避免2.4GHz ISM頻段各種類(lèi)型無(wú)線(xiàn)設備干擾的技術(shù)

每一種標準2.4GHz聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都進(jìn)行了必要的設計折衷來(lái)減小干擾的影響或完全避免干擾。設計者可通過(guò)以下方法將其系統設計成具有頻率捷變性，即：使用由正在實(shí)施的標準所提供的步驟、或采用本文所提到的方法并結合諸如RSSI的無(wú)線(xiàn)電特性來(lái)構建其自己的協(xié)議等，通過(guò)這些方法可使產(chǎn)品在當前惡劣的2.4GHz ISM頻段環(huán)境下良好地工作。

隨著(zhù)越來(lái)越多的公司生產(chǎn)使用2.4GHz ISM頻段的產(chǎn)品，設計人員必須處理來(lái)自其他來(lái)源的更多信號。管理免許可頻段的規章表明，您的設備必須考慮干擾問(wèn)題。

設計人員如何使處于這種苛刻條件下的2.4-GHz解決方案獲得最大性能呢？產(chǎn)品往往在受控的實(shí)驗室環(huán)境下工作得很好，但在現場(chǎng)卻會(huì )由于受到其它2.4GHz解決方案的影響而使性能顯著(zhù)下降。以現有的標準，如Wi-Fi、藍牙及ZigBee等，絕大多數產(chǎn)品是以標準制定者所提供的方法來(lái)實(shí)現。但如果設計人員控制協(xié)議時(shí)，則存在一些可將外來(lái)干擾減至最小的方法和步驟。

2.4GHz聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理分析

1．Wi-Fi系統

跳頻擴頻(FHSS)與直接序列擴頻(DSSS)是兩種用于免許可2.4GHz ISM頻段中射頻調制的方法。藍牙采用FHSS，而無(wú)線(xiàn)USB 802.11b/g/a(常稱(chēng)為Wi-Fi)及802.15.4(當與頂部聯(lián)網(wǎng)層結合時(shí)稱(chēng)為ZigBee)則采用DSSS。所有這些技術(shù)都工作于全球通用的ISM頻段(即2.400-2.483 GHz)。

圖1：工作于2.4GHz IFM頻段無(wú)線(xiàn)系統的信號比較。

采用Wi-Fi的主要推動(dòng)因素是數據吞吐量。Wi-Fi一般用來(lái)將計算機與本地局域網(wǎng)相連(以及直接與互聯(lián)網(wǎng)相連)。目前大多數Wi-Fi設備為可每天充電的筆記本電腦或用市電供電的接入點(diǎn)，因此對供電問(wèn)題并不敏感。

Wi-Fi采用DSSS，其每信道帶寬為22MHz，故允許同時(shí)采用三個(gè)分布式信道而不會(huì )互相重疊。每個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)所使用的信道均需人工配置，Wi-Fi客戶(hù)會(huì )搜索可用接入點(diǎn)的所有信道。

802.11采用一種稱(chēng)為巴克碼的11位偽隨機噪聲(PN)編碼來(lái)對每一原始數據速率為1及2Mbps的信息位進(jìn)行編碼。為達到更高的數據速率，802.11b利用補碼鍵控(CCK)將6個(gè)信息位編碼為8碼片符號。

這種CCK算法可使用64個(gè)符號，要求每一個(gè)802.11b無(wú)線(xiàn)電均含有64個(gè)單獨的相關(guān)器(即用于將符號轉換為信息位的器件)，這雖然會(huì )增加無(wú)線(xiàn)電的成本與復雜性，但可將數據速率提高至11Mbps。

2．藍牙系統

藍牙技術(shù)則側重于蜂窩手機、無(wú)繩電話(huà)與PDA之間的互操作性。大多數藍牙設備均可定期充電。

藍牙采用FHSS并將2.4GHz ISM頻段劃分成79個(gè)1MHz的信道。藍牙設備以偽隨機碼方式在這79個(gè)信道間每秒鐘跳1,600次。所連接藍牙設備被分組到稱(chēng)為微網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )中：每一個(gè)微網(wǎng)均包含一個(gè)主設備及七個(gè)從設備。每個(gè)微網(wǎng)的信道跳頻序列源于主設備的時(shí)鐘。所有從設備均必須保持與此時(shí)鐘同步。

