2.4GHz WiFi及藍(lán)牙對(duì)ZigBee干擾分析

胡思雨

【摘 要】本文討論了ZigBee與WiFi、藍(lán)牙間的干擾問題，通過Matlab中的Simulink仿真，在給定的三個(gè)SNR的情況下，改變SIR值，根據(jù)得到的PER值，統(tǒng)計(jì)出WiFi及藍(lán)牙對(duì)ZigBee系統(tǒng)的干擾影響，以及兩者同時(shí)干擾ZigBee系統(tǒng)時(shí)，分析其系統(tǒng)性能。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；WiFi；藍(lán)牙；干擾

【Abstract】This paper discusses the interference problem between ZigBee、WiFi and Bluetooth. It is indicated that through the simulation in Simulink of Matlab， in three cases of given SNR values and only changes the value of the SIR. According to the acquired PER values， the effects of ZigBee system in the respective interference of WiFi and Bluetooth or both of them can be counted. Then the performance of ZigBee system can be analyzed.

【Key words】ZigBee； WiFi； Bluetooth； Interference

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是短距離無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的無線通信技術(shù)應(yīng)用設(shè)備出現(xiàn)在人們的日常生活中。ISM 2.4GHz是全球唯一公開的頻段，在此頻段上存在著大量的來自不同系統(tǒng)的信號(hào)，例如，微波爐、射頻識(shí)別RFID （RF Idenfication）、無繩電話（Cordless Phone）、WLAN（IEEE 802.11b/g）和WPAN（Bluetooth/ZigBee /WiMedia）等等。

日益增多的系統(tǒng)工作在同一頻段，就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)間相互干擾的問題。其中ZigBee與WiFi和藍(lán)牙之間的干擾尤其受到重視。雖然WiFi、藍(lán)牙同ZigBee相比，設(shè)計(jì)用途不同，且兩個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展比ZigBee技術(shù)早，但在近距離的日常應(yīng)用中，很可能共存。所以，研究ZigBee系統(tǒng)在受到來自WiFi以及藍(lán)牙系統(tǒng)信號(hào)干擾時(shí)性能的變化是十分必要的。

1 ZigBee概述

1.1 ZigBee技術(shù)概述

在2000年12月，IEEE 802.15工作組為了制定ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，成立了第四個(gè)任務(wù)組TG4。此技術(shù)的名字是根據(jù)蜂群所使用的通信方式ZigZag而起的。IEEE 802.15.4只是負(fù)責(zé)ZigBee技術(shù)中的低層協(xié)議，包括PHY層和MAC層。數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用編程接口（API）由ZigBee聯(lián)盟來制定。

ZigBee技術(shù)采用雙向通信，其特點(diǎn)是功耗低、成本低、延時(shí)短、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好以及安全性強(qiáng)。從無線通信控制和自動(dòng)化到日常生活設(shè)備、工業(yè)控制的裝置甚至醫(yī)用傳感器中都有此技術(shù)。此外，ZigBee技術(shù)還可以應(yīng)用在許多的電子設(shè)備中，包括電腦外設(shè)、游戲機(jī)和玩具等，同時(shí)它還支持定位功能。

1.2 ZigBee物理層規(guī)范

IEEEE802.15.4-2003 ZigBee物理層的主要功能如下[1]：

（1）激活/關(guān)閉無線發(fā)射機(jī)；

（2）能量檢測(cè)（ED）；

（3）檢測(cè)接收分組的鏈路質(zhì)量指示（LQI）；

（4）空閑信道評(píng)估（CCA）；

（5）選擇信道頻率；

（6）傳輸/接收數(shù)據(jù)。

1.2.1 工作頻段范圍

1.2.2 信道分配和數(shù)目

ZigBee在三個(gè)頻段上一共有27個(gè)信道，如圖1所示。其中，868.3MHz頻段上有1個(gè)信道，編號(hào)0。902～928MHz頻段上有10個(gè)信道，編號(hào)1～10。其余16個(gè)信道分布在2.4～2.4835GHz頻段上，編號(hào)11～26。

1.2.3 物理層的幀結(jié)構(gòu)

