短距无线通信频率共存研究

　　摘要：随着科学技术的不断发展，2.4GHz ISM频段上发展了许多短距无线通信技术。当有限区域内集中大量使用同一频段上的ZigBee，Wi-Fi，蓝牙等各种通信技术时，相互之间可能存在着干扰，本文将着重分析基于ZigBee的无线通信系统在有限区域内面临的各种干扰，并提出消除干扰的方法，以及进一步分析了各种相关通信设备在有限区域内共存的问题。
　　关键词：有限区域ZigBee Wi-Fi 干扰 共存
　　中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1007-9416（2011）05-0065-03
　　
　　1、引言
　　随着人们越来越注重用户体验，无线通信技术得到巨大的发展，大量的无线通信技术应用在2.4~2.4835GHz ISM频段上，为人们提供越来越丰富的数据服务。无绳电话、无线局域网（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、无线USB（Wireless USB）、等用于有限区域内信息交换的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展。由此空间集中且频段集中而产生的多径干扰和同频带干扰更加频繁，需要工程研发人员和用户在项目开发与使用时特别注意。
　　2、ZigBee技术的特点
　　ZigBee技术，即IEEE 802.15.4协议，定义了2.4GHz频段和868/915MHz频段两个物理层，并且采用了DSSS工作方式。在2.4GHz频段ZigBee定义了每一信道宽3MHz的16个信道，相邻两个信道的中心间隔为5MHz，使相邻信道之间留有2MHz的频率间隔。在通信编码时，ZigBee采用32码片的PN码，将4个信息位编码到每一个符号中，使其具有250Kbps的最高数据速率。
　　ZigBee技术拥有功耗低、成本低、速率低、距离近、时延短、容量大、安全高、免专利费、自组织网通信方式等的特性，可应用于几乎所有需要低速率无线通信的行业[1]。
　　3、ZigBee通信信道特性分析
　　我们以Wi-Fi的协议中的IEEE 802.11b 和ZigBee（IEEE 802.15.4）的信道算法比较中分析ZigBee的信道的一些特性。如图1和图2所示，有4个ZigBee信道（n=15, 16, 21, 22）落在3个Wi-Fi信道的频道间距上，即使这些间距上信号的能量不为零，但因其会比信道内的能量低很多，所以可将这些频段作为ZigBee网络的工作信道，将系统间干扰降至最小。
　　图2 ZigBee的信道示意图
　　在进行网络初始化或者响应中断时，ZigBee设备会先扫描一系列被列入信道表参数中的信道，以便进行动态信道择。在有Wi-Fi网络活跃工作的环境中建立一个ZigBee网络，可以按照上述空闲信道来设置信道表参数，来加强网络共存的性能。
　　假设一个室内环境下的ZigBee 和Wi-Fi 设备节点如图3 分布，在频偏为零的同信道条件下分析ZigBee对Wi-Fi的干扰。每个ZigBee节点呈独立一致性均匀分布，其处于活动状态的概率为，分布密度为。假设有N个ZigBee 节点会产生对STA（WLAN中的站）有效的干扰，则分组冲突概率为，
　　由文献[4]和文献[5]可知，对于一个半径为r的覆盖区，假设STA的SIR阈值为β(如果ZigBee节点要对STA产生有效的干扰，使其SIR必须小于β)，则有效干扰区域的百分比(即对于STA的SIR低于β的区域百分比)为，如果在半径r范围内α，SIR低于β阈值的概率为，则
　　针对上述模型我们可做出定性分析，由于ZigBee的协议中有着特殊的睡眠机制，节点处于活动状态的概率一般小于1%[3]，可取10dBm[6]，AP的传输功率为14 dBm，而ZigBee的为0 dBm[4]。
　　据文献[5]可知，分组出错率的期望，分组冲突概率越大，相应的分组出错率也越大。从图4可以看出，随AP和STA的距离m以及σ的增加，系统的性能越差。
　　4、Zidbee与其它短距无线通信技术的共存
　　4.1 频率共存
　　实际应用环境中，ZigBee网络很可能与其他的通信技术使用相同的通信频段。ZigBee协议中为保证在2.4GHz频段和其他无线通信技术标准的共存能力，采用了空闲信道评估和动态信道选择。
　　(1)空闲信道评估（CCA，Clear Channel Assessment）：
　　ZigBee在物理层的碰撞避免机制（CSMACA）中提供CCA，即如果一个信道被其他设备占用，则不必考虑所采用的通信协议退出传输。
　　(2)动态信道选择：ZigBee中的协调器首先要扫描信道表中所有的信道，然后再确认并加入一个合适的ZigBee网络（PAN），而不是去创建一个新的PAN，这样就减少了有限区域内同频段PAN的数量，降低了潜在的干扰风险。如果信道上出现了严重的干扰，协调器上层的软件会根据信道算法选择一个新的信道。
　　4.2 ZigBee与Wi-Fi的共存
