Zigbee和Wi－Fi的干擾和共存

0 引言

繼無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）和無(wú)線城域網(wǎng)（WMAN）之后，便攜式技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用需求的迅速增長(zhǎng)，促進(jìn)了新的無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）的誕生，使無(wú)線接入的產(chǎn)業(yè)鏈更加完善。

Zigbee 是新近推出的一個(gè)低數(shù)據(jù)率的無(wú)線通信技術(shù)。它具有復(fù)雜度低、成本極少、功耗很小的特點(diǎn)，主要適用于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域。Zigbee 聯(lián)盟在制定Zigbee 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采用了IEEE802.15.4 作為其物理層和媒體接入層規(guī)范?；贗EEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee 通信模塊，可嵌入到各種設(shè)備當(dāng)中，成本將有望控制在1.5 美元到2.5 美元之間，有著廣泛的應(yīng)用前景。據(jù)美國(guó)In-STat/MDR預(yù)測(cè)，2008 年出貨量將超過(guò)1.5 億個(gè)。

基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi 是當(dāng)今無(wú)線局域網(wǎng)的主流技術(shù)，而隨著低速率應(yīng)用市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，Zigbee 和Wi-Fi 系統(tǒng)共處的可能性越來(lái)越大。但由于兩者都主要工作在2.4 GHz 的ISM 頻段，它們不可避免地會(huì)產(chǎn)生相互干擾，可見(jiàn)Zigbee 和Wi-Fi 之間的共存是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的研究文獻(xiàn)，文章下面初步分析了Zigbee 對(duì)Wi-Fi 的干擾情況，并提出了共存的解決方法。

1 Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性比較

低速率、低功耗的Zigbee 有著特定的應(yīng)用空間，是Wi-Fi的有效補(bǔ)充，兩者的主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性


2 干擾分析

2.1 背景

Zigbee 工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，定義了兩個(gè)物理層，即2.4 GHz頻段和868/915MHz 頻段物理層，而868MHz 和915 MHz 的ISM 頻段分別只在歐洲和北美有，所以其主要工作于全球范圍內(nèi)免許可證的2.4 GHz 的ISM 頻段。必然會(huì)與工作在該頻段的Wi-Fi 產(chǎn)生相互干擾。

Zigbee 的底層標(biāo)準(zhǔn)把2.4 GHz 的ISM頻段劃分為16 個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為2 MHz,如圖1 所示。Wi-Fi 將該頻段劃分為11 個(gè)直擴(kuò)信道，系統(tǒng)可選定其中任一信道進(jìn)行通信，信道帶寬為22 MHz,所以11 個(gè)信道有重疊，無(wú)重疊的信道最多只有3 個(gè)，如圖2 和圖3 所示。顯而易見(jiàn)，假定Wi-Fi 系統(tǒng)工作在任一信道，則Zigbee 和其信道頻率重疊的概率為1/4.當(dāng)Zigbee 和Wi-Fi 同時(shí)使用相同頻段通信時(shí)，產(chǎn)生帶內(nèi)有色噪聲干擾，導(dǎo)致傳輸分組沖突。






2.2 Zigbee 對(duì)Wi-Fi 的干擾分析

本節(jié)將分析在頻偏為零的同信道條件下Zigbee 對(duì)Wi-Fi的干擾。假設(shè)一室內(nèi)環(huán)境下的Zigbee 和Wi-Fi 設(shè)備節(jié)點(diǎn)如圖4 分布。每個(gè)Zigbee 節(jié)點(diǎn)呈獨(dú)立一致性均勻分布，其處于活動(dòng)狀態(tài)的概率為P[A ],分布密度為D.假設(shè)有個(gè)Zigbee 節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生對(duì)STA 有效的干擾，則分組沖突概率P[C]為m2:

本文室內(nèi)路徑損耗選用對(duì)數(shù)距離模型：

其中：n- - 依賴于周圍環(huán)境，Xo- - 零均值的高斯分布隨機(jī)變量，d0- - 近地參考距離。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]和[6],對(duì)于一個(gè)半徑為R 的覆蓋區(qū)，假設(shè)STA的SIR 的閾值為γ （如果Zigbee 節(jié)點(diǎn)要對(duì)STA 產(chǎn)生有效的干擾，使其SIR 必須小于γ ），則有效干擾區(qū)域的百分比為U（γ ）（即對(duì)于STA的SIR低于γ的區(qū)域百分比），如果在半徑范圍內(nèi)導(dǎo)致SIR低于閾值的概率為P[SIRγ] ,則：




則對(duì)數(shù)正態(tài)分布變量SIR 的均值為：




其方差為δ。