2.4GHz无线技术标准及ZigBee抗干扰性能

http://www.ccidcom.com 2009-02-24 15:12:55 通信产业网

　　1 引言

　　为了实现工业、家庭和楼宇的自动化控制，将人类从有线的环境中解放出来，以取代线缆为目标，用于无线个人区域网(WPAN，Wireless Personal Area Network)范围的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展，典型技术标准有蓝牙(Bluetooth)、ZigBee、无线USB(WirelessUSB)、无线局域网Wi-Fi(IEEE 802.11b/g)等。在人们享受方便快捷的时候，这些技术的电磁兼容问题日益凸现。由于这些技术均选

　　择了2.4GHz(2.4～2.483GHz)ISM 频段，再加上无绳电话和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥挤，各种信号带宽。

　　2.4GHz 频段日益受到重视，原因主要有三: 首先它是一个全球性的频段，开发的产品具有全球通用性;其次，它整体的频宽胜于其他ISM 频段，这就提高了整体数据传输速率，允许系统共存; 第三就是尺寸，2.4GHz无线电和天线的体积相当小，产品体积也更小。虽然每一种技术标准都进行了必要的设计来减小干扰的影响，但是为了能让各种设备正常运行，对他们之间的干扰、共存分析显然是非常重要的。

　　2 2.4GHz 频段的无线技术标准简介

　　2.1 ZigBee/IEEE 802.15.4

　　ZigBee 技术是一项新兴的短距离无线通信技术，主要面向的应用领域是低速率无线个人区域网(LRWPAN，Low Rate Wireless Personal Area Network)，典型特征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率，主要适用于自动控制以及远程控制领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制， 典型的如无线传感器网络，其详细特性见表1 。

　　2.4GHz频段是全球通用频段，868MHz和915MHz则是用于美国和欧洲的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz 附近各种无线通信设备的相互干扰。

　　2.2 Wi-Fi/IEEE 802.11b

　　Wi-Fi 即无线局域网，工作在2.4GHz 频段，用于学校、商业等办公区域的无线连接技术，传输速率可达11Mbit/s，工作距离100m，采用直接序列扩频(DSSS)的方式。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或直接与互联网相连。

　　2.3 蓝牙(Bluetooth)/IEEE 802.15.1

　　一项由蓝牙特别利益小组(SIG)制定的用于无线个人区域网(WPAN)的标准，采用跳频扩频(FHSS)方式，支持语音、数据传输。蓝牙可对多达8个连接成皮网(Piconet)的设备以及多个连接成散射网的皮网提供支持。蓝牙有79个信道，信道间隔均为1MHz。通信距离为10～100 m。

　　2.4 无线USB(WirelessUSB)

　　WirelessUSB 技术在3m 距离的最大传输速率达480Mbit/s，而性能与现有的USB2.0 相同。WirelessUSB 规定10m 的速率为110Mbit/s，使用全球通用的2.4GHz ISM 频段，通信距离高达10m，可连接8 个设备。WirelessUSB并非联网解决方案，因此没有相关成本或功率开销，支持USB 的即插即用，无需驱动程序和标准/ 认证过程。几种2.4GHz 频段技术标准的比较如表2 所示。

　　3 ZigBee 技术抗干扰特性分析

　　ZigBee 技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的， 因为它直接影响到设备的性能。ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力就意味着能够可靠地与Wi-Fi、蓝牙、WirelessUSB以及家用的无绳电话和微波炉共存。

　　IEEE 802.15.4 标准中提供了很多机制来保证ZigBee在2.4GHz频段和其他无线技术标准的共存能力。

　　3.1 空闲信道评估(CCA，Clear Channel Assessment)

　　IEEE 802.15.4 物理层在碰撞避免机制(CSMACA)中提供CCA的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信协议。

　　3.2 动态信道选择

　　ZigBee个人区域网(PAN)中的协调器首先要扫描所有的信道，然后再确认并加入一个合适的PAN，而不是自己去创建一个新的PAN，这样就减少了同频段PAN的数量，降低了潜在的干扰。如果干扰源出现在重叠的信道上， 协调器上层的软件要应用信道算法选择一个新的信道。

　　3.3 信道算法

　　我们可以对比IEEE 802.11b 和IEEE 802.15.4 信道算法 ，有4个IEEE 802.15.4 信道(n=15,16,21,22)落在3 个IEEE 802.11b信道的频带间距上，这些间距上的能量不为零，但是会比信道内的能量低，将这些信道作为IEEE802.15.4网络的工作信道可以将系统间干扰降至最小。

　　在网络初始化或者响应中断时，ZigBee 设备都会先扫描一系列被列入信道表参数中的信道， 以便进行动态信道选择。在有IEEE802.11b网络活跃工作的环境中建立一个IEEE 802.15.4 网络，可以按照上述空闲信道来设置信道表参数，以便加强网络的共存性能。

　　4 频率共存分析

　　4.1 ZigBee 与Wi-Fi 共存

　　面向自动化控制的ZigBee和无线局域网技术Wi-Fi 将会在很多场合处于共存的状态，如办公室、家庭、楼宇和车间等，可以通过建立模型来仿真IEEE 802.15.4和IEEE 802.11b 的共存。

