1 引言

　　為了實現工業、家庭和樓宇的自動化控制，將人類從有線的環境中解放出來，以取代線纜為目標，用于無線個人區域網（WPAN，Wireless Personal Area Network）范圍的短距離無線通信技術標準得到了迅速的發展，典型技術標準有藍牙（Bluetooth）、ZigBee、無線USB（WirelessUSB）、無線局域網Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）等。在人們享受方便快捷的時候，這些技術的電磁兼容問題日益凸現。由于這些技術均選

　　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，各種信號帶寬。

　　2.4GHz 頻段日益受到重視，原因主要有三： 首先它是一個全球性的頻段，開發的產品具有全球通用性;其次，它整體的頻寬勝于其他ISM 頻段，這就提高了整體數據傳輸速率，允許系統共存; 第三就是尺寸，2.4GHz無線電和天線的體積相當小，產品體積也更小。雖然每一種技術標準都進行了必要的設計來減小干擾的影響，但是為了能讓各種設備正常運行，對他們之間的干擾、共存分析顯然是非常重要的。

　　2 2.4GHz 頻段的無線技術標準簡介

　　2.1 ZigBee/IEEE 802.15.4

　　ZigBee 技術是一項新興的短距離無線通信技術，主要面向的應用領域是低速率無線個人區域網（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，主要適用于自動控制以及遠程控制領域，目的是為了滿足小型廉價設備的無線聯網和控制， 典型的如無線傳感器網絡，其詳細特性見表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，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz 附近各種無線通信設備的相互干擾。

　　2.2 Wi-Fi/IEEE 802.11b

　　Wi-Fi 即無線局域網，工作在2.4GHz 頻段，用于學校、商業等辦公區域的無線連接技術，傳輸速率可達11Mbit/s，工作距離100m，采用直接序列擴頻（DSSS）的方式。采用Wi-Fi 的主要推動因素是數據吞吐量，Wi-Fi一般用來將計算機與本地局域網相連或直接與互聯網相連。

　　2.3 藍牙（Bluetooth）/IEEE 802.15.1

　　一項由藍牙特別利益小組（SIG）制定的用于無線個人區域網（WPAN）的標準，采用跳頻擴頻（FHSS）方式，支持語音、數據傳輸。藍牙可對多達8個連接成皮網（Piconet）的設備以及多個連接成散射網的皮網提供支持。藍牙有79個信道，信道間隔均為1MHz。通信距離為10～100 m。

　　2.4 無線USB（WirelessUSB）

　　WirelessUSB 技術在3m 距離的最大傳輸速率達480Mbit/s，而性能與現有的USB2.0 相同。WirelessUSB 規定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10m，可連接8 個設備。WirelessUSB并非聯網解決方案，因此沒有相關成本或功率開銷，支持USB 的即插即用，無需驅動程序和標準/ 認證過程。幾種2.4GHz 頻段技術標準的比較如表2 所示。

　　3 ZigBee 技術抗干擾特性分析

　　ZigBee 技術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的干擾。對于同頻干擾的抵御能力是極為重要的， 因為它直接影響到設備的性能。ZigBee在2.4GHz頻段內具備強抗干擾能力就意味著能夠可靠地與Wi-Fi、藍牙、WirelessUSB以及家用的無繩電話和微波爐共存。

　　IEEE 802.15.4 標準中提供了很多機制來保證ZigBee在2.4GHz頻段和其他無線技術標準的共存能力。

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

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

　　3.2 動態信道選擇

　　ZigBee個人區域網（PAN）中的協調器首先要掃描所有的信道，然后再確認并加入一個合適的PAN，而不是自己去創建一個新的PAN，這樣就減少了同頻段PAN的數量，降低了潛在的干擾。如果干擾源出現在重疊的信道上， 協調器上層的軟件要應用信道算法選擇一個新的信道。

