要防止协调器处的数据包接收受到干扰。网络中其他节点在某些信道上的干扰条件可能 完全不同。因此，本文相较于我们之前的工作[31]贡献如下：（1）除了参考文献中的实 验室实验外，还利用真实世界干扰数据集，在现实的车载环境场景下评估了ETSCH技术的 性能。（2）提出了一种分布式信道感知（DCS）技术，用于估计所有节点所用信道的质量， 并将这些质量评估结果收集到协调器。该结果与NICE结果结合，以在网络区域内选择一组 低噪声信道。（3）DCS技术需要在专用时隙中发送伪数据包，即使上层未提供待传输的数 据包。这看似会增加能耗开销，但我们证明，由于该技术能够减少空闲监听，因此对于采 用默认时隙时序的TSCH网络而言，平均能耗反而更低。（4）已在真实的无线节点上实现 了ETSCH机制与DCS技术，并在消声室内部署了一个网状无线传感器网络，以模拟协调器 处的隐藏干扰。通过不同设置进行了多项实验来评估DCS技术。
DCS技术的结果被ETSCH用于信道白名单。正因如此，本文将DCS与ETSCH一并提 出，并将包含所有技术的整体机制称为ETSCH+DCS。为了使叙述完整且连贯，我们还包 含了参考文献[31]中ETSCH评估的总结结果。下一节简要描述并概述了TSCH协议及一个 应用场景。第3节介绍了低功耗多信道通信的相关工作。第4节详细描述了所提出的 ETSCH+DCS技术。第5节给出了评估设置和性能分析。第6节进行总结。
2背景
2.1时隙信道跳变
TSCH被定义为IEEE802.15.4标准的MAC操作模式之一[5]，以支持工业应用。它提高了 通信在外部干扰和持续多径衰落下的可靠性。TSCH将时间划分为称为时隙的固定时间段。 一个时隙被定义为传输单个数据包及其确认所需的时间段。网络中的每条链路被分配到其 中一个时隙，以避免冲突。多个时隙被组合成一个时隙帧。时隙帧随时间重复，使节点能 够周期性地访问信道。TSCH在网络中使用一个称为绝对时隙序号（ASN）的全局时隙计 数器。通过使用ASN和全局跳频序列列表（HSL），每个节点使用公式（1）计算每个时隙 的工作信道。
Channel= HSL[(ASN+ Channel Offset)%|HSL|]. (1)
|HSL| 是HSL中信道的数量。不同的信道偏移可以分配给网络中的不同链路，以在多个 信道上的一个时隙内实现并行通信。HSL可以包含IEEE802.15.4PHY定义的全部或部分 信道，具体由协议栈的上层决定。该协议通过为节点提供对介质的保证访问并减少网络内 部冲突，提高了网络的可用性。同时，它还通过在多个信道之间跳频，消除了无线链路的 阻塞（由于工作信道上的干扰导致数据包反复丢失），从而提高了通信的可靠性。
TSCH定义了增强信标（EB），它是IEEE802.15.4信标帧的扩展，用于构建应用层特定的信标内容。 EB传输由网络中的协调器执行，可以是周期性的和/或非周期性的。它为应用层特定信息提供了传输手段。 由高层协议提供的、需包含在信标中的信息。这些数据包括由高层提供的HSL和网络时隙调度。
2.2应用场景
车载无线传感器网络在运行过程中可能会随时间经历动态干扰。参考文献[32]的作者指出， 行驶中的汽车内部无线干扰在每个信道上均表现出随时间变化的动态行为。这种动态干扰 是由于车辆移动导致与工作在2.4GHzISM频段不同部分的其他无线设备发生邻近所致。 由于在此类条件下无线传感器网络的通信无法得到保证，因此这些网络通常被认为仅适用 于汽车中的非安全关键应用。胎压监测、车窗控制、前后灯控制、发动机传感器监控以及 安全带监测便是其中的一些应用。尽管这些应用属于非安全关键应用，但由于其实时性需 求，每一项仍需要一定程度的服务质量（例如延迟）保障。这些服务质量要求促使了对可 靠的无线协议和技术的需求。
传感器数量和网络规模因车辆而异。对于四座汽车，所有传感器节点均可相互覆盖， 无需多跳通信。星型或网状网络即可满足此类汽车的需求。对于卡车等大型车辆，传感器 数量和网络区域均大于普通乘用车。此类车辆车载无线传感器网络的一个重要任务是提供 可靠的多跳通信，以满足不同应用层的QoS要求。不同的传感器在某些频率信道上可能经 历不同的干扰条件。例如，安装在前轮的胎压传感器可能会受到邻近车辆中其他无线传感 器的干扰。由于汽车的铝制车身，这种干扰对于位于仪表盘内部的无线传感器或对侧车轮 上的另一个胎压传感器可能是不可见的。再举一例，安装在卡车后部的传感器可能在某些 频率信道上受到后方汽车的干扰，而位于卡车前部的协调器则可能在不同信道上受到前方 汽车的干扰。这类情况导致不同传感器在无线介质上的干扰呈现非均匀分布。
3相关工作
信道跳变的思想被多种协议与标准所采用，包括IEEE802.15.1蓝牙[1], WirelessHART [3], ISA100.11a[4],以及TSCH，后者是IEEE802.15的MAC操作模式之一。4[5]所有这 些协议均采用时隙化的方法来调度网络通信。在每个时隙开始时，所有网络设备保持同步， 并根据预定义的跳变序列模式跳转到一个新的信道。
利用信道跳变技术可以降低无法通信的概率；特定信道的通信问题可能由窄带干扰和 多径衰落引起[26, 37]。此外，与单信道方法相比，信道跳变通过提高可靠性以及改善网络 连通性来提升网络性能[37]。TSCH协议将若干配置任务留给高层处理，包括调度任务和选 择用于跳变的信道列表。这两项任务直接影响通信性能和网络的可靠性。IETF6TiSCH [12]工作组将调度功能分配给6TiSCH操作子层（6top）[36]。因此，已提出多种针对 6TiSCH网络的TSCH调度技术，如参考文献[6, 9, 10, 22, 23, 25,33]中所述。尽管已有许多 文章研究调度任务以减少网络内部干扰，但对跳频序列列表的信道选择尚未深入研究
很好。在这项工作中，我们专注于这项对外部干扰下网络的可靠性具有重大影响的任务。