通過(guò)將數據包頭中的每一位發(fā)送三次，可對所有數據包頭執行前向糾錯(FEC)。亦可將漢明碼用于某類(lèi)數據包數據載荷的前向糾錯。漢明碼雖會(huì )對每一個(gè)數據包帶來(lái)50%的開(kāi)銷(xiāo)，但能糾正所有單個(gè)15位碼字(每個(gè)15位碼字包含10位信息)中所有一位錯誤并檢測兩位錯誤。

3．無(wú)線(xiàn)USB

無(wú)線(xiàn)USB被設計成計算機輸入設備(鼠標、鍵盤(pán)等)連接電纜的封殺者，且其目標還瞄準無(wú)線(xiàn)傳感器市場(chǎng)。無(wú)線(xiàn)USB設備無(wú)需定期充電，被設計成可使用堿性電池工作數月。

無(wú)線(xiàn)USB采用類(lèi)似于藍牙的無(wú)線(xiàn)電信號，但是采用了DSSS而不是FHSS。每一個(gè)無(wú)線(xiàn)USB信道寬1MHz，故允許無(wú)線(xiàn)USB像藍牙那樣將2.4GHz ISM頻段分割成為79個(gè)1MHz信道。無(wú)線(xiàn)USB設備具有頻率捷變特性，換言之，它們雖采用“固定”信道，但如果最初信道的鏈路質(zhì)量變得不理想，則會(huì )動(dòng)態(tài)地改變信道。

無(wú)線(xiàn)USB采用偽隨機噪聲(PN)碼來(lái)編碼每一個(gè)信息位。大多數無(wú)線(xiàn)USB系統都使用32碼片PN編碼，以便在每一個(gè)32碼片符號中編碼兩位信息位。這種方案可糾正3個(gè)碼片錯誤(每符號)，并能檢測10個(gè)碼片錯誤(每符號)。盡管采用32碼片(有時(shí)甚至是64碼片)PN編碼會(huì )將無(wú)線(xiàn)USB的數據速率限制在62.5kbps上，但其數據完整性則要遠高于藍牙，尤其在噪聲環(huán)境下。

4．ZigBee系統

ZigBee被設計成為一種用于傳感器及控制網(wǎng)絡(luò )的標準化解決方案。大多數ZigBee設備都對功率非常敏感(溫度調節器、安全傳感器等)，其電池壽命可以年來(lái)計算。

ZigBee可采用868MHz頻段(歐洲)、915MHz頻段(北美)及2.4GHz ISM頻段(全球)中的DSSS無(wú)線(xiàn)電信號。在2.4GHz ISM頻段中定義了16個(gè)信道，每一信道寬3MHz，信道中心間隔為5MHz，使相鄰信道間留有2MHz的頻率間隔。

ZigBee采用32碼片PN碼，將4個(gè)信息位編碼到每一個(gè)符號中，使其具有250Kbps的最高數據速率。其物理及MAC層由IEEE 802.15.4工作組定義，并擁有許多與IEEE 802.11b標準一樣的設計特征。

5．2.4GHz無(wú)繩電話(huà)

圖2：無(wú)線(xiàn)USB設計的頻率捷變示意圖。

2.4GHz無(wú)繩電話(huà)在北美越來(lái)越流行，且不采用標準聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。雖然有些無(wú)繩電話(huà)采用DSSS，但多數采用FHSS。采用DSSS及其他固定信道算法的無(wú)繩電話(huà)一般在電話(huà)上裝有“信道”按鍵，使用戶(hù)能手動(dòng)改變信道。FHSS電話(huà)則沒(méi)有“信道”按鍵，因為它們經(jīng)常改變信道。大多數2.4GHz無(wú)繩電話(huà)均采用5至10MHz的信道寬度。

避免沖突的技術(shù)

除了解每一項技術(shù)的工作原理外，了解上述技術(shù)在同構及異構環(huán)境下的相互作用也很重要。

Wi-Fi免沖突法在發(fā)射前偵聽(tīng)“安靜”的信道，這使得多個(gè)Wi-Fi客戶(hù)能有效地與單個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)通信。如果Wi-Fi信道噪聲很大，則Wi-Fi設備在又一次傾聽(tīng)信道前會(huì )進(jìn)行隨機退避。如果信道仍有噪聲，則會(huì )重復此過(guò)程直至信道安靜為止。一旦信道變得安靜，Wi-Fi設備即會(huì )開(kāi)始發(fā)射。如果信道永遠嘈雜，則Wi-Fi設備會(huì )搜索另條信道上的其他可用接入點(diǎn)。