物理層的幀（PPDU）分組由以下三個(gè)部分組成，格式如表2所示：

（1）同步包頭（SHR），主要是將接收設(shè)備所接收的信號(hào)進(jìn)行比特流的鎖定，并保持符號(hào)同步和碼同步；

（2）物理層包頭（PHR），1個(gè)字節(jié)中的低7位表示的是幀長度的信息；

（3）物理層凈載荷域（PSDU），它承載MAC子層幀（MPDU）。

2 WiFi及藍(lán)牙簡(jiǎn)介

2.1 WiFi（IEEE 802.11b）概述

相對(duì)于IEEE工作組所制定的其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，WiFi技術(shù)是生活中應(yīng)用最多的一個(gè)。其特點(diǎn)包括開發(fā)和運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)的成本低，建立網(wǎng)絡(luò)所花費(fèi)的時(shí)間短，傳輸速率快，容易延展網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)非常靈活快捷。

在IEEE 802.11b[2]定義的四種不同的數(shù)據(jù)速率中，不論是1Mbps、2Mbps、5.5Mbps還是11Mbps，信道帶寬始終是20MHZ左右。因此在2.4GHz ISM頻段上最多只能同時(shí)有3個(gè)信道不相互重疊。

2.2 藍(lán)牙（Bluetooth）概述

藍(lán)牙技術(shù)是一個(gè)在2.4GHz ISM頻段上進(jìn)行無線數(shù)據(jù)和語音傳輸?shù)囊?guī)范。它體積小，功耗低，成本低，可同時(shí)進(jìn)行語音信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳輸[3]，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。它可以代替有線電纜，應(yīng)用在許多電子設(shè)備以及電子商務(wù)領(lǐng)域。

藍(lán)牙選用時(shí)分復(fù)用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)全雙工通信，采用79個(gè)跳頻頻點(diǎn)，每秒1600跳，信道時(shí)隙是625μs，采用高斯濾波的二進(jìn)制頻移鍵控（GFSK）進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制。射頻數(shù)據(jù)速率為1Mbps，信息以分組的形式進(jìn)行傳輸，在一個(gè)分組的傳輸時(shí)間內(nèi)射頻頻率保持不變[4]。

3 ZigBee與WiFi及藍(lán)牙系統(tǒng)間干擾研究

3.1 分析WiFi信號(hào)和藍(lán)牙信號(hào)對(duì)ZigBee系統(tǒng)性能影響

在ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸中，其可靠性主要與兩個(gè)要素息息相關(guān)：一是，無線通信的PER；二是，與其他設(shè)備共享信道帶來的相互干擾。

Zigbee的物理層在2.4GHz 頻段上有16個(gè)信道，每個(gè)信道的帶寬是3MHz。WiFi在2.4GHz頻段上共有11個(gè)直擴(kuò)信道，每個(gè)信道的帶寬為22MHz。對(duì)比IEEE 802.11b（WiFi）和IEEE 802.15.4（ZigBee）的信道算法，如圖2和3，IEEE 802.15.4的16個(gè)信道當(dāng)中的第15、16、21、22信道落在了IEEE 802.11b的三個(gè)信道間距上。在間距上的能量相比信道內(nèi)的能量要低很多，如果IEEE 802.15.4用這幾個(gè)信道傳輸信息，可以降低系統(tǒng)間的干擾。如果WiFi系統(tǒng)在11個(gè)信道中的任意信道工作，它和Zigbee在傳輸時(shí)的信道重疊概率為l/4。此時(shí)產(chǎn)生的帶內(nèi)干擾等同于有色噪聲干擾，發(fā)生傳輸分組沖突。

藍(lán)牙傳輸采用79個(gè)隨機(jī)頻道中的一個(gè)，信道帶寬為1MHz，而ZigBee信道帶寬為3MHz，在間隔的頻段上信號(hào)相當(dāng)?shù)?，可以忽略，所以?dāng)藍(lán)牙與ZigBee的所有信道都等概率工作時(shí)，信道重疊概率較低。但是當(dāng)兩個(gè)信號(hào)使用同一頻段時(shí)，會(huì)發(fā)生沖突干擾。