　　共存性能评估仿真主要基于以下假设：

　　(1) 接收机接收到的干扰源功率Pr计算

　　d：接收机距离干扰源的距离;

　　Pt：发射机发射功率;

　　Pr：接收机接收功率。

　　(2)接收机灵敏度：

　　* IEEE 802.11b，11Mbit/s传输速率CCK调制:-76dBm;

　　* IEEE 802.15.4：-85dBm。

　　(3)发射功率：

　　* IEEE 802.11b：14dBm。

　　* IEEE 802.15.4：0dBm。

　　(4)接收机带宽：

　　* IEEE 802.11b：22MHz。

　　* IEEE 802.15.4：2MHz。

　　(5)干扰特性

　　干扰信号均近似为等带宽的加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gaussian Noise)。

　　(6)误码率(BER)计算

　　* IEEE 802.11b，11Mbit/s 传输速率

　　仿真结果，反映了PER(分组差错率)、Separation(干扰源与接收机距离)、Foffset(频偏)三者的关系，可以明显看出:频偏和距离是两个关键参数， 对于非跳频系统，较大频偏(IEEE 802.11b 载波中心频率和IEEE 802.15.4载波中心频率的差值)可以容忍近距离(小于2m)共存，然而在较小频偏或称作同频干扰情况下，可容忍距离为几十米;干扰源距离接收机越远，共存性能越好。可见，信道占用检测和动态

　　信道选择对于保证共存性能是非常重要的。

　　ZigBee 对Wi-Fi 的干扰相对来说要小得多，由于ZigBee信号带宽只有3MHz，相对于Wi-Fi的22MHz带宽属于窄带干扰源，通过扩频技术IEEE 802.11b可以充分的抑制干扰信号。还有，ZigBee 设备天线的输出功率被限制在0dBm(1mW)，相对于IEEE 802.11b的20dBm(100mW)相差甚远，不足以构成干扰威胁。

　　实验证明，正确选择信道，增大频偏以及和干扰源保持一定距离，可以保证ZigBee和Wi-Fi系统的共存。

　　4.2 ZigBee 与蓝牙共存

　　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1600 次。跳频技术的理论是根据在多组使用2.4GHz频带的系统下，这些系统仅在部分时间才会发生使用频率冲突， 其他时间则能在彼此相异无干扰的频道中运作。

　　ZigBee 系统是非跳频系统，所以蓝牙在79次通信中才有1次会和ZigBee的通信频率产生重叠，且将会迅速跳至另一个频率。在大多数情况下，蓝牙不会对ZigBee 产生严重威胁，而ZigBee 对蓝牙系统的影响可以忽略不计。

　　4.3 ZigBee 与WirelessUSB 共存

　　每一个WirelessUSB 信道宽1MHz，将2.4GHzISM频段分割成为79个1MHz信道，这与蓝牙类似，但是W i r e l e s s U S B 采用了DSSS 而不是FHSS。WirelessUSB设备具有频率捷变特性，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，而ZigBee在严重干扰期间，不改变信道，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。为减少干扰，WirelessUSB至少每50ms检查一次信道的噪声水平，如果和ZigBee信道重叠，WirelessUSB 主设备可以选择一个新信道，所以WirelessUSB 完全可以和ZigBee 系统和平共处。

　　4.4 ZigBee 与其他干扰源共存

　　除了上述几种无线技术标准工作在2.4GHz ISM频段外，还有一些其他的干扰源，比如2.4GHz无绳电话，微波炉等。

　　4.4.1 无绳电话(2.4GHz)

　　2.4GHz 无绳电话不采用标准联网技术，有些采用DSSS方式，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5～10MHz的信道宽度，所有无绳电话都会在ISM频带产生出相当高的能量，所以它是许多RF系统的干扰源。

　　如果无绳电话采用FHSS，它发出的干扰可完全中断一个ZigBee网络的工作，这是因为与蓝牙(1MHz)相比，它占用更宽的信道(5~10MHz)，而且无绳电话信号具有更高的功率。跳转到ZigBee信道中间的FHSS无绳电话可能会导致ZigBee 设备重复发送数据分组，故建议在ZigBee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ZigBee系统所使用的信道配置成互不重叠，以消除干扰。

　　4.4.2 微波炉

　　微波炉也是这个频带中最常见的干扰来源， 而且是最难以预测和最分散的RF来源。每个微波炉输出的能源强度不尽相同，且在频带上的分布状况也不一样，某些微波炉阻隔电磁波的设计会优于其他机种。图7 显示运作中的微波炉在2.4GHz ISM 频带中发出的RF 能源。

      实验证明[9]，微波炉和ZigBee设备距离小于1m时，约0.5%～2%的ZigBee数据帧被破坏，但当微波炉和ZigBee设备距离大于1m时，微波炉的影响就基本不存在了。

5 结束语
      虽然传输功率低，调制方式也很简单，但ZigBee在2.4GHz ISM频段表现出了很好的抗干扰性能，只要采取必要措施，ZigBee是可以和其他同频段系统共存的。