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。

針對上述模型做定性分析，由于Zigbee 底層協(xié)議IEEE802.15.4 中有著(zhù)特殊的睡眠機制，節點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)的概率一般小于1 %[4],γ可取為10dBm[7],AP 和Zigbee 的傳輸功率分別為14 dBm 和0 dBm。

根據文獻[6],分組出錯率的期望E[PER]=P[C] ,分組沖突概率越大，相應的分組出錯率也越大。從圖5 可以看出，隨AP和STA 的距離d以及δ的增大，系統的性能越差。

3 共存問(wèn)題解決

共存一般可認為不同無(wú)線(xiàn)系統實(shí)現共處而不明顯相互影響性能。類(lèi)似IEEE802.15.2 規定的，共存方案在此也可分為協(xié)作方式和非協(xié)作方式兩種[8].

對于協(xié)作方式，系統間可以進(jìn)行信息交換從而能減少互相之間的干擾。對于非協(xié)作方式，兩個(gè)系統不能夠進(jìn)行信息交換，只有監測到干擾存在時(shí)才做調整減少干擾程度。它們都有各自的應用范圍，其中，協(xié)作方式最主要應用于同一設備中存在Zigbee 和Wi-Fi 兩種裝置的情況。在實(shí)際應用環(huán)境中，將會(huì )有許多Zigbee 和Wi-Fi 裝置同時(shí)存在，且存在于不同設備中，這就需要非協(xié)作方式減小干擾。

3.1 協(xié)作方式

在此方式下我們可采用時(shí)序控制，在MAC層加入一個(gè)中央控制器，監控Zigbee 和Wi-Fi 的業(yè)務(wù)分布，并允許它們的信息進(jìn)行交互，任一裝置需要傳輸數據時(shí)先向中央控制器申請時(shí)隙，控制器根據特定算法統一分配時(shí)隙，并將分配情況反饋給申請裝置。這樣，就可以對分組的業(yè)務(wù)做出合理準確的安排，每一時(shí)刻只有一種裝置工作，從而避免兩種裝置的干擾。

由于Zigbee 支持休眠模式，在大部分時(shí)間處于非工作狀態(tài)，可以減小控制器執行的復雜度。

3.2 非協(xié)作方式。

3.2.1 自適應調整分組大小

顯而易見(jiàn)，分組越長(cháng)，相互干擾的可能性就越大。通過(guò)減少彼此的分組大小，在一定范圍內可以減小受到干擾的可能性。但是分組長(cháng)度太小，則發(fā)送同樣數據所需次數增加，也就相應增加了報頭開(kāi)銷(xiāo)的總量，并且，Zigbee 和Wi-Fi 的下面MAC 層都采用了ACK 機制，這也導致了確認開(kāi)銷(xiāo)的增加，整體的系統性能就會(huì )有一定程度的下降。

3.2.2 動(dòng)態(tài)信道分配

在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中，避免干擾的最佳方法就是盡量選擇不被其它設備占用的信道。在設備工作時(shí)，可以對ISM 頻段進(jìn)行掃描，根據具體的判斷標準動(dòng)態(tài)選擇最佳的傳輸信道，避免占用同一信道，減小干擾。

3.2.3 功率控制

信噪比越高，分組丟失率也就越高?？梢钥紤]降低無(wú)線(xiàn)系統發(fā)射功率來(lái)削弱相互干擾，有效提高無(wú)線(xiàn)通信系統吞吐量。Zigbee 和Wi-Fi 都屬于近距離通信，采用功率控制技術(shù)也是克服相互干擾的有效手段之一。

4 結束語(yǔ)

Zigbee 和Wi-Fi 兩種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的應用滿(mǎn)足了人們生活的不同需求，但相互間的干擾抑制了兩種設備的同時(shí)應用的發(fā)展空間，控制干擾有著(zhù)重要的意義。隨著(zhù)共存解決辦法的提出，相信不久的將來(lái)，人們可以自由同時(shí)享用兩種無(wú)線(xiàn)技術(shù)帶來(lái)的便利。

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