　　3.3 信道算法

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

　　在網絡初始化或者響應中斷時，ZigBee 設備都會先掃描一系列被列入信道表參數中的信道， 以便進行動態信道選擇。在有IEEE802.11b網絡活躍工作的環境中建立一個IEEE 802.15.4 網絡，可以按照上述空閑信道來設置信道表參數，以便加強網絡的共存性能。

　　1 引言

　　為了實現工業、家庭和樓宇的自動化控制，將人類從有線的環境中解放出來，以取代線纜為目標，用于無線個人區域網（WPAN，Wireless Personal Area Network）范圍的短距離無線通信技術標準得到了迅速的發展，典型技術標準有藍牙（Bluetooth）、ZigBee、無線USB（WirelessUSB）、無線局域網Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）等。在人們享受方便快捷的時候，這些技術的電磁兼容問題日益凸現。由于這些技術均選

　　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，各種信號帶寬。

　　2.4GHz 頻段日益受到重視，原因主要有三： 首先它是一個全球性的頻段，開發的產品具有全球通用性;其次，它整體的頻寬勝于其他ISM 頻段，這就提高了整體數據傳輸速率，允許系統共存; 第三就是尺寸，2.4GHz無線電和天線的體積相當小，產品體積也更小。雖然每一種技術標準都進行了必要的設計來減小干擾的影響，但是為了能讓各種設備正常運行，對他們之間的干擾、共存分析顯然是非常重要的。

　　2 2.4GHz 頻段的無線技術標準簡介

　　2.1 ZigBee/IEEE 802.15.4

　　ZigBee 技術是一項新興的短距離無線通信技術，主要面向的應用領域是低速率無線個人區域網（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，主要適用于自動控制以及遠程控制領域，目的是為了滿足小型廉價設備的無線聯網和控制， 典型的如無線傳感器網絡，其詳細特性見表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，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz 附近各種無線通信設備的相互干擾。

　　2.2 Wi-Fi/IEEE 802.11b

　　Wi-Fi 即無線局域網，工作在2.4GHz 頻段，用于學校、商業等辦公區域的無線連接技術，傳輸速率可達11Mbit/s，工作距離100m，采用直接序列擴頻（DSSS）的方式。采用Wi-Fi 的主要推動因素是數據吞吐量，Wi-Fi一般用來將計算機與本地局域網相連或直接與互聯網相連。

　　2.3 藍牙（Bluetooth）/IEEE 802.15.1

　　一項由藍牙特別利益小組（SIG）制定的用于無線個人區域網（WPAN）的標準，采用跳頻擴頻（FHSS）方式，支持語音、數據傳輸。藍牙可對多達8個連接成皮網（Piconet）的設備以及多個連接成散射網的皮網提供支持。藍牙有79個信道，信道間隔均為1MHz。通信距離為10～100 m。

　　2.4 無線USB（WirelessUSB）

　　WirelessUSB 技術在3m 距離的最大傳輸速率達480Mbit/s，而性能與現有的USB2.0 相同。WirelessUSB 規定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10m，可連接8 個設備。WirelessUSB并非聯網解決方案，因此沒有相關成本或功率開銷，支持USB 的即插即用，無需驅動程序和標準/ 認證過程。幾種2.4GHz 頻段技術標準的比較如表2 所示。

　　3 ZigBee 技術抗干擾特性分析

　　ZigBee 技術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的干擾。對于同頻干擾的抵御能力是極為重要的， 因為它直接影響到設備的性能。ZigBee在2.4GHz頻段內具備強抗干擾能力就意味著能夠可靠地與Wi-Fi、藍牙、WirelessUSB以及家用的無繩電話和微波爐共存。

　　IEEE 802.15.4 標準中提供了很多機制來保證ZigBee在2.4GHz頻段和其他無線技術標準的共存能力。

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

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

　　3.2 動態信道選擇

　　ZigBee個人區域網（PAN）中的協調器首先要掃描所有的信道，然后再確認并加入一個合適的PAN，而不是自己去創建一個新的PAN，這樣就減少了同頻段PAN的數量，降低了潛在的干擾。如果干擾源出現在重疊的信道上， 協調器上層的軟件要應用信道算法選擇一個新的信道。