信道跳变技术的一项改进是仅使用已知质量良好的信道[37]，该技术称为白名单；类 似地，黑名单是指跳过某些质量较差信道的技术。IEEE802.15.1蓝牙[1]采用一种称为自 适应频率跳变（AFH）的技术，通过使用优质信道来降低跨技术干扰的影响。实际上，蓝 牙标准规范并未规定如何检测好坏信道，因此AFH开发者需为每个特定解决方案选择最合 适的质量估计方法。通常在AFH中采用两种信道评估方法，即接收信号强度指示（RSSI） 和分组错误率（PER）。由于蓝牙的带宽和信道跳变速率明显高于IEEE802.15.4协议，蓝 牙AFH的质量估计技术在IEEE802.15.4上表现不佳。因此，我们略过这些技术，专注于 基于IEEE802.15.4开发的技术。
WirelessHART[3]和ISA100.11a[4]是为工业应用设计的两种协议，二者均使用工作 在2.4GHzISM频段的IEEE802.15.4射频模块。这些协议还提供了可在全局范围内配置的 可选白名单功能，以控制信道跳变模式。信道黑名单/白名单机制无需干扰网络之间的协作 与额外同步，也无需额外硬件。WirelessHART采用信道黑名单机制，将受到持续干扰的 信道加入黑名单。通过该技术，网络管理员可以完全禁用被列入黑名单的信道。 ISA100.11a则利用每条链路上的通信历史，根据统计信息，设备会将对特定链路存在噪声 的信道在一段时间内加入黑名单，从而停止使用这些信道。Watteyne等人[37]指出，在 近乎静态的无线环境中，使用静态白名单/黑名单可提升TSCH网络的性能。他们在基于轨 迹的仿真中尝试了不同大小的信道白名单，发现与使用全部16个信道进行盲目跳变相比， 大小为6的白名单可使平均ETX降低63%。此外，作者还得出结论：IEEE802.15.4的信道 11、15、20和26受IEEE802.11[2]（Wi‐Fi）的干扰较小。这是因为Wi‐Fi网络通常使用 IEEE802.11的1、6和11信道，这些信道与IEEE802.15.4标准的上述四个信道不重叠。
对于车辆等经历高度干扰动态性的环境[19,27, 29, 32],应定义一种敏捷的机制来执行信 道质量估计和HSL选择。李等人[21]提出了一种基于多臂赌博机问题的自适应信道选择方 案[16]。每个信道的选择被建模为一个独立的过程，使用该信道上的分组传输状态（分组 确认状态）和空闲信道评估（CCA）失败情况。在所提出的方案中，信道选择在每条链路 的发送端完成。信道列表通过将其添加到TSCH数据包的信息元素中传输给协调器。协调 器相应地广播新的信道列表。仿真结果表明，该算法能够在大约20次分组传输内跟踪信道 上的现有干扰。实际上，这项工作并未指定集中式信道选择方法。此外，分组传输状态仅 适用于启用确认的传输，而实时和多播通信不使用确认，且影响通信的是接收端的局部干 扰。
戈麦斯等人[17]提出了基于多跳和黑名单的优化TSCH协议（MABO‐TSCH）。该技 术在每个节点上使用多臂赌博机优化进行信道质量估计，依据该节点经历的数据包投递率。 普通数据包及其确认用于向邻居节点传播本地黑名单，以支持协商过程。在40节点室内网 络上的实验结果表明，MABO‐TSCH优于 默认的盲跳频技术具有高出23%的吞吐量。该技术适用于大规模TSCH网络，其中每个节 点仅有少量邻居，且本地黑名单的协商不需要邻居之间进行大量通信。因此，对于本文所 针对的小规模且密集的网络而言，该方法并不高效。
仅使用通信历史的解决方案在动态环境中可能效果不佳。这是因为它们需要在每个信 道上进行先前的通信，以充分了解其状态。然而，一旦某个信道被加入黑名单，就无法再 检测到该信道上的干扰条件变化。当各信道的干扰条件频繁变化时，这些技术的性能将会 下降。埃尔斯特等人[14]提出了一种自适应信道选择技术，该技术结合了中心白名单和分 布式黑名单。作者定义了两种类型的节点，即上行节点和下行节点。上行节点作为网络的 协调器，执行频繁的RSSI采样，并提供一个不含噪声信道的信道白名单。该HSL通过信标 帧广播到整个网络。每个下行节点根据其发送数据包的分组投递率生成一个黑名单。每当 下行节点需要发送数据时，它会选用处于中心白名单中但不在本地黑名单中的信道。该技 术利用整个时隙的发送偏移时间进行RSSI采样，因此可能将网络内部干扰误判为外部干扰。 然而，该方法未明确说明在不同信道上执行RSSI的过程。此外，如果各节点的本地黑名单 与中心白名单存在大量共用信道，则可能导致某些节点的跳频列表为空或非常小。该技术 还使得可用信道偏移的数量变得不可预测。
为了应对动态无线介质条件，杜等人[11]提出了自适应时隙信道跳频（ATSCH）， 该机制基于协议中引入的硬件能量检测（EDs）实现动态白名单/黑名单机制。ED是指在 128μ秒内信道带宽范围内接收信号功率的估计值。ATSCH在TSCH协议基础上运行，并 为每个TSCH时隙帧预留两个时隙，用于对这些时隙的工作信道进行能量采样。这些时隙 中不进行任何通信，因此所采集的能量采样值可视为这些信道上的噪声水平。这些采样结 果用于为每个信道分配一个质量因子，从而根据其无线环境对各个信道进行排序。系统会 定期从中选出固定大小的最佳质量信道子集作为TSCH协议的HSL。
我们提出的ETSCH+DCS机制利用基于硬件的能量检测和传输日志来测量信道质量， 并选择高质量信道作为跳频序列列表。尽管ATSCH和ETSCH都采用基于硬件的信道采样 方法这一相同理念，但ETSCH在多个方面有所改进。（1）ATSCH在TSCH时隙帧中预留 了两个时隙，导致网络吞吐量开销。ETSCH不使用时隙的传输部分，因此不会降低网络容 量，也无需更改TSCH调度和协议。（2）ATSCH的采样速率为每个时隙帧两个样本，直 接受时隙帧大小的影响。相比之下，ETSCH引入NICE技术，在每个时隙内至少进行两次 能量采样，其采样率至少是 |时隙帧| 倍于ATSCH。这使得ETSCH在高度动态的无线环境 中表现更优。（3）ATSCH使用全部16个信道周期性广播信标帧（包含跳频序列列表）， 可能导致信标帧丢失和节点间同步丢失。我们提出一种新方法，在TSCH网络中使用次级 跳频序列列表来广播信标帧。该技术使用一个较小且变化较少的跳频序列列表，其中包含 高质量信道。通过使用此次要跳频列表进行信标帧传输，降低了信标帧丢失的概率。此外， 全等人[20]提出了一种技术，用于自适应地调整ETSCH中EDs的频率基于 在干扰动态方面。当协调器节点的功率受限时，这会降低ETSCH的能耗。
