ZigBee/藍(lán)牙異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互擾特性研究

摘 要： 隨著無線通信技術(shù)在實(shí)際生活中的普及，同處于2.4 GHz ISM開放頻段上的不同種無線傳輸技術(shù)間的相互干擾問題變得日益突出。在此對(duì)多模異構(gòu)系統(tǒng)中藍(lán)牙信號(hào)與ZigBee信號(hào)間的干擾現(xiàn)象進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)出基于馬爾科夫鏈概念（Markov chain concept）的ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)易數(shù)學(xué)模型。通過數(shù)學(xué)模型來分析ZigBee設(shè)備受藍(lán)牙同頻異種信號(hào)干擾而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)吞吐量和空閑信道評(píng)估（CCA）異常的情況。

關(guān)鍵詞： 馬爾科夫鏈； ZigBee； 藍(lán)牙； 互擾

中圖分類號(hào)： TN926?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）24?0104?03

Research on mutual Interference characteristics ofZigBee and

Bluetooth heterogeneous network

ZHOU Chen， FAN Yuqi， ZHANG Jinlong

（Nanjing Normal University， Nanjing 210000， China）

Abstract： With the popularity of wireless communications technology in actual life， the mutual interference among different kinds of wireless transmission technologies used in the same frequency band of 2.4 GHz is becoming more and more prominent. The interference between Bluetooth signal and ZigBee signal in multimode heterogeneous system is analyzed in this paper. A simple mathematical model of ZigBee transmission network based on Markov chain concept is designed. The ZigBee device’s abnormal conditions in the data throughout and CCA （clear channel assessment） caused by the interference of Bluetooth heterogeneous signals with same frequency are analyzed by means of the mathematical model.

Keywords： Markov chain； ZigBee； Bluetooth； mutual interference

0 引 言

近年來用戶對(duì)于更便捷的使用公用頻段的呼聲尤其高漲，應(yīng)聲而來的是各種處于公用頻段上的無線傳輸技術(shù)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中得到了極大的普及，如無線局域網(wǎng)（WiFi）、藍(lán)牙（Bluetooth）、ZigBee[1]、無線USB（Wireless USB）等技術(shù)手段應(yīng)用到了生活中的各行各業(yè)。在所有的這些WPAN技術(shù)中，企業(yè)和個(gè)人用戶對(duì)于ZigBee[2]和藍(lán)牙技術(shù)尤其青睞，這得益于它們的低成本和低能耗這兩個(gè)特性。但是鑒于它們都是工作于2.4 GHz頻段上的無線傳輸協(xié)議，因此它們之間存在互相干擾的問題。

麻省理工學(xué)院（MIT）的豪伊特（Dr.Howitt）和古鐵雷斯博士（Dr.Gutierrez）曾通過實(shí)驗(yàn)分析了ZigBee和WLAN網(wǎng)絡(luò)相互間干擾的特性，并定性的給出了其干擾區(qū)域。西科拉（Dr.Sikora）和格羅扎博士（Dr.Groza）也曾通過實(shí)驗(yàn)指出處于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的WLAN和藍(lán)牙在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)存在丟幀現(xiàn)象。因此本文對(duì)于處在同一網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee/藍(lán)牙信號(hào)的忽擾現(xiàn)象的研究十分有必要。

1 ZigBee/藍(lán)牙異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

多模異構(gòu)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在生活中的應(yīng)用十分廣泛，涉及醫(yī)療、強(qiáng)電、工業(yè)控制、安防等方方面面。不考慮每個(gè)系統(tǒng)特定的數(shù)據(jù)采集模塊，一個(gè)穩(wěn)定的多模系統(tǒng)至少包含三個(gè)主要模塊：藍(lán)牙模塊、異構(gòu)網(wǎng)關(guān)模塊和ZigBee模塊。

1.1 網(wǎng)關(guān)搭建

在多模異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)通常是擔(dān)負(fù)轉(zhuǎn)換責(zé)任的設(shè)備，在使用不同通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式的多個(gè)系統(tǒng)間起到翻譯作用，并通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新封裝使得其能被另一個(gè)系統(tǒng)認(rèn)知，來適應(yīng)目標(biāo)系統(tǒng)對(duì)于信息交互的要求，其協(xié)議交換結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

