Zigbee和Wi－Fi的干擾和共存

0 引言

繼無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）和無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)（WMAN）之后，便攜式技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展和應用需求的迅速增長(cháng)，促進(jìn)了新的無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）的誕生，使無(wú)線(xiàn)接入的產(chǎn)業(yè)鏈更加完善。

Zigbee 是新近推出的一個(gè)低數據率的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它具有復雜度低、成本極少、功耗很小的特點(diǎn)，主要適用于自動(dòng)控制、遠程監控等領(lǐng)域。Zigbee 聯(lián)盟在制定Zigbee 標準時(shí)，采用了IEEE802.15.4 作為其物理層和媒體接入層規范?；贗EEE802.15.4 標準的Zigbee 通信模塊，可嵌入到各種設備當中，成本將有望控制在1.5 美元到2.5 美元之間，有著(zhù)廣泛的應用前景。據美國In-STat/MDR預測，2008 年出貨量將超過(guò)1.5 億個(gè)。

基于IEEE802.11b標準的Wi-Fi 是當今無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的主流技術(shù)，而隨著(zhù)低速率應用市場(chǎng)需求的不斷增長(cháng)，Zigbee 和Wi-Fi 系統共處的可能性越來(lái)越大。但由于兩者都主要工作在2.4 GHz 的ISM 頻段，它們不可避免地會(huì )產(chǎn)生相互干擾，可見(jiàn)Zigbee 和Wi-Fi 之間的共存是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。目前國內還沒(méi)有相關(guān)的研究文獻，文章下面初步分析了Zigbee 對Wi-Fi 的干擾情況，并提出了共存的解決方法。

1 Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性比較

低速率、低功耗的Zigbee 有著(zhù)特定的應用空間，是Wi-Fi的有效補充，兩者的主要性能參數如表1 所示。

表1 Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性


2 干擾分析

2.1 背景

Zigbee 工作在工業(yè)科學(xué)醫療（ISM）頻段，定義了兩個(gè)物理層，即2.4 GHz頻段和868/915MHz 頻段物理層，而868MHz 和915 MHz 的ISM 頻段分別只在歐洲和北美有，所以其主要工作于全球范圍內免許可證的2.4 GHz 的ISM 頻段。必然會(huì )與工作在該頻段的Wi-Fi 產(chǎn)生相互干擾。

Zigbee 的底層標準把2.4 GHz 的ISM頻段劃分為16 個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為2 MHz,如圖1 所示。Wi-Fi 將該頻段劃分為11 個(gè)直擴信道，系統可選定其中任一信道進(jìn)行通信，信道帶寬為22 MHz,所以11 個(gè)信道有重疊，無(wú)重疊的信道最多只有3 個(gè)，如圖2 和圖3 所示。顯而易見(jiàn)，假定Wi-Fi 系統工作在任一信道，則Zigbee 和其信道頻率重疊的概率為1/4.當Zigbee 和Wi-Fi 同時(shí)使用相同頻段通信時(shí)，產(chǎn)生帶內有色噪聲干擾，導致傳輸分組沖突。






2.2 Zigbee 對Wi-Fi 的干擾分析

本節將分析在頻偏為零的同信道條件下Zigbee 對Wi-Fi的干擾。假設一室內環(huán)境下的Zigbee 和Wi-Fi 設備節點(diǎn)如圖4 分布。每個(gè)Zigbee 節點(diǎn)呈獨立一致性均勻分布，其處于活動(dòng)狀態(tài)的概率為P[A ],分布密度為D.假設有個(gè)Zigbee 節點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生對STA 有效的干擾，則分組沖突概率P[C]為m2:

本文室內路徑損耗選用對數距離模型：

其中：n- - 依賴(lài)于周?chē)h(huán)境，Xo- - 零均值的高斯分布隨機變量，d0- - 近地參考距離。

根據文獻[5]和[6],對于一個(gè)半徑為R 的覆蓋區，假設STA的SIR 的閾值為γ （如果Zigbee 節點(diǎn)要對STA 產(chǎn)生有效的干擾，使其SIR 必須小于γ ），則有效干擾區域的百分比為U（γ ）（即對于STA的SIR低于γ的區域百分比），如果在半徑范圍內導致SIR低于閾值的概率為P[SIRγ] ,則：




則對數正態(tài)分布變量SIR 的均值為：




其方差為δ。