避免2.4GHz ISM频段各种类型无线设备干扰的技术

每 一种标准2.4GHz联网技术都进行了必要的设计折衷来减小干扰的影响或完全避免干扰。设计者可通过以下方法将其系统设计成具有频率捷变性，即：使用由正 在实施的标准所提供的步骤、或采用本文所提到的方法并结合诸如RSSI的无线电特性来构建其自己的协议等，通过这些方法可使产品在当前恶劣的2.4GHz ISM频段环境下良好地工作。

        随着越来越多的公司生产使用2.4GHz ISM频段的产品，设计人员必须处理来自其他来源的更多信号。管理免许可频段的规章表明，您的设备必须考虑干扰问题。

        设计人员如何使处于这种苛刻条件下的 2.4-GHz解决方案获得最大性能呢？产品往往在受控的实验室环境下工作得很好，但在现场却会由于受到其它2.4GHz解决方案的影响而使性能显著下 降。以现有的标准，如Wi-Fi、蓝牙及ZigBee等，绝大多数产品是以标准制定者所提供的方法来实现。但如果设计人员控制协议时，则存在一些可将外来 干扰减至最小的方法和步骤。

2.4GHz联网技术原理分析

1．Wi-Fi系统

        跳频扩频(FHSS)与直接序列扩频 (DSSS)是两种用于免许可2.4GHz ISM频段中射频调制的方法。蓝牙采用FHSS，而无线USB 802.11b/g/a(常称为Wi-Fi)及802.15.4(当与顶部联网层结合时称为ZigBee)则采用DSSS。所有这些技术都工作于全球通用 的ISM频段(即2.400-2.483 GHz)。

图1：工作于2.4GHz IFM频段无线系统的信号比较。

        采用Wi-Fi的主要推动因素是数据吞吐量。Wi-Fi一般用来将计算机与本地局域网相连(以及直接与互联网相连)。目前大多数Wi-Fi设备为可每天充电的笔记本电脑或用市电供电的接入点，因此对供电问题并不敏感。

        Wi-Fi采用DSSS，其每信道带宽为22MHz，故允许同时采用三个分布式信道而不会互相重叠。每个Wi-Fi接入点所使用的信道均需人工配置，Wi-Fi客户会搜索可用接入点的所有信道。

        802.11采用一种称为巴克码的11位伪随机噪声(PN)编码来对每一原始数据速率为1及2Mbps的信息位进行编码。为达到更高的数据速率，802.11b利用补码键控(CCK)将6个信息位编码为8码片符号。

        这种CCK算法可使用64个符号，要求每一个802.11b无线电均含有64个单独的相关器(即用于将符号转换为信息位的器件)，这虽然会增加无线电的成本与复杂性，但可将数据速率提高至11Mbps。

2．蓝牙系统

        蓝牙技术则侧重于蜂窝手机、无绳电话与PDA之间的互操作性。大多数蓝牙设备均可定期充电。

        蓝牙采用FHSS并将2.4GHz ISM频段划分成79个1MHz的信道。蓝牙设备以伪随机码方式在这79个信道间每秒钟跳1,600次。所连接蓝牙设备被分组到称为微网的网络中：每一个 微网均包含一个主设备及七个从设备。每个微网的信道跳频序列源于主设备的时钟。所有从设备均必须保持与此时钟同步。

        通过将数据包头中的每一位发送三次，可对 所有数据包头执行前向纠错(FEC)。亦可将汉明码用于某类数据包数据载荷的前向纠错。汉明码虽会对每一个数据包带来50%的开销，但能纠正所有单个15 位码字(每个15位码字包含10位信息)中所有一位错误并检测两位错误。

3．无线USB

        无线USB被设计成计算机输入设备(鼠标、键盘等)连接电缆的封杀者，且其目标还瞄准无线传感器市场。无线USB设备无需定期充电，被设计成可使用碱性电池工作数月。

        无线USB采用类似于蓝牙的无线电信号， 但是采用了DSSS而不是FHSS。每一个无线USB信道宽1MHz，故允许无线USB像蓝牙那样将2.4GHz ISM频段分割成为79个1MHz信道。无线USB设备具有频率捷变特性，换言之，它们虽采用“固定”信道，但如果最初信道的链路质量变得不理想，则会动 态地改变信道。