　　3.3 信道算法

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

　　在網絡初始化或者響應中斷時，ZigBee 設備都會先掃描一系列被列入信道表參數中的信道， 以便進行動態信道選擇。在有IEEE802.11b網絡活躍工作的環境中建立一個IEEE 802.15.4 網絡，可以按照上述空閑信道來設置信道表參數，以便加強網絡的共存性能。

　　4 頻率共存分析

　　4.1 ZigBee 與Wi-Fi 共存

　　面向自動化控制的ZigBee和無線局域網技術Wi-Fi 將會在很多場合處于共存的狀態，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。

　　共存性能評估仿真主要基于以下假設：

　　（1） 接收機接收到的干擾源功率Pr計算

　　d：接收機距離干擾源的距離;

　　Pt：發射機發射功率;

　　Pr：接收機接收功率。

　　（2）接收機靈敏度：

　　* IEEE 802.11b，11Mbit/s傳輸速率CCK調制：-76dBm;

　　* IEEE 802.15.4：-85dBm。

　　（3）發射功率：

　　* IEEE 802.11b：14dBm。

　　* IEEE 802.15.4：0dBm。

　　（4）接收機帶寬：

　　* IEEE 802.11b：22MHz。

　　* IEEE 802.15.4：2MHz。

　　（5）干擾特性

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

　　（6）誤碼率（BER）計算

　　* IEEE 802.11b，11Mbit/s 傳輸速率

　　仿真結果，反映了PER（分組差錯率）、Separation（干擾源與接收機距離）、Foffset（頻偏）三者的關系，可以明顯看出：頻偏和距離是兩個關鍵參數， 對于非跳頻系統，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;干擾源距離接收機越遠，共存性能越好。可見，信道占用檢測和動態

　　信道選擇對于保證共存性能是非常重要的。

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

　　實驗證明，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系統的共存。

　　4.2 ZigBee 與藍牙共存

　　藍牙采用FHSS 并將2.4GHz ISM 頻段劃分成79個1MHz 的信道，藍牙設備以偽隨機碼方式在這79 個信道間每秒鐘跳1600 次。跳頻技術的理論是根據在多組使用2.4GHz頻帶的系統下，這些系統僅在部分時間才會發生使用頻率沖突， 其他時間則能在彼此相異無干擾的頻道中運作。

　　ZigBee 系統是非跳頻系統，所以藍牙在79次通信中才有1次會和ZigBee的通信頻率產生重疊，且將會迅速跳至另一個頻率。在大多數情況下，藍牙不會對ZigBee 產生嚴重威脅，而ZigBee 對藍牙系統的影響可以忽略不計。

　　4.3 ZigBee 與WirelessUSB 共存

　　每一個WirelessUSB 信道寬1MHz，將2.4GHzISM頻段分割成為79個1MHz信道，這與藍牙類似，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量變得不理想，則會動態地改變信道，而ZigBee在嚴重干擾期間，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據丟失。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 主設備可以選擇一個新信道，所以WirelessUSB 完全可以和ZigBee 系統和平共處。

　　4.4 ZigBee 與其他干擾源共存

　　除了上述幾種無線技術標準工作在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 無繩電話不采用標準聯網技術，有些采用DSSS方式，多數采用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，使用戶能手動改變信道;FHSS電話則沒有“信道”按鍵，因為它們經常改變信道。大多數2.4GHz無繩電話均采用5～10MHz的信道寬度，所有無繩電話都會在ISM頻帶產生出相當高的能量，所以它是許多RF系統的干擾源。

　　如果無繩電話采用FHSS，它發出的干擾可完全中斷一個ZigBee網絡的工作，這是因為與藍牙（1MHz）相比，它占用更寬的信道（5~10MHz），而且無繩電話信號具有更高的功率。跳轉到ZigBee信道中間的FHSS無繩電話可能會導致ZigBee 設備重復發送數據分組，故建議在ZigBee網絡以外使用這些電話。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

　　微波爐也是這個頻帶中最常見。