我们还采用了一种称为DCS的分布式信道质量估计技术，利用数据包接收和空闲信道 评估日志来检测网络中非协调器节点位置的干扰。因此，该方法考虑了网络中其他节点处 的噪声，而这些噪声在协调器节点处可能是不可见的。相比之下，那些使用协调器处通信 历史记录的黑名单/白名单技术（如参考文献[21]中所述）无法检测和缓解网络中非协调器 节点存在的干扰。此外，ETSCH使用基于硬件的样本来更新被列为黑名单信道的分配质量。 而在基于通信的信道质量估计技术中，一旦信道被列入黑名单，就无法检测其信道状态的 变化。
在本文中，我们考虑一类网络，例如无线车载网络，这类网络在时间和信道上经历高 度动态且非均匀的干扰[32]。这种干扰可能由道路沿线的Wi‐Fi网络以及其他道路上相邻车 辆中运行的其他无线车载网络引起。这些不同的干扰源工作在不同的信道上，并且每个干 扰源可能仅在短时间内对一部分无线节点可见。因此，车载网络在频段的不同部分以及网 络区域的不同位置随时间经历动态干扰。另一方面，在这些小型网络中，几乎所有节点都 处于彼此的通信范围内。这使得协调器能够直接向所有节点广播同步数据包。然而，网络 中的数据通信可以通过多跳链路进行。
4具有分布式信道感知的增强型时隙跳频信道通信
在本节中，我们将详细描述ETSCH的所有组件以及DCS技术。ETSCH组件包括NICE、 HSL白名单和信标帧跳频序列列表（EBSL）白名单。我们首先简要概述所有组件的功能 及其相互关系，然后详细描述每个组件。
4.1概述
ETSCH的基本思想是自适应地选择一组低噪声信道，称为白名单，并将其作为跳频算法的 输入。在所有节点都处于协调器通信范围内的网络中，集中式白名单表现良好。使用白名 单信道，可以在网状拓扑中的任意两个节点之间建立数据链路。ETSCH在协调器节点处向 基础TSCH协议添加了三个组件。图1显示了这些技术与DCS技术在协调器节点协议栈中的 位置，而图2显示了它们在TSCH时隙帧和时隙结构中的出现情况。需要注意的是，所有这 些组件都非常轻量，运行在时隙的空闲部分，因此其执行对协议没有影响。算法1展示了 每个组件的处理过程。此外，网络中的每个无线节点都具有一个DCS组件，用于感知该节 点的信道状态，并将这些状态报告给协调器。
在每个协调器时隙的静默期内执行尽可能多的EDs，以检测不同信道。根据TSCH协议的 时隙图，并考虑到协调器是网络的时间源，该静默期仅在网络的协调器处可用。EDs在连 续的信道上进行，经过16次ED后，所有信道均被采样。每次ED的结果用于更新该信道对 应的信道质量估计（CQE）。图2显示了NICE在每个时隙空闲部分的发生情况。
NICE为ETSCH提供集中式干扰检测。但它并未解决某些干扰源对协调器隐藏，从而 可能在某些信道上对网络中部分节点造成干扰的问题。为了解决这一问题，有必要将分布 式信道质量估计技术与NICE结合使用。正如我们下文所示，所述的静默期仅在网络的协调 器上可用，因此NICE无法在其他节点上执行ED并提取信道质量。我们在网络的其他节点 中使用CCA和数据包接收状态作为两种信道质量估计器。通过使用这些技术，每个节点将 每个信道声明为故障或非故障，并将结果包含在其发送给协调器的数据包中。由于每个信 道的状态是一个二进制值，传输所有16个信道的状态仅产生2字节开销。在协调器处，从所 有incoming数据包中提取信道状态字段，并由“分布式感知@协调器”组件（如图1所示） 进行收集。如图2所示，在每个时隙帧开始时，将对收集的数据进行分析。相应地，为每 个信道分配的CQE
算法1：ETSCH+DCS组件
数据:
CQE[]：用于存储所有信道的信道质量估计结果的数组
HSL[]：用于存储主跳频序列列表的数组，供TSCH使用
EBSL[]：用于存储增强信标跳频序列列表的数组，供TSCH使用
1 NICE(CQE [])
2 every时隙do
3 while它是静默期do
4 ch←(ch+ 1)%16;
5 能量_级别← ED(ch);
6 CQE[ch]← EWMA滤波器(energy_ level);/*参见公式(6)中的EWMA滤波器*/
7 end
8 end
9结束
10协调器处的DCS@（HSL，CQE[]）
输入：PKT(节点_id)：从设备节点_id接收到的数据包
数据：CC[]：用于存储从不同节点接收的信道状态的数组
11 foreach PKT(节点_id)被协调器接收do
12 CC[node_id]←提取信道_从PKT(node_id)的条件字段；
13 end
14 每个时隙帧周期
15 foreach信道chin HSLdo
16 CCavrg[ch]←信道状态记录CC[]中所有信道状态的平均值ch；
17 CQE[ch]← EWMA滤波器(CCavrg[ch{v10]);/*参见公式(14)中的EWMA滤波器*/
18 end
19 清除CC[]；
20 end
21结束
22 HSL_白名单(CQE[]), |HSL|
输入： |HSL|：跳频序列列表的大小
: HSL[]
23 每个白名单周期执行
24 HSLsorted ←基于CQE的信道升序排序[]
25 HSL← HSLsorted[1至 |HSL|]；
26 end
27结束
28 EBSL _白名单(EBSL, HSL, k)
输入：k：用于上次EB传输的EBSL条目
: EBSL[]
29 每个白名单周期执行
30 如果EBSL[k] HSL[0则 3] ∧EBSL[k] 26那么
31 m= min{h | 0 ≤ h ≤ 3 ∧ HSL[h] EBSL};
32 EBSL[k]←HSL[m]
33 end
34 k ←用于此时隙EB传输的EBSL条目；
35 end
36 结束
已更新。该技术在协调器节点上的处理过程如算法1的第10至21行所示。此DCS技术将在第4.3节中详 细阐述。
