如何避免2.4GHz ISM频段下各种无线设备的干扰

在本文中，我们将探讨 2.4 GHz 无线系统中的各种干扰控制技术，并介绍如何运用低级工具实现 2.4 GHz 设计方案中的频率稳定性。

Wi-Fi

跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)是两种免许可 2.4 GHz ISM 频段中射频调制的方法。蓝牙使用FHSS，而 WirelessUSB、802.11b/g/a(也就是常说的 Wi-Fi)和802.15.4(与上层网络层相结合时称作ZigBee)则使用 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)(见图 1)。

 

图 1：工作在 2.4 GHz 频段中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 通常用于计算机和本地局域网(LAN)的连接(并通过 LAN 间接连接到因特网上)。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 使用 DSSS 技术，每个通道的带宽为 22 MHz，故允许同时采用三个均匀分布的通道而不会互相重叠。每个 Wi-Fi 接入点使用的通道均需手动配置；Wi-Fi客户会搜索所有通道中的可用接入点。

802.11 采用一种称为巴克(Barker)码的11位伪随机噪声(PN)码来对每一原始数据速率为1及2Mbps的信息位进行编码。为实现更高的数据速率，802.11b通过补码键控技术(CCK)将 6 个信息位编码为一个 8 码片符号。

CCK 算法中有 64 个可以使用的符号，要求每个 802.11b 无线电设备均包括 64 个单独的相关器(即用于将符号转化为信息位的器件)，这虽然会增加无线电设备的复杂性与成本，但能将数据速率提高至 11 Mbps。

蓝牙

蓝牙技术则侧重于蜂窝手机、耳机与PDA之间自适应组网的互操作性。大多数蓝牙设备都需要定期充电。

蓝牙采用 FHSS 并将 2.4GHz ISM 频段划分成 79 个 1MHz 的通道。蓝牙设备以伪随机码方式在这 79 个通道间每秒钟跳 1,600 次。所连接蓝牙设备被分组到称为微网(piconet)的网络中；每个微网均包括一个主设备和多达 7 个有效从设备。每个微网的通道跳频顺序源于主设备的时钟，所有从设备都必须保持与此时钟同步。

通过将数据包报头中的每个位发送三次，可对所有数据包报头执行前向纠错(FEC)。亦可将汉明(Hamming)码用于某类数据包数据有效载荷的前向纠错。汉明码虽会对每一个数据包带来 50% 的额外开销，但能纠正每个 15 位码字(每个 15 位码字包含 10 个信息位)中所有一位错误并检测两位错误。

 

表1

WirelessUSB

WirelessUSB设计旨在取代计算机输入设备(鼠标、键盘等)的有线连接，且其目标还瞄准无线传感器市场。WirelessUSB设备无需定期充电，用碱性电池能工作数月。

WirelessUSB采用无线电信号技术，类似于蓝牙标准，，但其采用 DSSS 而不是 FHSS 技术进行调制。每个 WirelessUSB 通道宽度1 MHz，允许 WirelessUSB 像蓝牙那样将 2.4 GHz ISM频段分为 79 个 1 MHz 通道。

WirelessUSB 设备具有频率捷变性，换言之，它们虽然采用“固定”通道，但在最初通道的链接质量不佳时又能动态改变通道。

WirelessUSB使用伪随机噪声(PN)码对每个信息位进行编码。大多数 WirelessUSB 系统均使用两个32码片PN码，以便在每个 32 码片符号中可编码两个信息位。这种方案可纠正多达 3 个码片错误(每符号)，并能检测到多达 10 个码片错误(每符号)。尽管使用 32 码片(有时甚至是 64 码片)PN码会将 WirelessUSB 的数据速率限制在 62.5 kbps 上，但其数据完整性则远高于蓝牙，尤其在噪声环境下更是如此。

ZigBee

ZigBee设计旨在作为传感和控制网络的标准化解决方案，大多数 ZigBee 设备都对用电非常敏感(如自动调温器、安全感应器等)，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 个通道，每通道宽 3MHz，通道中心间隔为 5MHz，使相邻信道间留有 2MHz 的频率间隔。