由于有免沖突算法，故采用相同或重疊信道的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )可共處，但每一網(wǎng)絡(luò )的吞吐量會(huì )有所下降。如果在同一地域使用多個(gè)網(wǎng)絡(luò )，則最好能使用非重疊信號，如信道1、6及11等。這能提高每個(gè)網(wǎng)絡(luò )的吞吐量，因為無(wú)需與其他網(wǎng)絡(luò )共用帶寬。

由于藍牙發(fā)送的跳頻特性，故來(lái)自藍牙的干擾很小。如果藍牙設備在一個(gè)與Wi-Fi信道重疊的頻率上發(fā)送，而Wi-Fi設備此時(shí)正在進(jìn)行“發(fā)送前偵聽(tīng)”，則Wi-Fi設備會(huì )執行隨機退避，在這期間，藍牙設備會(huì )跳轉到一個(gè)非重疊的信道，以允許Wi-Fi設備可開(kāi)始發(fā)送。

即使無(wú)繩電話(huà)采用FHSS而不是DSSS，2.4GHz無(wú)繩電話(huà)發(fā)出的干擾也可完全中斷一個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )的工作。這部分是因為與藍牙(1MHz)相比它占用更寬的信道(5-10MHz)，以及無(wú)繩電話(huà)信號具有更高的功率。跳轉到Wi-Fi信道中間的FHSS無(wú)繩電話(huà)可能會(huì )破壞Wi-Fi發(fā)送，從而導致Wi-Fi設備需要重復發(fā)送。2.4GHz FHSS無(wú)繩電話(huà)很可能會(huì )干擾鄰近的所有Wi-Fi設備。故建議在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )以外使用這些電話(huà)。如果無(wú)繩電話(huà)采用DSSS，則可將無(wú)繩電話(huà)與Wi-Fi接入點(diǎn)所使用的信道配置成互不重疊，以消除干擾。

處理藍牙的干擾

在藍牙中，來(lái)自其他藍牙微網(wǎng)的干擾很小，因為每個(gè)微網(wǎng)都使用它自己的偽隨機跳頻方案。如果兩個(gè)共處微網(wǎng)被激活，則發(fā)生沖突的概率為1/79。沖突的概率隨共處有效微網(wǎng)的數量線(xiàn)性增加。

藍牙最初依賴(lài)其跳頻算法來(lái)處理干擾，但人們意識到單個(gè)有效Wi-Fi網(wǎng)可對25%的藍牙信道造成嚴重的干擾。由于信道重迭而引起的數據包丟失必須在安靜的信道上重傳，因此會(huì )大大降低藍牙設備的吞吐量。

1.2版藍牙規范通過(guò)定義一種自適應跳頻(AFH)算法來(lái)解決此問(wèn)題。該算法允許藍牙設備將信道分別標記為好、壞及未知，然后再通過(guò)一個(gè)查找表來(lái)用好信道替換跳頻模式中的壞信道。藍牙主設備可通過(guò)定期偵聽(tīng)壞信道來(lái)確定干擾是否消失。如果干擾消失，則將信道標記為好信道并將其從查找表中刪除。當藍牙主設備查詢(xún)從設備時(shí)，后者也可向主設備發(fā)送一個(gè)報告來(lái)向主設備通告其對信道質(zhì)量的評價(jià)。例如，從設備可能可以偵聽(tīng)到一個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )，而主設備卻不能。聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)要求至少使用15個(gè)不同的信道。

AFH算法使藍牙設備能避免使用被Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)USB等DSSS系統所占用的信道。2.4GHz FHSS無(wú)繩電話(huà)仍可能干擾藍牙設備，因為這兩種系統均在整個(gè)2.4GHz ISM頻段上以跳頻方式工作。但由于藍牙信號只有1MHz寬，故FHSS無(wú)繩電話(huà)與藍牙信號之間的頻率沖突遠小于Wi-Fi與FHSS無(wú)繩電話(huà)之間的頻率沖突。