NICE和DCS技术的输出作为一个CQE数组，由运行在协调器节点MAC层的HSL白名 单组件周期性地使用（算法1的第22到36行）。HSL白名单组件根据观测到的无线环境， 从高质量信道中选择一个子集用于TSCH。根据HSL白名单的结果，EBSL白名单以较静态 的方式进一步从最佳信道中选择一个子集，用于EB传输。HSL和EBSL白名单组件每隔若 干个时隙帧执行一次，该间隔称为白名单周期。图2显示，这两个组件在每个白名单周期 的第一个时隙帧开始时执行，且在DCS组件执行之后进行。HSL和EBSL白名单的结果被包 含在EB数据包中，并在每个时隙帧的第一个时隙广播给其他节点。接下来，我们将详细描 述所有这些组件。
4.2非侵入式信道质量估计
为了在频段中执行ED以估计其噪声水平，在测量期间网络本身不应有任何传输。我们提出 了NICE技术，由协调器在不同频率信道上执行EDs，且对协议不产生带宽开销，如参考文 献[31]中所述。这里我们采用参考文献[31]中给出的相同示例来描述该技术的功能。接下 来，我们首先查看TSCH通信图，然后解释我们的NICE技术。
IEEE802.15.4的TSCH技术使用同步时隙在节点对之间建立通信。接收节点必须知晓 发送方时隙的开始时间，以便在其传输开始前开启其射频模块并监听信道。由于节点之间 的时钟漂移，同步过程需要持续执行，以保持节点间的同步。为了补偿由时钟漂移引起的 时隙相位差异，TSCH定义了如图3所示的时隙结构。时隙持续时间macTsTimeslotLength足 够长，以完成最大尺寸数据包及其确认（ACK）的传输。在接收方时隙的开始处存在一个 偏移（macTsRxOffset），在此期间接收端尚未开始监听信道。该Rx偏移可防止来自网络中 其他节点的干扰，这些节点相对于当前节点最多滞后macTsRxOff set，仍处于前一个时隙 的发送状态。发送方的包Tx偏移（macTsTxOffset）被设定为大于Rx偏移的值，从而当发送 方领先于接收方的时间差为macTsTxOffset–macTsRxOffset时，通信仍成为可能。A
所示，若接收端比协调器提前Tf orward=1,100μs开始其时隙，仍能接收到协调器的分 组。同样，若接收端比协调器延迟Tbackward= 1,100μs开始其时隙，两个节点仍可通信（图 4(b)）。考虑到无线网络中的协调器是同步的主要源节点，一个比协调器提前Tf orward= 1, 100μs开始的设备无法与另一个比协调器延迟Tbackward= 1,100μs开始的设备进行通信（图 4(c)）。为了在网络中每对节点之间实现双向传输，如图4(d)和图4(e)所示，前向和后向的 时隙相位差应分别小于T Maxbackward=T Maxforward= 450μs。该值是通过考虑接收端 物理层SHR检测所需时间得出的，该检测必须在接收端监听周期结束前完成（图4(e)）。 这意味着所采用的时隙同步方法必须保证同步丢失小于这些值，以维持网状网络的连通性。 每个设备的时隙开始时间可能比协调器最多提前TMax f orward或最多延迟T Max backward。 因此，从协调器的角度来看，在每个时隙开始时存在一个持续时间为Tsilent的时间段， 在此期间可能存在前一个时隙中某些节点的数据包传输。此外，在macTsTxOffset之前的一 个持续时间为TMax f orward的时间段内，也可能存在某些节点比协调器更早开始数据包传输。 考虑到这些可能性，网络中将存在一个长度为Tsilent的无传输周期（如图5所示），该周期 可通过公式(2)计算得出。
T silent = macTsTxOffset− T Max backward − T Max f orward. (2) 对于TSCH协议的时序默认值，该值为T silent = 1,220μs。
声明静默期的参考时间是协调器时隙的开始。因此，网络的协调器能够准确知道该时 段的起始和结束时间。另一方面，由于网络节点与协调器之间允许存在时隙相位差，非协 调器节点无法准确估计协调器时隙的开始时间，这使得这些节点无法确定静默期。为了在 网络中执行能量检测（ED）并估算信道的噪声水平，在测量期间网络中不应有任何传输。 因此，我们利用每个时隙中的这一静默期来执行EDs，但仅在协调器设备上进行。
无线设备在一个时隙期间可以是接收端、发射器或空闲节点。根据这一点，协调器设 备在静默期内的EDs可分为三种类型。如果协调器是接收端，则应在macTsRxOffset周期内 完成能量检测过程。该周期与静默期的重叠部分可用于执行能量检测。当协调器为发射器 时，该周期即为macTsCCAOffset与静默期的重叠部分。当协调器没有Rx/Tx任务时，整个静 默期都可用于执行EDs。图5展示了这些静默能量检测（SED）时段。每种类型的时隙传输 可用的能量检测持续时间可由公式（3）、（4）和（5）计算得出。
TRx SED= min(macTsRxOffset, macTsTxOffset− TMax f orward) − TMax backward, (3)
T Tx SED= min(macTsCCAOffset, macTsTxOffset− TMax f orward) − TMax backward, (4)
TIdle SED= Tsilent. (5)
根据TSCH协议的默认设置，这些ED周期将为TRx SED= 570μs，T Tx SED= T Idle SED=1220μs。如 前所述，每次ED持续八个符号周期，并基于连续128次信号强度测量的平均值，每次测量 持续 1μs。为了跳转到目标信道执行ED，以及从硬件获取ED测量结果并进行质量估计评 估，我们假设所需时间超过该值的两倍，即TED= 280μs（我们在实验中观察到的实际值更 小）。因此，协调器可在接收时隙中执行两次ED，在发送和空闲时隙中执行三到四次E D。每次ED将在上一次ED所用信道的相邻信道上进行。
考虑时隙的默认长度为10ms，且每个时隙中可能的最小EDs数量为两个，则最小采样 率为每秒200个样本。考虑到IEEE802.15.4在2.4GHz频段上的16个可用信道，每个信道 每秒将被采样约12次。该采样率与时隙帧大小无关。此外，NICE对协议不造成吞吐量开 销，即它是非侵入式的。