ZigBee 使用 11 码片 PN 码，每 4个信号位编码为一个符号，最大数据速率为 128 Kbps。物理层和 MAC 层由 IEEE 802.15.4 工作组定义，与IEEE 802.11b 标准共享相同的设计特点。

2.4 GHz 无绳电话

2.4 GHz 无绳电话在北美日益流行，其不使用标准网络技术。有的无绳电话使用DSSS，但大多数使用 FHSS。使用 DSSS 和其他固定通道算法的无绳电话通常在电话上有一个“通道”按钮，使用户能手动改变通道。而使用 FHSS 的电话则没有“通道”按钮，因为这种电话经常会改变通道。大多数 2.4 GHz 无绳电话都使用带宽为5～10 MHz的通道。 (52RD.com)

避免冲突的技术

除了解每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的免冲突算法在发射前会侦听“安静”的通道，这样多个 Wi-Fi 客户端能有效地与单一 Wi-Fi 接入点通信。如果 Wi-Fi 通道噪声很大，则Wi-Fi 设备在再次聆听该通道前进行随机退避。如果通道噪声仍然较大，那么会重复此过程直至通道安静为止。一旦通道安静下来，Wi-Fi设备将开始发射。如果通道一直嘈杂，那么 Wi-Fi 设备就会寻找另条通道上的其他可用接入点。

使用相同或重叠通道的 Wi-Fi 网络通过免冲突算法可以实现共存，但每个网络的吞吐量会有所下降。如果同一区域使用多个网络，那么我们最好使用非重叠的通道，比如通道1、6 和 11，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。

由于蓝牙发射的跳频特性，故来自蓝牙的干扰最小。如果蓝牙设备在一个与 Wi-Fi 通道重叠的频率上发射，而Wi-Fi设备此时正在进行“发射前侦听”，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通道，以允许 Wi-Fi 设备可开始发射。

即便无绳电话使用的是 FHSS 而不是 DSSS，来自 2.4 GHz 无绳电话的干扰也可完全中断 Wi-Fi 网络完全的工作，部分原因是因为与蓝牙(1MHz)相比其占用更宽的通道(5-10MHz)，以及无绳电话信号具有更高的功率。跳转到 Wi-Fi 通道中间的 FHSS 无绳电话信号能够破坏 Wi-Fi 发射，这就导致 Wi-Fi 设备要重复发射。2.4 GHz FHSS 无绳电话很可能会干扰邻近所有 Wi-Fi 设备，因此我们不建议在 Wi-Fi 网络附近使用这种电话。如果无绳电话使用 DSSS，那么无绳电话和 Wi-Fi接入点使用的通道可配置成互不重叠，以消除干扰。

解决蓝牙的干扰

在蓝牙中，来自其他蓝牙微网的干扰最小，因为每个微网都使用它自己的伪随机跳频模式。如果两个共处的微网被激活，则发生冲突的概率为 1/79。冲突的概率随共处的有效微网的数量呈线性增加。

蓝牙最初采用跳频算法来处理干扰，不过人们意识到，单个活动的 Wi-Fi 网络会对四分之一的蓝牙通道造成严重干扰。由于通道重叠导致的数据包丢失必须在空闲的通道上重新发射，这就大幅降低了蓝牙设备的吞吐量。

蓝牙规范 1.2 版通过定义自适应跳频(AFH)算法来解决上述问题，这种算法使蓝牙设备能将通道标为好、坏或未知三种状态。跳频模式中的坏通道可通过查询表由好通道来取代。蓝牙主设备会定期聆听坏通道，以确定干扰是否消失；如果干扰消失，那么就将通道标记为好通道并将其从查询表中删除。蓝牙从设备应主设备请求也能向主设备发送报告，告知其对通道质量的评估。举例来说，从设备可能侦听到主设备未聆听到的 Wi-Fi 网络。联邦通讯委员会(FCC)要求至少使用 15 个不同的通道。