        无线USB采用伪随机噪声(PN)码来编 码每一个信息位。大多数无线USB系统都使用32码片PN编码，以便在每一个32码片符号中编码两位信息位。这种方案可纠正3个码片错误(每符号)，并能 检测10个码片错误(每符号)。尽管采用32码片(有时甚至是64码片)PN编码会将无线USB的数据速率限制在62.5kbps上，但其数据完整性则要 远高于蓝牙，尤其在噪声环境下。

4．ZigBee系统

        ZigBee被设计成为一种用于传感器及控制网络的标准化解决方案。大多数ZigBee设备都对功率非常敏感(温度调节器、安全传感器等)，其电池寿命可以年来计算。

        ZigBee可采用868MHz频段(欧 洲)、915MHz频段(北美)及2.4GHz ISM频段(全球)中的DSSS无线电信号。在2.4GHz ISM频段中定义了16个信道，每一信道宽3MHz，信道中心间隔为5MHz，使相邻信道间留有2MHz的频率间隔。

        ZigBee采用32码片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。其物理及MAC层由IEEE 802.15.4工作组定义，并拥有许多与IEEE 802.11b标准一样的设计特征。

5．2.4GHz无绳电话

图2：无线USB设计的频率捷变示意图。

        2.4GHz 无绳电话在北美越来越流行，且不采用标准联网技术。虽然有些无绳电话采用DSSS，但多数采用FHSS。采用DSSS及其他固定信道算法的无绳电话一般在 电话上装有“信道”按键，使用户能手动改变信道。FHSS电话则没有“信道”按键，因为它们经常改变信道。大多数2.4GHz无绳电话均采用5至 10MHz的信道宽度。

避免冲突的技术

        除了解每一项技术的工作原理外，了解上述技术在同构及异构环境下的相互作用也很重要。

        Wi-Fi免冲突法在发射前侦听“安静” 的信道，这使得多个Wi-Fi客户能有效地与单个Wi-Fi接入点通信。如果Wi-Fi信道噪声很大，则Wi-Fi设备在又一次倾听信道前会进行随机退 避。如果信道仍有噪声，则会重复此过程直至信道安静为止。一旦信道变得安静，Wi-Fi设备即会开始发射。如果信道永远嘈杂，则Wi-Fi设备会搜索另条 信道上的其他可用接入点。

        由于有免冲突算法，故采用相同或重叠信道的Wi-Fi网络可共处，但每一网络的吞吐量会有所下降。如果在同一地域使用多个网络，则最好能使用非重叠信号，如信道1、6及11等。这能提高每个网络的吞吐量，因为无需与其他网络共用带宽。

        由于蓝牙发送的跳频特性，故来自蓝牙的干 扰很小。如果蓝牙设备在一个与Wi-Fi信道重叠的频率上发送，而Wi-Fi设备此时正在进行“发送前侦听”，则Wi-Fi设备会执行随机退避，在这期 间，蓝牙设备会跳转到一个非重叠的信道，以允许Wi-Fi设备可开始发送。

        即使无绳电话采用FHSS而不是 DSSS，2.4GHz无绳电话发出的干扰也可完全中断一个Wi-Fi网络的工作。这部分是因为与蓝牙(1MHz)相比它占用更宽的信道 (5-10MHz)，以及无绳电话信号具有更高的功率。跳转到Wi-Fi信道中间的FHSS无绳电话可能会破坏Wi-Fi发送，从而导致Wi-Fi设备需 要重复发送。2.4GHz FHSS无绳电话很可能会干扰邻近的所有Wi-Fi设备。故建议在Wi-Fi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Wi- Fi接入点所使用的信道配置成互不重叠，以消除干扰。

处理蓝牙的干扰

        在蓝牙中，来自其他蓝牙微网的干扰很小，因为每个微网都使用它自己的伪随机跳频方案。如果两个共处微网被激活，则发生冲突的概率为1/79。冲突的概率随共处有效微网的数量线性增加。

        蓝牙最初依赖其跳频算法来处理干扰，但人们意识到单个有效Wi-Fi网可对25%的蓝牙信道造成严重的干扰。由于信道重迭而引起的数据包丢失必须在安静的信道上重传，因此会大大降低蓝牙设备的吞吐量。

