1 引言

　　為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)、家庭和樓宇的自動(dòng)化控制，將人類從有線的環(huán)境中解放出來，以取代線纜為目標(biāo)，用于無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAN，Wireless Personal Area Network）范圍的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)得到了迅速的發(fā)展，典型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙（Bluetooth）、ZigBee、無線USB（WirelessUSB）、無線局域網(wǎng)Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）等。在人們享受方便快捷的時(shí)候，這些技術(shù)的電磁兼容問題日益凸現(xiàn)。由于這些技術(shù)均選

　　擇了2.4GHz（2.4～2.483GHz）ISM 頻段，再加上無繩電話和微波爐等干擾源，就使得該頻段日益擁擠，各種信號(hào)帶寬。

　　2.4GHz 頻段日益受到重視，原因主要有三： 首先它是一個(gè)全球性的頻段，開發(fā)的產(chǎn)品具有全球通用性;其次，它整體的頻寬勝于其他ISM 頻段，這就提高了整體數(shù)據(jù)傳輸速率，允許系統(tǒng)共存; 第三就是尺寸，2.4GHz無線電和天線的體積相當(dāng)小，產(chǎn)品體積也更小。雖然每一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都進(jìn)行了必要的設(shè)計(jì)來減小干擾的影響，但是為了能讓各種設(shè)備正常運(yùn)行，對(duì)他們之間的干擾、共存分析顯然是非常重要的。

　　2 2.4GHz 頻段的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)簡介

　　2.1 ZigBee/IEEE 802.15.4

　　ZigBee 技術(shù)是一項(xiàng)新興的短距離無線通信技術(shù)，主要面向的應(yīng)用領(lǐng)域是低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（LRWPAN，Low Rate Wireless Personal Area Network），典型特征是近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率，主要適用于自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，目的是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制， 典型的如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其詳細(xì)特性見表1 。

　　2.4GHz頻段是全球通用頻段，868MHz和915MHz則是用于美國和歐洲的ISM頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz 附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。

　　2.2 Wi-Fi/IEEE 802.11b

　　Wi-Fi 即無線局域網(wǎng)，工作在2.4GHz 頻段，用于學(xué)校、商業(yè)等辦公區(qū)域的無線連接技術(shù)，傳輸速率可達(dá)11Mbit/s，工作距離100m，采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）的方式。采用Wi-Fi 的主要推動(dòng)因素是數(shù)據(jù)吞吐量，Wi-Fi一般用來將計(jì)算機(jī)與本地局域網(wǎng)相連或直接與互聯(lián)網(wǎng)相連。

　　2.3 藍(lán)牙（Bluetooth）/IEEE 802.15.1

　　一項(xiàng)由藍(lán)牙特別利益小組（SIG）制定的用于無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAN）的標(biāo)準(zhǔn)，采用跳頻擴(kuò)頻（FHSS）方式，支持語音、數(shù)據(jù)傳輸。藍(lán)牙可對(duì)多達(dá)8個(gè)連接成皮網(wǎng)（Piconet）的設(shè)備以及多個(gè)連接成散射網(wǎng)的皮網(wǎng)提供支持。藍(lán)牙有79個(gè)信道，信道間隔均為1MHz。通信距離為10～100 m。

　　2.4 無線USB（WirelessUSB）

　　WirelessUSB 技術(shù)在3m 距離的最大傳輸速率達(dá)480Mbit/s，而性能與現(xiàn)有的USB2.0 相同。WirelessUSB 規(guī)定10m 的速率為110Mbit/s，使用全球通用的2.4GHz ISM 頻段，通信距離高達(dá)10m，可連接8 個(gè)設(shè)備。WirelessUSB并非聯(lián)網(wǎng)解決方案，因此沒有相關(guān)成本或功率開銷，支持USB 的即插即用，無需驅(qū)動(dòng)程序和標(biāo)準(zhǔn)/ 認(rèn)證過程。幾種2.4GHz 頻段技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的比較如表2 所示。

　　3 ZigBee 技術(shù)抗干擾特性分析

　　ZigBee 技術(shù)的抗干擾特性主要是指抗同頻干擾，即來自共用相同頻段的其他技術(shù)的干擾。對(duì)于同頻干擾的抵御能力是極為重要的， 因?yàn)樗苯佑绊懙皆O(shè)備的性能。ZigBee在2.4GHz頻段內(nèi)具備強(qiáng)抗干擾能力就意味著能夠可靠地與Wi-Fi、藍(lán)牙、WirelessUSB以及家用的無繩電話和微波爐共存。