AFH 算法使蓝牙能避免使用 Wi-Fi 和 WirelessUSB 等 DSSS 系统占用的通道。2.4 GHz FHSS 无绳电话仍可能会对蓝牙设备造成干扰，因为这两种系统都是在整个 2.4 GHz ISM 频段上以跳频方式工作，不过，由于蓝牙信号的带仅为1 MHz，因此 FHSS 无绳电话与蓝牙之间的冲突频率要远小于 Wi-Fi 和 FHSS 无绳电话之间的冲突频率。

蓝牙还支持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。蓝牙还可通过缩短数据包长度，以提高数据吞吐量可靠性。在此情况下，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WirelessUSB和ZigBee的干扰问题

在WirelessUSB中，每个网络在选择通道前都会检查其他WirelessUSB网络。因此，其他WirelessUSB网络造成的干扰极小。WirelessUSB至少每50 ms都会检查一下通道的噪声大小。Wi-Fi设备造成的干扰会导致持续的高噪声，这就会使WirelessUSB主设备选择新的通道。WirelessUSB能与多个Wi-Fi网络和平共处，因为WirelessUSB能发现Wi-Fi网络之间的安静通道(图2)。

 

图 2：WirelessUSB 设计方案的频率捷变性方框图。

蓝牙的干扰可能会引起 WirelessUSB 数据包的重发射。由于蓝牙的跳频特性，WirelessUSB 数据包的重发射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通道。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 规定了一种类似于 802.11b 的免冲突算法；每个设备在发射数据之前都会侦听通道，从而使ZigBee 设备之间的冲突频率达到最小。ZigBee 在干扰严重的情况下不会改变通道，而是通过低占空比以及免冲突算法来尽可能减少冲突造成的数据丢损失。如果 ZigBee 使用的通道与一个频繁使用的 Wi-Fi 通道相重叠，则现场实验结果显示，由于数据包冲突的缘故，有五分之一的 ZigBee 数据包都需要重发射。

我们能采取什么措施？

在开发蓝牙、Wi-Fi 或 ZigBee 解决方案时，设计人员必须使用规范中所提供的方法。在开发一种基于802.15.4、WirelessUSB 或其他 2.4 GHz 无线电的专用系统时，设计人员可使用较低级的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，DSSS 系统最可能发生工作失败的情况。不过 DSSS 系统也能通过一定方式实现与 FHSS 系统类似的频率捷变性，方法之一就是通过网络监视。如果 DSSS 系统使用轮询协议(所期望数据包以规定间隔出现)，那么主设备可在多次传输尝试失败或连续接收到损坏数据包情况下改变通道。

还有一种办法就是在无线电设备支持的情况下读取空中传输信号的功率等级。我们可用接收信号强度指示器 (RSSI)来预先测量空中传输通道的功率，如果功率等级在一定时期内过高，则会切换到另一个无干扰的通道。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。

网络监视和 RSSI 读取都假设无线电均为可发射也可接收数据包的收发器。在一个一端为发射器而另一端为接收器 DSSS 系统中，我们可通过多重发射技术来实现频率捷变性。发射器使用多种频率发送同一个数据包，而接收器则以较低速度在接收通道中循环接收。当接收器连接到电源上并且电池供电发射器使用不频繁时，这种系统是可行的。无线遥控器就可以使用这种方法。

总结

每种标准的 2.4-GHz 网络技术都需要在设计过程中对不同因素加以折中取舍，从而降低干扰的影响，或彻底避免干扰问题。设计人员可通过现行标准所提供的方法，或根据本文介绍的有关方法设计自己的协议并配合使用 RSSI 等无线电特性，便可实现系统的频率捷变性。尽管我们不可能完全杜绝 2.4-GHz 系统的干扰问题，但设计人员可提高系统的频率捷变性，提高产品在目前非常拥挤的 2.4-GHz ISM 频带环境中抗干扰的生存能