藍牙還具有三種不同的數據包長(cháng)度，在給定信道上表現為具有不同的駐留時(shí)間。藍牙還具有一個(gè)通過(guò)減小數據包長(cháng)度以提高數據吞吐量可靠性的選項。在這種情況下，最好是使較小數據包以較低的速率通過(guò)，這比以正常速率會(huì )丟失較大的數據包更為可取。

解決無(wú)線(xiàn)USB、ZigBee的干擾

在無(wú)線(xiàn)USB中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )在選擇信道前均檢查其他無(wú)線(xiàn)USB網(wǎng)絡(luò )，故可減少來(lái)自其他無(wú)線(xiàn)USB網(wǎng)絡(luò )的干擾。無(wú)線(xiàn)USB至少每50毫秒檢查一次信道的噪聲水平。Wi-Fi設備的干擾會(huì )引起連續的高噪聲數據讀取，從而迫使無(wú)線(xiàn)USB主設備選擇一個(gè)新信道。無(wú)線(xiàn)USB可與多個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )和平共處，因為無(wú)線(xiàn)USB能找到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )中的安靜信道(見(jiàn)圖2)。

藍牙的干擾可能會(huì )引起無(wú)線(xiàn)USB數據包的重傳。由于藍牙的跳頻天性，無(wú)線(xiàn)USB數據包的重傳不會(huì )與下一次藍牙傳輸發(fā)生沖突，因為藍牙設備會(huì )跳到另一個(gè)信道上。藍牙網(wǎng)絡(luò )不會(huì )造成足夠連續高的噪聲電平來(lái)迫使無(wú)線(xiàn)USB主設備改變信道。

ZigBee規定了一種類(lèi)似802.11b的免沖突算法；每個(gè)設備在發(fā)送數據之前偵聽(tīng)信道，以減小ZigBee設備之間的頻率沖突。在嚴重干擾期間，ZigBee不改變信道；相反，它依靠其低占空比及免沖突算法來(lái)減小由于傳輸沖突所造成的數據丟失。如果ZigBee使用的信道與一個(gè)頻繁使用的Wi-Fi信道相重疊，則現場(chǎng)實(shí)驗表明，有多達20%的ZigBee數據包會(huì )由于包沖突而重傳。

補充措施

在開(kāi)發(fā)藍牙、Wi-Fi或ZigBee時(shí)，設計者可使用規范中所提供的方法。而當開(kāi)發(fā)一種基于802.15.4、無(wú)線(xiàn)USB和其他2.4GHz無(wú)線(xiàn)電的專(zhuān)用系統時(shí)，設計者無(wú)需使用高級工具即可獲得頻率捷變性。

由于存在與其他DSSS系統相重疊的風(fēng)險，故DSSS系統最可能發(fā)生數據丟失。但DSSS系統可采用一些補救措施來(lái)獲得FHSS系統的頻率捷變，其中一種方法便是網(wǎng)絡(luò )監視。如果DSSS系統使用輪詢(xún)協(xié)議(其中所期望數據包以規定間隔出現)，則在一定數量的發(fā)送嘗試失敗或接收到錯誤數據包以后，主設備可切換信道。

另一種方法是讀取空中傳輸信號的功率電平(如果無(wú)線(xiàn)電設備具有這種能力)?？墒褂媒邮招诺缽姸戎笜?RSSI)來(lái)預先測量空中傳輸信道的功率，如果功率電平在一段時(shí)間內過(guò)高，則會(huì )切換到另一個(gè)更潔凈的信道上。之所以考慮這一段時(shí)間是為了在FHSS系統通過(guò)的情況下不改變信道。

網(wǎng)絡(luò )監視與RSSI讀數方法假設了無(wú)線(xiàn)電均為可發(fā)送及接收數據包的收發(fā)器。在一個(gè)一端是收發(fā)器而另一端是接收器的DSSS系統中，可采用多發(fā)送的方法來(lái)獲得頻率捷變性。發(fā)送器使用多個(gè)頻率來(lái)發(fā)送相同的數據包，接收器則以非常低的速率在接收信道間循環(huán)接收。當接收器連接到電源上以及當電池供電發(fā)送器使用不頻繁時(shí)，這種系統是可行的。無(wú)線(xiàn)遙控可采用此種方法。

作者：Ryan Winfield Wooding

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