EDs的结果（值越高表示信道上的噪声越大）用于为每个信道分配CQE值。为了计 算信道质量的稳定估计值，由于ED测量值可能会波动，我们采用指数平滑技术[15]。 ATSCH也使用该技术来计算CQE值。每次在信道上完成新的ED后，将使用公式(6)为其 计算新的CQE，
CQEτ(ch)= α(ED max − EDτ(ch))+(1 −α)CQEτ −1(ch), (6)
其中EDτ(ch)是信道ch的新ED样本，CQEτ−1(ch)是该信道最近计算出的CQE。EDτ(ch)的值越 大，表示该信道上的噪声越高。因此，我们从最大ED值（ED max）中减去该值，使得信道上的 噪声越低（即EDτ(ch)值越小），对应的CQEτ(ch)值就越高。系数 α（其中 0 ≤ α ≤ 1）为平滑 系数，用于控制新的ED样本对CQEτ的影响。通过选择较小的 α值，我们可以获得 信道质量值的稳定估计。然而，过小的值会导致信道质量变化检测的延迟。
4.3分布式信道感知
由于时钟漂移引起的同步丢失，无法在非协调器节点确定静默时段。因此，我们不能使用 NICE来提取非协调器节点的信道质量。然而，一个对协调器隐藏的第三跳干扰源可能会对 部分其他节点产生干扰。因此，我们采用一种称为DCS的分布式信道质量估计技术，与 NICE共同作为ETSCH的干扰检测模块。
这种感知技术的开销应予以考虑。在非协调器节点上使用信道EDs（如ATSCH[11]） 会导致额外的功耗，这对于电池供电无线节点而言是一个不利因素。我们利用协议中已定 义且可用的CCA和数据包接收状态作为两个表征每个通信信道状况的参数。所有这些参数 提供了测量/接收节点处信道质量的估计，从而充分反映了各节点是否存在干扰。使用这些 参数的唯一限制是它们仅能提供有关正在用于通信的信道状态的信息。换句话说，无法通 过这些参数获取黑名单信道的状态信息。然而，在ETSCH中这并不是一个问题，因为当某 个信道被检测为低质量信道并被列入黑名单后，NICE仍会持续测量其质量，并更新其对应 的CQE值。因此，如果协调器发现某个黑名单信道的质量优于当前正在使用的信道，则该 信道有可能再次被用于通信。
CCA已在IEEE802.15.4标准中定义[5]，作为发射节点中传输流程图的一部分。基本 而言，CCA可通过检测高于阈值的能量（使用ED检测来自网络中无线设备的干扰）或载波 侦听检测（检测来自网络内或邻近网络中传感器节点的干扰，且调制方式相同），或同时 采用这两种方式进行。通常，对于受到多种不同来源干扰的WSN，采用检测高于阈值能量 的工作模式效果更佳。这是因为其他网络可能使用不同的调制方式，导致载波侦听检测会 遗漏大部分干扰，而能量检测则能够检测到任何调制类型引起的干扰。通过使用这些工作 模式，对于大多数基于IEEE802.15.4的传感器节点而言，在CCA之后还可以从射频模块 读取ED值。在本研究中，我们仅考虑CCA的结果，即信道_空闲或信道_忙，但也可以结合 附带的ED值来计算信道质量。每次节点i（在发送数据包之前）于专用时隙中执行一次新 的CCA时，都会为该信道重新计算一次信道质量CQi,τ。我们在启用<linkoptionshared的 发送时隙中跳过CCA。在这些时隙中，多个节点可能尝试发送，CCA主要用于检测并避免 内部冲突。由于我们的目标是检测外部干扰的存在，因此仅使用在专用时隙中执行的 CCA结果，因为在这些时隙中仅允许一个节点发送。
对于NICE，我们使用指数平滑来计算新的信道质量CQi，τ基于其先前的值CQi，τ−1，但由于空闲 信道评估的结果是布尔值，我们使用信道质量的最小值和最大值CQi，τ作为输入数据。公式(7)给出 了所使用的公式，
CQi,τ(ch)={α′ CQ M ax +(1 −α′ )CQi,τ −1(ch) if CCA returns Channel_idle
β′ CQ M in +(1 − β′ )CQi,τ −1(ch) if CCA returns Channel_busy . (7) 这里，CQ M ax 和CQ M in是两个常数，分别设置为CQi,τ的上值和下值，即255和0。系数 α ′和 β ′，其中 0 ≤ α ′, β ′ ≤ 1，控制信道空闲的影响。 或根据计算的信道质量判断信道_忙。我们使用两个不同的值，以便能够对空闲信道评估 （CCA）结果中的正负情况赋予不同权重。每个系数的较小值会降低新的CCA状态对信道 质量CQi,τ的影响，从而使质量估计随时间更加稳定。另一方面，较大的系数值使CQi,τ更 能适应新情况。这两个系数之间的关系反映了各信道通信的预期可靠性。当 α′< β′时， CQi,τ对信道_忙样本比对信道_空闲样本更敏感。因此，若要使某个信道具有较高的CQi,τ 值，则信道_忙出现的概率应低于信道_空闲出现的概率。这保证了高CQi,τ值信道具有高通 信可靠性。相反，当 α′> β′时，即使信道_忙的发生频率高于信道_空闲，也可能获得较高 的CQi,τ值。这可能导致在使用高CQi,τ值信道进行通信时，不可靠信道也被使用。
数据包接收状态显示了在接收端预期的数据包传输是否成功，而不考虑该数据包的确 认情况。它不同于数据包投递状态，后者只有在启用确认机制时才能获取。为了在我们的 质量估计技术中使用数据包接收状态，我们必须确保在每个专用时隙中至少有一次数据包 发送。否则，数据包接收失败可能意味着由于干扰导致的失败，或是由指定的发射器跳过 了发送。我们将专用时隙定义为启用了 optionstyle='1'> Tx 且未启用 optionstyle="3"> Shared 的时隙。我们假设即使源节点在某个专用发送时隙没有 数据需要发送，也应向指定的目的节点发送一个保持活动或虚拟数据包。由于我们排除了 启用了shared选项的发送时隙（这些时隙可用于过量配置、关联命令及其他突发流量）， 因此该技术不会影响共享时隙的功能。需要注意的是，在实际调度中，专用时隙的数量应 与应用层所需的带宽相匹配。因此，如果已部署成熟的时隙调度机制，则大多数时隙帧中 的所有专用时隙都包含实际的数据传输。因此，发送伪数据包的情况很少需要。