　　IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)中提供了很多機(jī)制來保證ZigBee在2.4GHz頻段和其他無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的共存能力。

　　3.1 空閑信道評(píng)估（CCA，Clear Channel Assessment）

　　IEEE 802.15.4 物理層在碰撞避免機(jī)制（CSMACA）中提供CCA的能力，即如果信道被其他設(shè)備占用，允許傳輸退出而不必考慮采用的通信協(xié)議。

　　3.2 動(dòng)態(tài)信道選擇

　　ZigBee個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN）中的協(xié)調(diào)器首先要掃描所有的信道，然后再確認(rèn)并加入一個(gè)合適的PAN，而不是自己去創(chuàng)建一個(gè)新的PAN，這樣就減少了同頻段PAN的數(shù)量，降低了潛在的干擾。如果干擾源出現(xiàn)在重疊的信道上， 協(xié)調(diào)器上層的軟件要應(yīng)用信道算法選擇一個(gè)新的信道。

　　3.3 信道算法

　　我們可以對(duì)比IEEE 802.11b 和IEEE 802.15.4 信道算法 ，有4個(gè)IEEE 802.15.4 信道（n=15，16，21，22）落在3 個(gè)IEEE 802.11b信道的頻帶間距上，這些間距上的能量不為零，但是會(huì)比信道內(nèi)的能量低，將這些信道作為IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)的工作信道可以將系統(tǒng)間干擾降至最小。

　　在網(wǎng)絡(luò)初始化或者響應(yīng)中斷時(shí)，ZigBee 設(shè)備都會(huì)先掃描一系列被列入信道表參數(shù)中的信道， 以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)信道選擇。在有IEEE802.11b網(wǎng)絡(luò)活躍工作的環(huán)境中建立一個(gè)IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)，可以按照上述空閑信道來設(shè)置信道表參數(shù)，以便加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的共存性能。

　　4 頻率共存分析

　　4.1 ZigBee 與Wi-Fi 共存

　　面向自動(dòng)化控制的ZigBee和無線局域網(wǎng)技術(shù)Wi-Fi 將會(huì)在很多場合處于共存的狀態(tài)，如辦公室、家庭、樓宇和車間等，可以通過建立模型來仿真IEEE 802.15.4和IEEE 802.11b 的共存。

　　共存性能評(píng)估仿真主要基于以下假設(shè)：

　?。?） 接收機(jī)接收到的干擾源功率Pr計(jì)算

　　d：接收機(jī)距離干擾源的距離;

　　Pt：發(fā)射機(jī)發(fā)射功率;

　　Pr：接收機(jī)接收功率。

　?。?）接收機(jī)靈敏度：

　　* IEEE 802.11b，11Mbit/s傳輸速率CCK調(diào)制：-76dBm;

　　* IEEE 802.15.4：-85dBm。

　　（3）發(fā)射功率：

　　* IEEE 802.11b：14dBm。

　　* IEEE 802.15.4：0dBm。

　?。?）接收機(jī)帶寬：

　　* IEEE 802.11b：22MHz。

　　* IEEE 802.15.4：2MHz。

　　（5）干擾特性

　　干擾信號(hào)均近似為等帶寬的加性高斯白噪聲（AWGN，Additive White Gaussian Noise）。

　?。?）誤碼率（BER）計(jì)算

　　* IEEE 802.11b，11Mbit/s 傳輸速率

　　仿真結(jié)果，反映了PER（分組差錯(cuò)率）、Separation（干擾源與接收機(jī)距離）、Foffset（頻偏）三者的關(guān)系，可以明顯看出：頻偏和距離是兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)， 對(duì)于非跳頻系統(tǒng)，較大頻偏（IEEE 802.11b 載波中心頻率和IEEE 802.15.4載波中心頻率的差值）可以容忍近距離（小于2m）共存，然而在較小頻偏或稱作同頻干擾情況下，可容忍距離為幾十米;干擾源距離接收機(jī)越遠(yuǎn)，共存性能越好?？梢?，信道占用檢測和動(dòng)態(tài)

