Zigbee和Wi－Fi的干扰和共存

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。

1 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


2 干扰分析

2.1 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。

  




2.2 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。




3 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。

3.1 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。

3.2 非协作方式。

3.2.1 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。

3.2.2 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。

3.2.3 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。

4 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。