考虑到标准中规定的默认时隙时序，我们声称，如果虚拟数据包不包含有效载荷，并 且使用尽可能短的MAC头部，则它们不会给网络带来功耗开销。根据IEEE802.15.4标准 [5],物理层头部为6字节，最短的MAC头部包含帧控制、个人区域网络标识符、目的地址、 源地址和帧校验和字段，共9字节。如IEEE802.15.4标准所定义[5],接收节点在专用时隙 中从macTsRxOff set= 1,020μ秒开始监听，并等待macTsRxWait= 2,200μ秒以接收帧前导 码。考虑到传输偏移为macTsTxOffset= 2,120μ秒，接收端会从预期的接收开始时间起继续 监听额外的(macTsRxOffset+macTsRxWait) −macTsTxOffset= 1,100μ秒，以确保接收到数据 包（图3）。这是由于发射器与接收器之间可能存在同步丢失。因此，如果发射器在专用时 隙中没有数据需要发送而跳过传输，目标接收节点将在监听阶段浪费大量能量。
这里我们估算在发送和不发送虚拟数据包两种情况下的能耗。如果TRx表示接收端的 监听周期持续时间，而TTx表示一个数据包传输的持续时间，则每次传输的总能耗（E）为
E=((IRx T Rx)+(ITx T Tx)) × V cc , (8)
其中I Rx 和I Tx 分别表示射频模块在接收和发送模式下的电流。根据标准中的符号定时定义，每发送1 字节需要 32μ秒。因此，发送一个物理层数据包大小为15字节的虚拟数据包需要 15 × 32= 480μ秒。通过 假设发射器与接收端之间的平均同步丢失为0秒，接收端仅在传输开始后保持无线电开启 TTx时间。考虑到低功耗无线传感器节点在接收模式下的无线电电流几乎等于甚至高于发 送模式下的无线电电流这一事实[35]（例如AtmelATmega256RFR2无线微控制器[7]）， 传输一个虚拟数据包所消耗的总能耗可计算为
Edummy=((IRx ×(480[μs]+(macTsTxOffset− macTsRxOffset))+(ITx × 480[μs])) × Vcc ≈(IRx ×(480+ 1100+ 480)[μs]) × Vcc = 2060[μs] × IRx × Vcc. (9)
如果发射器在专用时隙跳过数据包传输，则总能耗将 ENo-Tx=((IRx × macTsRxWait)+(ITx × 0)) × Vcc = 2200[μs] × IRx × Vcc. (10)
公式（9）和（10）的结果表明，在发送一个短的虚拟数据包时，总能耗（发射器和接收端 消耗的能量之和）低于不进行任何传输的情况。当多个接收端在监听来自单个发射器但未 发送任何数据包的传输（多播或广播传输）时，这种能耗开销更加明显。
这些能耗计算基于IEEE802.15中定义的默认时隙时序。4[5]对于其他时隙时序，当 Edummy< ENo-Tx时，发送伪数据包可节省能量。macTsRxOffset+ macTsRxWait/2= macTxOff set。根据协议文档中定义的时隙偏移关系macTsRxOffset+ macTsRxWait/2= macTsTxOffset，结合公式(9)和(10)，当(macTsTxOffset −macTsRxOffset)> 960时，发送伪数 据包可以节省能量。实际上，该技术还提高了ETSCH的信道质量估计精度，有助于防止因 使用噪声信道而导致的数据包失败。即使在较短的时隙偏移下，这也可能带来节能增益。
我们建议当时隙偏移满足上述条件时发送伪数据包；否则，用户可自行选择是否跳过用于 DCS技术的数据包接收状态。
根据上述讨论，当一个时隙被指定用于节点传输数据而该节点没有数据需要发送时， 我们假设该节点会发送一个小的虚拟数据包。因此，如果接收节点在专用时隙中未接收到 数据包，或接收到的数据包存在校验和错误，则该情况可被视为transmission_失败；否则， 数据包接收状态为transmission_成功。
每次（预期的）数据包接收后，我们使用数据包接收状态来更新用于数据包接收的信 道的分配质量。也可以使用附加在数据包上的链路质量指示器(LQI)。实际上，LQI显示的 是两个节点在某一信道上的通信质量，而不仅仅是信道本身的质量。考虑到这一点，我们 仅考虑数据包接收状态。每当节点i在某一信道上完成一次新的数据包接收时，将使用公式 (CQi,τ)根据公式(11)计算该信道的新信道质量
CQi,τ(ch)={α′ CQ M ax +(1 −α′ )CQi,τ −1(ch) if successf ul packet reception
β′ CQ M in +(1 − β′ )CQi,τ −1(ch) if packet receptionf ails . (11)
这里我们采用与信道质量i,τ计算相同的技术和系数，如公式(7)中所述。这是因为空闲信道评估和数 据包接收状态都反映了信道使用的成功或失败情况，因此它们对信道质量i,τ的影响方式应当相同。 也可以使用不同的 公式(7)和公式(11)的系数，其中一个可能根据干扰类型更准确地反映信道状况。
使用所述技术时，当一个信道未在HSL中使用且其上没有传输时，其CQi,τ完全不会发 生变化。当该信道再次被添加到HSL中时，每个节点上的信道质量值将参考过去的数据， 并可能影响新的信道质量计算。因此，在每个节点i上，我们将HSL中每个新使用信道的 CQi,τ值重置为预定义的常量值CQinit。
由于协调器负责定义HSL并分发它，因此所有节点的DCS技术结果应汇总到个人区域 网络协调器。我们将这些数据附加到从终端节点传输到个人区域网络协调器的普通数据包 中（单播和广播数据包）。将每个节点全部16个信道的计算信道质量传送给个人区域网络 协调器会导致网络产生较高的吞吐量开销。为了降低该开销，在每个节点i我们采用基于阈 值的白名单机制，并将其应用于CQi,τ。通过使用公式(12)，将信道质量大于预设阈值 θ的信 道选为优质信道，上报给协调器。
CCi(ch)={0 if CQi,τ(ch)< θ 1 if CQi,τ(ch)> θ. (12)
这里，CCi(ch)是节点i上信道ch 的白名单结果（信道状态）。阈值 θ应大于或等于CQinit。这 是因为我们最初希望将新加入HSL的信道ch，其CQi,τ(ch)= CQ init，视为一个良好的信道。