        1.2版蓝牙规范通过定义一种自适应跳频 (AFH)算法来解决此问题。该算法允许蓝牙设备将信道分别标记为好、坏及未知，然后再通过一个查找表来用好信道替换跳频模式中的坏信道。蓝牙主设备可通 过定期侦听坏信道来确定干扰是否消失。如果干扰消失，则将信道标记为好信道并将其从查找表中删除。当蓝牙主设备查询从设备时，后者也可向主设备发送一个报 告来向主设备通告其对信道质量的评价。例如，从设备可能可以侦听到一个Wi-Fi网络，而主设备却不能。联邦通信委员会(FCC)要求至少使用15个不同 的信道。

        AFH算法使蓝牙设备能避免使用被Wi- Fi网络及无线USB等DSSS系统所占用的信道。2.4GHz FHSS无绳电话仍可能干扰蓝牙设备，因为这两种系统均在整个2.4GHz ISM频段上以跳频方式工作。但由于蓝牙信号只有1MHz宽，故FHSS无绳电话与蓝牙信号之间的频率冲突远小于Wi-Fi与FHSS无绳电话之间的频率 冲突。

        蓝牙还具有三种不同的数据包长度，在给定信道上表现为具有不同的驻留时间。蓝牙还具有一个通过减小数据包长度以提高数据吞吐量可靠性的选项。在这种情况下，最好是使较小数据包以较低的速率通过，这比以正常速率会丢失较大的数据包更为可取。

解决无线USB、ZigBee的干扰

        在无线USB中，每个网络在选择信道前均 检查其他无线USB网络，故可减少来自其他无线USB网络的干扰。无线USB至少每50毫秒检查一次信道的噪声水平。Wi-Fi设备的干扰会引起连续的高 噪声数据读取，从而迫使无线USB主设备选择一个新信道。无线USB可与多个Wi-Fi网络和平共处，因为无线USB能找到Wi-Fi网络中的安静信道 (见图2)。

        蓝牙的干扰可能会引起无线USB数据包的重传。由于蓝牙的跳频天性，无线USB数据包的重传不会与下一次蓝牙传输发生冲突，因为蓝牙设备会跳到另一个信道上。蓝牙网络不会造成足够连续高的噪声电平来迫使无线USB主设备改变信道。

        ZigBee规定了一种类似 802.11b的免冲突算法；每个设备在发送数据之前侦听信道，以减小ZigBee设备之间的频率冲突。在严重干扰期间，ZigBee不改变信道；相反， 它依靠其低占空比及免冲突算法来减小由于传输冲突所造成的数据丢失。如果ZigBee使用的信道与一个频繁使用的Wi-Fi信道相重叠，则现场实验表明， 有多达20%的ZigBee数据包会由于包冲突而重传。

补充措施

        在开发蓝牙、Wi-Fi或ZigBee时，设计者可使用规范中所提供的方法。而当开发一种基于802.15.4、无线USB和其他2.4GHz无线电的专用系统时，设计者无需使用高级工具即可获得频率捷变性。

        由于存在与其他DSSS系统相重叠的风 险，故DSSS系统最可能发生数据丢失。但DSSS系统可采用一些补救措施来获得FHSS系统的频率捷变，其中一种方法便是网络监视。如果DSSS系统使 用轮询协议(其中所期望数据包以规定间隔出现)，则在一定数量的发送尝试失败或接收到错误数据包以后，主设备可切换信道。

        另一种方法是读取空中传输信号的功率电平 (如果无线电设备具有这种能力)。可使用接收信道强度指标(RSSI)来预先测量空中传输信道的功率，如果功率电平在一段时间内过高，则会切换到另一个更 洁净的信道上。之所以考虑这一段时间是为了在FHSS系统通过的情况下不改变信道。

        网络监视与RSSI读数方法假设了无线电 均为可发送及接收数据包的收发器。在一个一端是收发器而另一端是接收器的DSSS系统中，可采用多发送的方法来获得频率捷变性。发送器使用多个频率来发送 相同的数据包，接收器则以非常低的速率在接收信道间循环接收。当接收器连接到电源上以及当电池供电发送器使用不频繁时，这种系统是可行的。无线遥控可采用 此种方法。

作者：Ryan Winfield Wooding