無線網(wǎng)關(guān)需要對(duì)藍(lán)牙和ZigBee兩種通信協(xié)議棧進(jìn)行橋接[3?4]，對(duì)設(shè)備來說，它是數(shù)據(jù)的通信接口，從用戶角度來看它卻是不存在的。本文中的無線網(wǎng)絡(luò)僅包含藍(lán)牙和ZigBee通信協(xié)議，因此服務(wù)于此系統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)關(guān)需要具有識(shí)別藍(lán)牙和ZigBee協(xié)議的能力，不僅能和單一的模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，也能在兩種模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)的翻譯和重新封裝，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通的目的。如圖2所示，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，網(wǎng)關(guān)首先要對(duì)從源端接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒別以確認(rèn)其發(fā)送和接收設(shè)備，依據(jù)情況對(duì)原數(shù)據(jù)包的協(xié)議頭部進(jìn)行刪除處理，對(duì)于超過接收端最大傳輸單元（MaximumTransfer Unit）的數(shù)據(jù)包要進(jìn)行拆分整合處理，并最終加上能被受端識(shí)別的協(xié)議頭部，最后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到受端。

圖1 ZigBee/藍(lán)牙異構(gòu)無線網(wǎng)關(guān)協(xié)議結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 異構(gòu)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交互處理流程圖

1.2 ZigBee/藍(lán)牙模塊特性分析

一個(gè)小型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由全功能設(shè)備（Full?Function Devices，F(xiàn)FD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（Reduced?Function Devices，RFD）所組成。至少一個(gè)FFD將作為個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）協(xié)調(diào)器來保障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為星型和對(duì)等結(jié)構(gòu)。為了保證測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定性，本文將在一個(gè)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中采用直接序列展頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）技術(shù)將ZigBee傳輸信道進(jìn)行固定，并通過CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的協(xié)議來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

小型藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)是由兩個(gè)及兩個(gè)以上使用相同信道的藍(lán)牙收發(fā)設(shè)備所組成的無線網(wǎng)絡(luò)[5]，且其中一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備將作為此網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備存在。藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)提供了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸模式，其傳輸信道被劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)間隙的長(zhǎng)度為625 μs。藍(lán)牙共有79個(gè)工作于2.4 GHz ISM頻帶上的信道，其不同子節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互通過跳頻技術(shù)（Frequency?Hopping Spread Spectrum，F(xiàn)HSS）在信道上進(jìn)行傳輸。與ZigBee不同，藍(lán)牙設(shè)備的發(fā)送功率等級(jí)分為100 mW級(jí)（class1）、2.5 mW級(jí)（class2）和1 mW級(jí)（class3）三種。

本文所述的測(cè)試環(huán)境將主要采用功率等級(jí)為100 mW級(jí)（class1）和2.5 mW級(jí)（class2）的藍(lán)牙設(shè)備來搭建干擾網(wǎng)絡(luò)，由于所采用的藍(lán)牙芯片發(fā)射功率為ZigBee芯片的上百倍，故將假設(shè)藍(lán)牙信號(hào)對(duì)ZigBee信號(hào)傳輸起干擾作用，而ZigBee信號(hào)對(duì)藍(lán)牙信號(hào)不起干擾作用，其干擾信號(hào)如圖3所示。

圖3 ZigBee/藍(lán)牙信號(hào)互擾示意圖

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)信號(hào)干擾下的數(shù)學(xué)

模型建立

ZigBee設(shè)備的馬爾科夫鏈模型如圖4所示。

圖4 ZigBee設(shè)備的馬爾科夫鏈模型

如圖4所示，當(dāng)一馬爾科夫鏈模型模擬一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)處在大功率的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，若其中一個(gè)ZigBee設(shè)備處在第i階退避階段，最大退避階數(shù)為j時(shí)，設(shè)其狀態(tài)為（i，j）；如果設(shè)備的退避計(jì)數(shù)器的值變?yōu)?，則設(shè)備進(jìn)行第一次空閑信道評(píng)估（CCA）。若第一次CCA失敗，則設(shè)備將退避階數(shù)改為i+1，并重新選取一個(gè)退避計(jì)數(shù)器的值，若仍失敗則循環(huán)上一步操作。最終將成功的空閑信道評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送。

在馬爾科夫鏈[6]模型中假設(shè)第一次和第二次CCA失敗的概率是一樣的，設(shè)為[α?ZB]；其退避階數(shù)設(shè)為[β?ZB]，則信道間的單步跳頻穩(wěn)態(tài)概率推導(dǎo)公式如下所示：

[Pbi，jbi，j+1=1， i∈（0，m） and j∈（0，Wi-2）Pbi，-1bi，0=1-α?ZB， i∈（0，m）Pbi，-1bi-1，0=α?ZBWi， i∈（1，m） and j∈（0，Wi-1） Pbi，jbi-1，-1=β?ZBWi， i∈（1，m） and j∈（0，Wi-1）] [Pb0，jbi，-1=（1-β?ZB）Wi， i∈（1，m-1） and j∈（0，W0-1）Pb0，jbm，-1=α?ZBWi， j∈（0，W0-1）Pb0，jbm，-1=1W0， j∈（0，W0-1）]式中：bi，j，m和Wi分別表示在狀態(tài)（i，j）時(shí)的穩(wěn)態(tài)概率、最大退避階數(shù)和在第i階時(shí)的退避量；[τ?ZB]為從退避階段回到CCA階段的轉(zhuǎn)移概率，其公式如下所示：