3.2 ZigBee系統(tǒng)與WiFi、藍(lán)牙間干擾評(píng)估方法

ZigBee采用O-QPSK進(jìn)行調(diào)制。假定Eb為接收端所接收到的每bit信息的平均能量，N0為接收端所接收到的噪聲的能量，并且假設(shè)信號(hào)傳輸?shù)男诺罏榧有愿咚拱自肼曅诺溃ˋWGN）。

這里可以用SNR的值來近似表示接收端每bit信息的平均能量與噪聲能量的比值，由公式（2），就得到了SNR與BER的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果假定在接收端準(zhǔn)確地獲得了每個(gè)bit信息的出錯(cuò)概率，根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)L，就可以計(jì)算出每個(gè)數(shù)據(jù)包被接收端成功接收的概率，就可以統(tǒng)計(jì)出PER的值。

為了化簡(jiǎn)計(jì)算的復(fù)雜度，本文做了一些理想化的假設(shè)：

（1）當(dāng)ZigBee信號(hào)在沒有WiFi和藍(lán)牙信號(hào)干擾的情況下，經(jīng)過信道，其中會(huì)有噪聲，首先根據(jù)不同的SNR，檢測(cè)ZigBee模型的性能。

（2）ZigBee的發(fā)送方和WiFi干擾源以及藍(lán)牙干擾源之間的距離，相當(dāng)于傳播損耗，就可以轉(zhuǎn)換成SIR（Signal to Interference），即信號(hào)與所有干擾之比，所以本模型只考慮SIR。

（3）假定信號(hào)源和干擾源同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這會(huì)影響ZigBee鏈路進(jìn)行通信。綜上所述，利用SNR來預(yù)測(cè)PER。

3.3 仿真過程及結(jié)果分析

1.在ZigBee系統(tǒng)模型中，沒有WiFi及藍(lán)牙信號(hào)干擾時(shí)，當(dāng)信道中的其他條件為最佳情況，僅調(diào)節(jié)SNR的值，結(jié)果如圖4。當(dāng)SNR小于等于-3dB時(shí)，ZigBee的接收端已經(jīng)不能正確的接收發(fā)送端發(fā)送的信息。當(dāng)SNR大于等于1dB時(shí)，PER的值小于閾值1%，基本可以正確接收信息。

從圖5、圖6、圖7可以看出，在SNR和SIR相同的情況下，WiFi信號(hào)對(duì)ZigBee系統(tǒng)的干擾小于藍(lán)牙信號(hào)對(duì)ZigBee系統(tǒng)的干擾。當(dāng)SNR的值越來越小，即信道內(nèi)噪聲越來越大時(shí)，ZigBee系統(tǒng)要想在接收端接收到正確信息，需要更大的SIR值，即ZigBee信號(hào)的能量要遠(yuǎn)大于WiFi信號(hào)以及藍(lán)牙信號(hào)的能量；若藍(lán)牙信號(hào)和ZigBee信號(hào)信道重合，則會(huì)嚴(yán)重干擾ZigBee信號(hào)的性能。當(dāng)WiFi信號(hào)和藍(lán)牙信號(hào)能量相同時(shí)，共同干擾ZigBee信號(hào)，ZigBee系統(tǒng)的性能嚴(yán)重下降。

4 結(jié)束語

基于以上的仿真研究，分析出WiFi系統(tǒng)和藍(lán)牙系統(tǒng)對(duì)ZigBee系統(tǒng)的干擾影響。由于藍(lán)牙信號(hào)和WiFi信號(hào)的帶寬及調(diào)制方式不同，對(duì)ZigBee系統(tǒng)的影響也不同；當(dāng)兩個(gè)干擾信號(hào)同時(shí)存在時(shí)，ZigBee系統(tǒng)的性能會(huì)嚴(yán)重下降。

從2004年ZigBee正式問世開始，國內(nèi)外已有許多文章對(duì)這三個(gè)系統(tǒng)間的干擾共存問題進(jìn)行了相關(guān)研究[6-8]，但仍然會(huì)存在一定的不完善。因此，對(duì)以后的研究，應(yīng)當(dāng)不斷探索新的方法，擴(kuò)展理論基礎(chǔ)，使ZigBee可以和同頻段的其他系統(tǒng)更好的共存。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]