为了将信道质量从终端节点传输到协调器，我们可以使用一个16位的数组，其中每一 位表示相应信道的状态。这导致每个数据包需要2字节的通信开销，用于向协调器传输每个 节点感知到的信道状态。这2字节可以添加到协议栈中任意层（从应用层到MAC层）的数 据载荷中。由于本文考虑的是单跳通信，我们使用MAC层载荷中的2字节来附加该信道质 量数据，随发往协调器的数据包一同传输。需要注意的是，该技术仅适用于有数据流量发 往协调器的节点。此外，仅使用MAC层载荷的方法仅在所有发往协调器的数据通信均为单 跳时才有效。否则，在多跳网络中，这些数据应附加在网络层等上层中。然而，具体的附 加机制在此未作规定，属于具体实现的选择问题。每当协调器接收到节点i的数据包时，附 在MAC层载荷中的CCi报告会被提取，并添加到一个报告列表中。节点IDi也会被附加到 该列表中的CCi值上，并且每个节点ID只能对应一个CCi。因此，某个节点旧的CCi值将被 新的值所替换。报告列表中的所有报告会周期性地用于更新每个信道的CQE，随后该列表 将被清空。考虑到时隙帧是网络中所有传输重复进行的一个周期，我们在每个时隙帧的开 始执行此过程。首先，对每个信道不同节点的CCi值进行平均，以获得网络区域内信道状 态的全局认知。
CCav g(ch)= ∑ n i=1 CCi(ch) n . (13)
这里，n表示报告列表中CCi报告的数量，即在上一个时隙帧周期内向协调器发送信道状态 报告的节点数量。在计算出每个信道的CCavr g后，我们将其映射到EDs的范围内，并使用 预定义的权重 γ及其之前的值，将其应用于该信道的CQE（由NICE持续更新），具体如 下：
CQEτ(ch)= γ CC avr g (ch)(ED M ax − ED M in )+(1 −γ)CQEτ −1(ch). (14)
该CQEτ值用作白名单算法的输入。因此，DCS结果与NICE结果相结合。当某个信道被检 测为低质量信道（基于DCS技术的结果）并被列入黑名单时，NICE仍会测量其质量，并更 新分配给该信道的CQE。因此，经过一段时间后，黑名单信道有机会重新用于通信，以检 查DCS所观测到的干扰是否已消失。只有当NICE发现某个黑名单信道的质量优于当前正在 使用的信道时，才会发生这种情况。这对于存在动态干扰条件的网络尤为重要，有助于将 信道重新引入白名单。接下来，我们将讨论在协调器节点上使用的中心白名单技术。
4.4信道白名单
协调器会定期执行白名单操作，以选择一组高质量信道作为TSCH协议的HSL（算法1的第 22至27行）。NICE和DCS的结果被组合成一个唯一的CQE数组，并作为该算法的输入。 白名单的实现方法有多种，从基于阈值到基于排序的方法。为了为TSCH网络选择合 适的技术，需要考虑一些约束条件。首先，如果白名单大小（|HSL|）与时隙帧大小不互为 质数，则每个时隙仅使用HSL中信道的一个子集，而非全部信道。这将导致不同时隙在时 间上的故障概率非均匀，因为它们可能使用具有不同质量的不同信道子集。因此，使用可 变大小白名单并允许所有可能的白名单大小可能会引发问题。此外，如果某个时隙上的分 配链路在某一信道上持续经历多径衰落，由于该链路通信仅使用少量信道子集，其分组错 误率将增加。本文采用固定大小白名单，但根据用户需求，也可以使用与slotframe大小 互为质数的可变大小白名单。
应当考虑到，较小的白名单大小会减少调度中可使用的信道偏移的最大数量。如果使 用更多的信道偏移，则具有不同信道偏移但相同时隙偏移的两条不同链路将使用同一信道 进行通信。这会导致内部干扰和数据包丢失。因此，较小的白名单大小会减少在一个时隙 内可以建立的并行通信数量，以及TSCH网络的总体吞吐量。在基于阈值的方法中，质量 优于指定阈值的信道数量可能非常少。因此，可能无法提供足够的信道来满足特定的白名 单大小。另一方面，通过使用NICE和DCS技术，我们为所有信道分配了质量值，并可以使 用这些值对它们进行排序。因此，我们采用一种排序技术来选择固定数量的最佳质量信道 作为ETSCH的HSL。由于IEEE802.15.4[5]标准建议对所有可用信道的伪随机打乱集合用 于HSL，因此可以使用施等人[28]提出的技术来对信道列表进行打乱，而无需重新生成开 销。所得到的打乱后的HSL由TSCH协议用于跳频过程。
4.5EB白名单
ETSCH网络的协调器设备通过白名单周期性地提取最佳HSL。HSL以及网络的其他信息 （如链路分配和绝对时隙序号）通过TSCH协议中定义的信标帧进行传播，符合IEEE 802.15等标准。4[5]我们将协调器设置为在时隙帧的第一个时隙以最高优先级周期性广播 信标帧。信标帧的周期性传输有助于网络中的所有设备在每个时隙帧开始时与协调器同步， 并了解网络设置的变化。
当协调器广播包含更新后的跳频序列列表的信标帧时，一个或多个设备可能会丢失该 信标帧。使用单播和带确认的通信方式传输信标帧将带来网络吞吐量开销。参考文献[37] 表明，在共存的Wi‐Fi网络影响下，部分IEEE802.15.4信道受到的干扰较其他信道更小， 而这些Wi‐Fi网络是IEEE802.15.4信道（即信道11、15、20和26）的主要干扰源。因此， 我们决定在ETSCH中采用第二个动态性较低的跳频序列列表，该列表由一小部分最佳质量 信道组成，用于分发信标帧。EBSL由协调器定义，其固定大小为4。该大小符合以下事实： 通常有四个802.15.4信道相比其他信道受共存Wi‐Fi网络的影响更小[37]。不过，我们并未 将EBSL限制在这四个信道内，以确保始终选择最佳信道。因此，对于给定的绝对时隙序号 和时隙帧大小（S），可用于在特定ASN上传输信标帧的操作信道可计算为
Channel(EB)= EBSL[ASN/S% 4]. (15)
每次更新主HSL时，我们都以每周期一信道的方式更新该EBSL。在此方法中，每当协 调器要广播包含主HSL更新的信标帧时，仅更新上一次EB传输所使用的EBSL条目（k）。 此列表的更新过程在算法1的第28至36行中描述。该算法找出不在EBSL中的高质量信道， 并将该信道放入EBSL中最后使用的条目位置。这种更新方法通过仅使用高质量信道来降低 已加入设备发生突发信标帧丢失的可能性。因此，当设备错过包含更新HSL的信标帧时， 在后续的时隙帧中有较大概率接收到该信标帧，从而将其HSL与网络同步。