[τ?ZB=i=0mbi，ji=0mj=0Wi-1bi，j =21-a?ZB+β?ZB-a?ZBβ?ZBm+1i=0mW02min（i，BEmax-BEmin）+1a?ZB+β?ZB-a?ZBβ?ZBi =11-α?ZB+β?ZB-α?ZBβ?ZB] （1）

若要對(duì)ZigBee設(shè)備第一次和第二次CCA的失敗概率進(jìn)行數(shù)學(xué)建模則還需要考慮藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)對(duì)其的干擾因素。要確定其干擾區(qū)域需要從擁有n個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中和擁有m個(gè)節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中分別隨機(jī)選取第i和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)，并監(jiān)控其數(shù)據(jù)傳輸情況，其干擾區(qū)域如圖5所示。

圖5 ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)節(jié)點(diǎn)分時(shí)互擾示意

當(dāng)處于時(shí)隙4時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)和藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)都處于數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)[7?9]，而數(shù)據(jù)跟蹤顯示出ZigBee節(jié)點(diǎn)的CCA有明顯被干擾現(xiàn)象，說明當(dāng)給定的兩節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于工作狀態(tài)時(shí)大功率的藍(lán)牙設(shè)備可以干擾ZigBee設(shè)備，反之則不行。通過分析可以得出導(dǎo)致給定的ZigBee節(jié)點(diǎn)CCA失敗的原因有兩點(diǎn)：

（1） 當(dāng)兩設(shè)備同處于時(shí)隙2、時(shí)隙4時(shí)，藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的信道占用干擾了ZigBee節(jié)點(diǎn)的CCA。

（2） 當(dāng)處于時(shí)隙3時(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中其他同源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)干擾了給定節(jié)點(diǎn)的CCA。

由此可見給定ZigBee節(jié)點(diǎn)只有處于時(shí)隙1時(shí)，即信道被閑置時(shí)，其CCA才能成功。CCA的成功概率[α?ZB]可以進(jìn)一步表達(dá)為：

[α?ZB=1-（1-αBTZB）（1-αZBZB）] （2）

式中：[αBTZB]和[αZBZB]分別表示因?yàn)樗{(lán)牙電波的干擾和ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電波的干擾所引起的CCA失敗的概率。單獨(dú)給定的ZigBee設(shè)備在運(yùn)行過程中不會(huì)改變自己的載波頻率，而藍(lán)牙設(shè)備會(huì)在每個(gè)時(shí)隙（625 μs）內(nèi)在自己的79個(gè)信道內(nèi)跳頻，考慮到ZigBee信號(hào)的退避時(shí)隙長(zhǎng)度為320 μs，當(dāng)假設(shè)ZigBee信號(hào)的波長(zhǎng)為藍(lán)牙信號(hào)波長(zhǎng)的兩倍且他們?yōu)橥綘顟B(tài)，則可推出[αZBZB]為[279]（如圖6所示）?？蛇M(jìn)一步導(dǎo)出ZigBee設(shè)備受藍(lán)牙信號(hào)影響的CCA失敗概率[αBTZB]為：

[αBTZB=1-7779m] （3）

式中m為藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中活躍的設(shè)備數(shù)量。由此可見當(dāng)一個(gè)ZigBee/藍(lán)牙異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)越多時(shí)，ZigBee設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐量越小，且發(fā)送成功率更低。

圖6 ZigBee設(shè)備受單個(gè)藍(lán)牙設(shè)備干擾示意圖

3 結(jié) 語

本文首先設(shè)計(jì)了ZigBee/藍(lán)牙異構(gòu)網(wǎng)關(guān)來驗(yàn)證此二種通信模式在同一網(wǎng)絡(luò)中并存的可行性，而后加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)中藍(lán)牙設(shè)備的發(fā)送功率使之達(dá)到ZigBee設(shè)備功率的上百倍來讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀，并且針對(duì)ZigBee設(shè)備建立簡(jiǎn)單的Markov模型，最后通過模型對(duì)ZigBee/藍(lán)牙異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的兩項(xiàng)參數(shù)（數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)傳輸成功率）進(jìn)行研究。此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能作為理論依據(jù)。下一步的任務(wù)是深入分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳輸協(xié)議，使得異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更為廣泛[10]。

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