　　类似IEEE 802.15.2中规定的，ZigBee与Wi-Fi的共存方案也可分为协作方式和非协作方式两种[7]。在协作方式下我们可采用时序控制，使用一个控制器监控ZigBee和Wi-Fi的工作状态，任何一个装置需要传输数据时先向控制器申请时隙，由控制器分配时隙，使得每一时刻只有一方在工作，从而避免干扰。协作方式最主要应用于同一设备中存在ZigBee和Wi-Fi两种装置的情况。在实际应用环境中，将会有许多ZigBee和Wi-Fi装置同时存在于不同设备中，这就需要非协作方式减小干扰。这时我们采用自适应调整分组大小、动态信道分配、功率控制等方式进行控制。
　　4.3 ZigBee与蓝牙、Wireless USB的共存
　　ZigBee没有采用跳频通信技术，而蓝牙与Wireless USB均采用了调频通信的方式。其中蓝牙采用FHSS并将2.4GHz ISM频段划分成79个1MHz的信道，以伪随机码方式在这79个信道间每秒钟跳1600次。而每一个Wireless USB的信道宽1MHz，采用了DSSS将2.4GHz ISM频段分割成为79个1MHz信道。Wireless USB设备具有频率捷变特性，会根据通信链路质量动态地改变信道。因此，当ZigBee与蓝牙或Wireless USB设备产生严重干扰以至于影响其通信时，蓝牙或Wireless USB设备会主动改变通信频率摆脱干扰。
　　4.4 ZigBee与无绳电话共存
　　所有无绳电话都会在ISM频带中产生出相当高的能量，所以它会干扰许多射频系统。如果无绳电话采用FHSS，它发出的干扰可完全中断一个ZigBee 网络的工作，这是因为与蓝牙和Wireless USB（1MHz）相比，它占用更宽的信道（5～10MHz），而且无绳电话信号的功率很高。跳转到ZigBee信道中间的FHSS无绳电话可能会导致ZigBee设备连续重复发送数据，故建议在ZigBee网络以外使用这些电话。如果无绳电话采用DSSS，则可将无绳电话与ZigBee系统所使用的信道配置成互不重叠，以消除干扰。
　　4.5 ZigBee与微波炉共存
　　日常家电中的微波炉是最难以预测和最分散的干扰源。因为每个微波炉因其使用情况，溢出的能量强度不同，频谱也不一样。实验[8]证明，当微波炉和ZigBee设备距离小于1m时，约0.5%～2%的ZigBee数据帧被破坏，但当微波炉和ZigBee设备距离大于1m时，微波炉对ZigBee的干扰就基本上就不存在。
　　5、结语
　　设计者和用户在使用ZigBee设备时可能面对非常复杂的现场环境。当系统出现通信不成功时，要仔细分析现场情况，如果是因为干扰的存在，则应该认真分析干扰源，并针对性的采取措施，如改变通信频率，改变发射功率，增加通信延时等。
　　参考文献
　　[1] 瞿雷,刘盛德等.ZigBee技术术及应用[M].北京航空航天大学出版社,2007.
　　[2] IEEE Std 802.15.2.Coexistence of wireless personal area networks with other wireless devices operating in unlicensed frequency bands[S]. 2003.
　　[3] IEEE Std 802.15.4.Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks (LR-WPANs)[S]. 2003.
　　[4] Theodore S Rappaport.无线通信原理及应用[M].北京:电子工业出版社,1998.
　　[5] Howitt I.WLAN and WPAN coexistence in UL band [J].Transactions on Vehicular Technology,2001，50(4):1114-1124.
　　[6] Kamerman A.Coexistence between bluetooth and IEEE 802.11 CCK solutions to avoid mutual interference[Z].Lucent Technologies Bell Laboratories， 1999.
　　[7] IEEE Std 802.15.2.Coexistence of wireless personal area networks with other wireless devices operating in unlicensed frequency bands[S]. 2003.
　　[8] Sikora A. Coexistence of IEEE802.15.4 (ZigBee) with IEEE 802.11(WLAN)， Bluetooth,and Microwave Ovens in 2.4 GHz ISM Band. Web document， http://www.ba-loerrach.de/stzedn/,2004
　　作者简介：
　　陈 巍（1986-），湖南常德人，硕士研究生，研究方向为信号检测与信息处理.
　　楚栓成（1963-），宁夏银川人，副教授，硕士导师，研究方向是信号处理与无线通信技术.
　　 注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”