Zigbee和Wi-Fi的干擾和共存設(shè)計

0 引言

繼無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線城域網(wǎng)（WMAN）之后，便攜式技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用需求的迅速增長，促進了新的無線個人局域網(wǎng)（WPAN）的誕生，使無線接入的產(chǎn)業(yè)鏈更加完善。

Zigbee 是新近推出的一個低數(shù)據(jù)率的無線通信技術(shù)。它具有復(fù)雜度低、成本極少、功耗很小的特點，主要適用于自動控制、遠程監(jiān)控等領(lǐng)域。Zigbee 聯(lián)盟在制定Zigbee 標(biāo)準(zhǔn)時，采用了IEEE802.15.4 作為其物理層和媒體接入層規(guī)范?；贗EEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee 通信模塊，可嵌入到各種設(shè)備當(dāng)中，成本將有望控制在1.5 美元到2.5 美元之間，有著廣泛的應(yīng)用前景。據(jù)美國In-STat/MDR預(yù)測，2008 年出貨量將超過1.5 億個。

基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi 是當(dāng)今無線局域網(wǎng)的主流技術(shù)，而隨著低速率應(yīng)用市場需求的不斷增長，Zigbee 和Wi-Fi 系統(tǒng)共處的可能性越來越大。但由于兩者都主要工作在2.4 GHz 的ISM 頻段，它們不可避免地會產(chǎn)生相互干擾，可見Zigbee 和Wi-Fi 之間的共存是一個亟需解決的問題。目前國內(nèi)還沒有相關(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 有著特定的應(yīng)用空間，是Wi-Fi的有效補充，兩者的主要性能參數(shù)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(yī)療（ISM）頻段，定義了兩個物理層，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(nèi)免許可證的2.4 GHz 的ISM 頻段。必然會與工作在該頻段的Wi-Fi 產(chǎn)生相互干擾。

Zigbee 的底層標(biāo)準(zhǔn)把2.4 GHz 的ISM頻段劃分為16 個信道，每個信道帶寬為2 MHz,如圖1 所示。Wi-Fi 將該頻段劃分為11 個直擴信道，系統(tǒng)可選定其中任一信道進行通信，信道帶寬為22 MHz,所以11 個信道有重疊，無重疊的信道最多只有3 個，如圖2 和圖3 所示。顯而易見，假定Wi-Fi 系統(tǒng)工作在任一信道，則Zigbee 和其信道頻率重疊的概率為1/4.當(dāng)Zigbee 和Wi-Fi 同時使用相同頻段通信時，產(chǎn)生帶內(nèi)有色噪聲干擾，導(dǎo)致傳輸分組沖突。

2.2 Zigbee 對Wi-Fi 的干擾分析

本節(jié)將分析在頻偏為零的同信道條件下Zigbee 對Wi-Fi的干擾。假設(shè)一室內(nèi)環(huán)境下的Zigbee 和Wi-Fi 設(shè)備節(jié)點如圖4 分布。每個Zigbee 節(jié)點呈獨立一致性均勻分布，其處于活動狀態(tài)的概率為P[A ],分布密度為D.假設(shè)有個Zigbee 節(jié)點會產(chǎn)生對STA 有效的干擾，則分組沖突概率P[C]為m2:

本文室內(nèi)路徑損耗選用對數(shù)距離模型：

其中：n- - 依賴于周圍環(huán)境，Xo- - 零均值的高斯分布隨機變量，d0- - 近地參考距離。

根據(jù)文獻[5]和[6],對于一個半徑為R 的覆蓋區(qū)，假設(shè)STA的SIR 的閾值為γ （如果Zigbee 節(jié)點要對STA 產(chǎn)生有效的干擾，使其SIR 必須小于γ ），則有效干擾區(qū)域的百分比為U（γ ）（即對于STA的SIR低于γ的區(qū)域百分比），如果在半徑范圍內(nèi)導(dǎo)致SIR低于閾值的概率為P[SIRγ] ,則：

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 中有著特殊的睡眠機制，節(jié)點處于活動狀態(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(jù)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(yīng)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(tǒng)的性能越差。

3 共存問題解決

共存一般可認(rèn)為不同無線系統(tǒng)實現(xiàn)共處而不明顯相互影響性能。類似IEEE802.15.2 規(guī)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(tǒng)間可以進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，兩個系統(tǒng)不能夠進行信息交換，只有監(jiān)測到干擾存在時才做調(diào)整減少干擾程度。它們都有各自的應(yīng)用范圍，其中，協(xié)作方式最主要應(yīng)用于同一設(shè)備中存在Zigbee 和Wi-Fi 兩種裝置的情況。在實際應(yīng)用環(huán)境中，將會有許多Zigbee 和Wi-Fi 裝置同時存在，且存在于不同設(shè)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序控制，在MAC層加入一個中央控制器，監(jiān)控Zigbee 和Wi-Fi 的業(yè)務(wù)分布，并允許它們的信息進行交互，任一裝置需要傳輸數(shù)據(jù)時先向中央控制器申請時隙，控制器根據(jù)特定算法統(tǒng)一分配時隙，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(zhǔn)確的安排，每一時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，在大部分時間處于非工作狀態(tài)，可以減小控制器執(zhí)行的復(fù)雜度。

3.2 非協(xié)作方式。

3.2.1 自適應(yīng)調(diào)整分組大小

顯而易見，分組越長，相互干擾的可能性就越大。通過減少彼此的分組大小，在一定范圍內(nèi)可以減小受到干擾的可能性。但是分組長度太小，則發(fā)送同樣數(shù)據(jù)所需次數(shù)增加，也就相應(yīng)增加了報頭開銷的總量，并且，Zigbee 和Wi-Fi 的下面MAC 層都采用了ACK 機制，這也導(dǎo)致了確認(rèn)開銷的增加，整體的系統(tǒng)性能就會有一定程度的下降。

3.2.2 動態(tài)信道分配

在無線局域網(wǎng)中，避免干擾的最佳方法就是盡量選擇不被其它設(shè)備占用的信道。在設(shè)備工作時，可以對ISM 頻段進行掃描，根據(jù)具體的判斷標(biāo)準(zhǔn)動態(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]降低無線系統(tǒng)發(fā)射功率來削弱相互干擾，有效提高無線通信系統(tǒng)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(jié)束語

Zigbee 和Wi-Fi 兩種無線通信技術(shù)的應(yīng)用滿足了人們生活的不同需求，但相互間的干擾抑制了兩種設(shè)備的同時應(yīng)用的發(fā)展空間，控制干擾有著重要的意義。隨著共存解決辦法的提出，相信不久的將來，人們可以自由同時享用兩種無線技術(shù)帶來的便利。