设备与协调器之间的时钟漂移所导致的时隙相位差可能会引起两者之间链路的断连。 即使双方的EBSL相同，这也会导致突发信标帧丢失。为解决此问题，我们将信道26（一 个与Wi‐Fi非重叠的信道）作为EBSL中的固定成员。该信道被认为是在城市环境中噪声最 小的信道。每当一个已加入设备经历的突发信标帧丢失数量达到预定义值NBL时，设备会将 此情况视为由时隙相位差引起的同步丢失，并在信道26上启动被动扫描，以重新与其协调 器同步。由于EBSL的大小为4，在假设没有数据包丢失的情况下，设备最多等待4个信标 周期即可在信道26上接收到一个信标帧。如果在信道26上接收信标帧时发生数据包失败， 则加入中的设备需要再等待4个信标周期，才能再次有机会接收信标帧并加入网络。
5性能评估
在本节中，我们通过各种实验和仿真来研究ETSCH的性能。我们定义了两个评估集，用于 评估ETSCH以及采用DCS技术的ETSCH（ETSCH+DCS）。接下来，我们将描述我们的 评估设置，并对每个设置的性能进行评估。在本文对所提出技术的描述过程中，引入了许 多缩略词。为了增强对分析的理解，表1列出了定义的缩略词及其描述。
5.1设置
为了通过实验评估ETSCH的性能，我们在ATmega256RFR2XplainedPro套件的Atmel实现的 IEEE802.15.4MAC基础上实现了TSCH协议[7]。该套件包含一个ATmega256RFR2芯片，集成了 AVR微控制器和一个2.4GHz射频收发器。我们的实现遵循标准中定义的默认TSCH时序。我们还 利用一些使用相同AtmelMote节点的可控噪声发生器。由于不同无线标准中的信道设置 不同，在实际中，IEEE802.15.4网络可能会受到共存无线技术（例如Wi‐Fi）在多个相邻 信道上的干扰。为了在我们的设置中模拟这种真实情况，每个噪声发生器通过在一对相邻 的IEEE802.15.4信道上传输伪数据包来提供可控干扰。为实现这一机制，噪声发生器在一 个信道上发送一个短数据包后，立即跳转到配对的相邻信道。该过程持续进行，仅通过一 个噪声发生器即可在配对的两个相邻信道上产生干扰。此外，每个噪声发生器可被编程为 在预定义周期内，按照预定义序列跳转到不同的相邻信道对。
DCS技术适用于网络周围存在对协调器隐藏的干扰源的情况。实际上，当没有隐藏干 扰源时，DCS技术对信道白名单没有影响，白名单仅遵循NICE的输出。基于此，我们定 义了两个评估集来研究（1）在无隐藏干扰的情况下ETSCH技术的性能，以及（2）在存在 隐藏噪声的情况下ETSCH+DCS技术的性能。在第一个评估集中，我们通过实验和仿真比 较了ETSCH与ATSCH及基本TSCH的性能。这些实验总结了参考文献[31]中的结果，其 中我们使用了不同级别的干扰动态性来评估现有信道感知技术的敏捷性。除了参考文献 [31],中的实验室实验外，还利用仿真和真实世界干扰数据集，在现实的车载环境场景中评 估了ETSCH技术的性能。对于第二个评估集，我们通过实验重点评估在存在NICE无法检 测到的隐藏干扰时DCS技术的性能。由于DCS是建立在ETSCH之上的附加技术，我们同样 对ETSCH以及TSCH进行了相同的实验以比较结果。
5.2ETSCH性能评估
本小节评估了ETSCH（跳过DCS技术）与其他信道质量估计技术ATSCH以及TSCH协议 相比的性能。由于同信道无线干扰是城市网络中数据包错误的主要来源，白名单技术可通 过使用高质量信道来降低这种负面影响。干扰的程度及其动态性均可能影响白名单技术的 性能。为了测试ETSCH的性能，我们采用了可控噪声发生器的实验以及仿真方法 真实车载环境干扰对IEEE802.15.4信道的影响。我们针对被测网络尝试了不同干扰强度和干扰动态 性的不同干扰场景。
我们研究了多种指标来评估所提出技术的性能。数据包接收概率（PRP）是指在仿真 中，针对给定噪声功率下传输每个比特时，单个数据包成功传输的概率。PRP是基于信噪 比提取出的一个概率值。另一方面，分组接收率（PRR）是指从实验中获取的接收节点成 功接收到的数据包数量与发送节点发送的总数据包数量之比。这两个指标均反映了链路的 质量。突发性丢包长度是指在一个链路上连续丢包的数量，表示链路级断连的时间持续长 度。该指标对于许多应用层而言非常重要，因为这些应用需要避免长时间的断连，以保证 服务正确性的连续性。该指标的最大值表明，在重传次数无限的情况下，TSCH网络中某 条链路的最坏情况延迟。
5.2.1实验室实验、设置与分析
我们使用一个包含七个设备和一个PAN协调器的网状TSCH网络。Mote节点随机分布在10m × 10 m的办公室工作区域内。与卡车内的车载 网络相比，我们的实验使用了更大的区域。这是因为在车载测试平台中存在障碍物（如车 身和乘客），链路质量通常低于办公室工作环境。我们并未使用障碍物，而是通过增加 Mote节点之间的距离来降低实验中的链路质量。我们在本节中运行了完整的ETSCH（结 合NICE和EBSL）以及一个不包含EBSL的简化版本，后者称为ETSCH减EBSL（E TSCHminusEBSL），以便于参考。ETSCH减EBSL使用基本跳频序列列表（全部16个 信道）来传输信标帧。这使我们能够研究EBSL对网络性能的影响。我们还在我们的 TSCH实现基础上实现了ATSCH[11]以用于性能评估。
时隙帧大小S= 11在实验中被设置为与跳频序列列表大小8互素。第一个时隙分配给 协调器用于EB传输，其余7个时隙分别分配给各个设备用于发送一个100字节数据包，最后 三个时隙为空闲。由于ATSCH每时隙帧需要额外两个时隙执行EDs，我们使用其中三个空 闲时隙中的两个来完成该操作。每次实验持续6000个时隙帧，因此每个Mote节点在一个 实验中广播6,000个数据包。所有Mote节点监听所有时隙以接收来自其他Mote节点的数据 包。通过这样做，我们可以提取网络中所有
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