Zigbee和Wi-Fi的干扰和共存

转自：http://network.chinabyte.com/221/12374221.shtml

0 引言

　　继无线局域网(WLAN)和无线城域网(WMAN)之后，便携式技术产品的发展和应用需求的迅速增长，促进了新的无线个人局域网(WPAN)的诞生，使无线接入的产业链更加完善。

　　Zigbee是新近推出的一个低数据率的无线通信技术。它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，主要适用于自动控制、远程监控等领域。Zigbee联盟在制定Zigbee 标准时，采用了IEEE802.15.4 作为其物理层和媒体接入层规范。基于IEEE802.15.4标准的Zigbee 通信模块，可嵌入到各种设备当中，成本将有望控制在1.5 美元到2.5美元之间，有着广泛的应用前景。据美国In-STat/MDR预测，2008 年出货量将超过1.5 亿个。

　　基于IEEE802.11b标准的Wi-Fi 是当今无线局域网的主流技术，而随着低速率应用市场需求的不断增长，Zigbee 和Wi-Fi系统共处的可能性越来越大。但由于两者都主要工作在2.4 GHz 的ISM 频段，它们不可避免地会产生相互干扰，可见Zigbee和Wi-Fi 之间的共存是一个亟需解决的问题。目前国内还没有相关的研究文献，文章下面初步分析了Zigbee 对Wi-Fi的干扰情况，并提出了共存的解决方法。

　　Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性比较

　　低速率、低功耗的Zigbee 有着特定的应用空间，是Wi-Fi的有效补充，两者的主要性能参数如表1 所示。

　　表1 Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性

　　 干扰分析

　　 1)背景

　　Zigbee 工作在工业科学医疗(ISM)频段，定义了两个物理层，即2.4 GHz频段和868/915MHz频段物理层，而868MHz 和915 MHz 的ISM 频段分别只在欧洲和北美有，所以其主要工作于全球范围内免许可证的2.4 GHz的ISM 频段。必然会与工作在该频段的Wi-Fi 产生相互干扰。

　　Zigbee 的底层标准把2.4 GHz 的ISM频段划分为16 个信道，每个信道带宽为2 MHz,如图1 所示。Wi-Fi将该频段划分为11 个直扩信道，系统可选定其中任一信道进行通信，信道带宽为22 MHz,所以11 个信道有重叠，无重叠的信道最多只有3个，如图2 和图3 所示。显而易见，假定Wi-Fi 系统工作在任一信道，则Zigbee 和其信道频率重叠的概率为1/4.当Zigbee和Wi-Fi 同时使用相同频段通信时，产生带内有色噪声干扰，导致传输分组冲突。

　　2) Zigbee 对Wi-Fi 的干扰分析

　　本节将分析在频偏为零的同信道条件下Zigbee 对Wi-Fi的干扰。假设一室内环境下的Zigbee 和Wi-Fi 设备节点如图4分布。每个Zigbee 节点呈独立一致性均匀分布，其处于活动状态的概率为P[A ],分布密度为D.假设有个Zigbee节点会产生对STA 有效的干扰，则分组冲突概率P[C]为m2:

　　本文室内路径损耗选用对数距离模型：

　　其中：n- - 依赖于周围环境，Xo- - 零均值的高斯分布随机变量，d0- - 近地参考距离。

根据文献[5]和[6],对于一个半径为R 的覆盖区，假设STA的SIR 的阈值为γ (如果Zigbee 节点要对STA产生有效的干扰，使其SIR 必须小于γ )，则有效干扰区域的百分比为U(γ)(即对于STA的SIR低于γ的区域百分比)，如果在半径范围内导致SIR低于阈值的概率为P[SIR<γ] ,则：

　　则对数正态分布变量SIR 的均值为：

　　其方差为δ。

　　针对上述模型做定性分析，由于Zigbee 底层协议IEEE802.15.4 中有着特殊的睡眠机制，节点处于活动状态的概率一般小于1%[4],γ可取为10dBm[7],AP 和Zigbee 的传输功率分别为14 dBm 和0 dBm。

　　根据文献[6],分组出错率的期望E[PER]=P[C] ,分组冲突概率越大，相应的分组出错率也越大。从图5 可以看出，随AP和STA的距离d以及δ的增大，系统的性能越差。

共存问题解决

　　共存一般可认为不同无线系统实现共处而不明显相互影响性能。类似IEEE802.15.2规定的，共存方案在此也可分为协作方式和非协作方式两种[8].

　　对于协作方式，系统间可以进行信息交换从而能减少互相之间的干扰。对于非协作方式，两个系统不能够进行信息交换，只有监测到干扰存在时才做调整减少干扰程度。它们都有各自的应用范围，其中，协作方式最主要应用于同一设备中存在Zigbee和Wi-Fi 两种装置的情况。在实际应用环境中，将会有许多Zigbee 和Wi-Fi装置同时存在，且存在于不同设备中，这就需要非协作方式减小干扰。

　　1) 协作方式

　　在此方式下我们可采用时序控制，在MAC层加入一个中央控制器，监控Zigbee 和Wi-Fi的业务分布，并允许它们的信息进行交互，任一装置需要传输数据时先向中央控制器申请时隙，控制器根据特定算法统一分配时隙，并将分配情况反馈给申请装置。这样，就可以对分组的业务做出合理准确的安排，每一时刻只有一种装置工作，从而避免两种装置的干扰。

　　由于Zigbee 支持休眠模式，在大部分时间处于非工作状态，可以减小控制器执行的复杂度。

　　2) 非协作方式。

　　2.1 )自适应调整分组大小

　　显而易见，分组越长，相互干扰的可能性就越大。通过减少彼此的分组大小，在一定范围内可以减小受到干扰的可能性。但是分组长度太小，则发送同样数据所需次数增加，也就相应增加了报头开销的总量，并且，Zigbee和Wi-Fi 的下面MAC 层都采用了ACK 机制，这也导致了确认开销的增加，整体的系统性能就会有一定程度的下降。

　　2.2) 动态信道分配

　　在无线局域网中，避免干扰的最佳方法就是尽量选择不被其它设备占用的信道。在设备工作时，可以对ISM频段进行扫描，根据具体的判断标准动态选择最佳的传输信道，避免占用同一信道，减小干扰。

　　2.3) 功率控制

　　信噪比越高，分组丢失率也就越高。可以考虑降低无线系统发射功率来削弱相互干扰，有效提高无线通信系统吞吐量。Zigbee 和Wi-Fi都属于近距离通信，采用功率控制技术也是克服相互干扰的有效手段之一。

　　结束语

　　Zigbee 和Wi-Fi两种无线通信技术的应用满足了人们生活的不同需求，但相互间的干扰抑制了两种设备的同时应用的发展空间，控制干扰有着重要的意义。随着共存解决办法的提出，相信不久的将来，人们可以自由同时享用两种无线技术带来的便利。