　　信道選擇對(duì)于保證共存性能是非常重要的。

　　ZigBee 對(duì)Wi-Fi 的干擾相對(duì)來說要小得多，由于ZigBee信號(hào)帶寬只有3MHz，相對(duì)于Wi-Fi的22MHz帶寬屬于窄帶干擾源，通過擴(kuò)頻技術(shù)IEEE 802.11b可以充分的抑制干擾信號(hào)。還有，ZigBee 設(shè)備天線的輸出功率被限制在0dBm（1mW），相對(duì)于IEEE 802.11b的20dBm（100mW）相差甚遠(yuǎn)，不足以構(gòu)成干擾威脅。

　　實(shí)驗(yàn)證明，正確選擇信道，增大頻偏以及和干擾源保持一定距離，可以保證ZigBee和Wi-Fi系統(tǒng)的共存。

　　4.2 ZigBee 與藍(lán)牙共存

　　藍(lán)牙采用FHSS 并將2.4GHz ISM 頻段劃分成79個(gè)1MHz 的信道，藍(lán)牙設(shè)備以偽隨機(jī)碼方式在這79 個(gè)信道間每秒鐘跳1600 次。跳頻技術(shù)的理論是根據(jù)在多組使用2.4GHz頻帶的系統(tǒng)下，這些系統(tǒng)僅在部分時(shí)間才會(huì)發(fā)生使用頻率沖突， 其他時(shí)間則能在彼此相異無干擾的頻道中運(yùn)作。

　　ZigBee 系統(tǒng)是非跳頻系統(tǒng)，所以藍(lán)牙在79次通信中才有1次會(huì)和ZigBee的通信頻率產(chǎn)生重疊，且將會(huì)迅速跳至另一個(gè)頻率。在大多數(shù)情況下，藍(lán)牙不會(huì)對(duì)ZigBee 產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，而ZigBee 對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。

　　4.3 ZigBee 與WirelessUSB 共存

　　每一個(gè)WirelessUSB 信道寬1MHz，將2.4GHzISM頻段分割成為79個(gè)1MHz信道，這與藍(lán)牙類似，但是W i r e l e s s U S B 采用了DSSS 而不是FHSS。WirelessUSB設(shè)備具有頻率捷變特性，它們雖采用“固定”信道，但如果最初信道的鏈路質(zhì)量變得不理想，則會(huì)動(dòng)態(tài)地改變信道，而ZigBee在嚴(yán)重干擾期間，不改變信道，它依靠其低占空比及免沖突算法來減小由于傳輸沖突所造成的數(shù)據(jù)丟失。為減少干擾，WirelessUSB至少每50ms檢查一次信道的噪聲水平，如果和ZigBee信道重疊，WirelessUSB 主設(shè)備可以選擇一個(gè)新信道，所以WirelessUSB 完全可以和ZigBee 系統(tǒng)和平共處。

　　4.4 ZigBee 與其他干擾源共存

　　除了上述幾種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作在2.4GHz ISM頻段外，還有一些其他的干擾源，比如2.4GHz無繩電話，微波爐等。

　　4.4.1 無繩電話（2.4GHz）

　　2.4GHz 無繩電話不采用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有些采用DSSS方式，多數(shù)采用FHSS。采用DSSS及其他固定信道算法的無繩電話一般在電話上裝有“信道”按鍵，使用戶能手動(dòng)改變信道;FHSS電話則沒有“信道”按鍵，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常改變信道。大多數(shù)2.4GHz無繩電話均采用5～10MHz的信道寬度，所有無繩電話都會(huì)在ISM頻帶產(chǎn)生出相當(dāng)高的能量，所以它是許多RF系統(tǒng)的干擾源。

　　如果無繩電話采用FHSS，它發(fā)出的干擾可完全中斷一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作，這是因?yàn)榕c藍(lán)牙（1MHz）相比，它占用更寬的信道（5~10MHz），而且無繩電話信號(hào)具有更高的功率。跳轉(zhuǎn)到ZigBee信道中間的FHSS無繩電話可能會(huì)導(dǎo)致ZigBee 設(shè)備重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，故建議在ZigBee網(wǎng)絡(luò)以外使用這些電話。如果無繩電話采用DSSS，則可將無繩電話與ZigBee系統(tǒng)所使用的信道配置成互不重疊，以消除干擾。

　　4.4.2 微波爐

　　微波爐也是這個(gè)頻帶中最常見。