2.4GHz WiFi及藍牙對ZigBee干擾分析

胡思雨

【摘 要】本文討論了ZigBee與WiFi、藍牙間的干擾問題，通過Matlab中的Simulink仿真，在給定的三個SNR的情況下，改變SIR值，根據得到的PER值，統計出WiFi及藍牙對ZigBee系統的干擾影響，以及兩者同時干擾ZigBee系統時，分析其系統性能。

【關鍵詞】ZigBee；WiFi；藍牙；干擾

【Abstract】This paper discusses the interference problem between ZigBee、WiFi and Bluetooth. It is indicated that through the simulation in Simulink of Matlab， in three cases of given SNR values and only changes the value of the SIR. According to the acquired PER values， the effects of ZigBee system in the respective interference of WiFi and Bluetooth or both of them can be counted. Then the performance of ZigBee system can be analyzed.

【Key words】ZigBee； WiFi； Bluetooth； Interference

0 引言

隨著無線通信技術的快速發展，尤其是短距離無線通信技術的迅猛發展，越來越多的無線通信技術應用設備出現在人們的日常生活中。ISM 2.4GHz是全球唯一公開的頻段，在此頻段上存在著大量的來自不同系統的信號，例如，微波爐、射頻識別RFID （RF Idenfication）、無繩電話（Cordless Phone）、WLAN（IEEE 802.11b/g）和WPAN（Bluetooth/ZigBee /WiMedia）等等。

日益增多的系統工作在同一頻段，就會出現系統間相互干擾的問題。其中ZigBee與WiFi和藍牙之間的干擾尤其受到重視。雖然WiFi、藍牙同ZigBee相比，設計用途不同，且兩個系統的技術發展比ZigBee技術早，但在近距離的日常應用中，很可能共存。所以，研究ZigBee系統在受到來自WiFi以及藍牙系統信號干擾時性能的變化是十分必要的。

1 ZigBee概述

1.1 ZigBee技術概述

在2000年12月，IEEE 802.15工作組為了制定ZigBee技術標準，成立了第四個任務組TG4。此技術的名字是根據蜂群所使用的通信方式ZigZag而起的。IEEE 802.15.4只是負責ZigBee技術中的低層協議，包括PHY層和MAC層。數據鏈路層（DLL）、網絡層（NWK）和應用編程接口（API）由ZigBee聯盟來制定。

ZigBee技術采用雙向通信，其特點是功耗低、成本低、延時短、數據傳輸可靠、網絡容量大、兼容性好以及安全性強。從無線通信控制和自動化到日常生活設備、工業控制的裝置甚至醫用傳感器中都有此技術。此外，ZigBee技術還可以應用在許多的電子設備中，包括電腦外設、游戲機和玩具等，同時它還支持定位功能。

1.2 ZigBee物理層規范

IEEEE802.15.4-2003 ZigBee物理層的主要功能如下[1]：

（1）激活/關閉無線發射機；

（2）能量檢測（ED）；

（3）檢測接收分組的鏈路質量指示（LQI）；

（4）空閑信道評估（CCA）；

（5）選擇信道頻率；

（6）傳輸/接收數據。

1.2.1 工作頻段范圍

1.2.2 信道分配和數目

ZigBee在三個頻段上一共有27個信道，如圖1所示。其中，868.3MHz頻段上有1個信道，編號0。902～928MHz頻段上有10個信道，編號1～10。其余16個信道分布在2.4～2.4835GHz頻段上，編號11～26。

1.2.3 物理層的幀結構

物理層的幀（PPDU）分組由以下三個部分組成，格式如表2所示：

（1）同步包頭（SHR），主要是將接收設備所接收的信號進行比特流的鎖定，并保持符號同步和碼同步；

（2）物理層包頭（PHR），1個字節中的低7位表示的是幀長度的信息；

（3）物理層凈載荷域（PSDU），它承載MAC子層幀（MPDU）。

2 WiFi及藍牙簡介

2.1 WiFi（IEEE 802.11b）概述

相對于IEEE工作組所制定的其他技術標準，WiFi技術是生活中應用最多的一個。其特點包括開發和運營網絡的成本低，建立網絡所花費的時間短，傳輸速率快，容易延展網絡，組網非常靈活快捷。

在IEEE 802.11b[2]定義的四種不同的數據速率中，不論是1Mbps、2Mbps、5.5Mbps還是11Mbps，信道帶寬始終是20MHZ左右。因此在2.4GHz ISM頻段上最多只能同時有3個信道不相互重疊。

2.2 藍牙（Bluetooth）概述

藍牙技術是一個在2.4GHz ISM頻段上進行無線數據和語音傳輸的規范。它體積小，功耗低，成本低，可同時進行語音信號和數據的傳輸[3]，具有較強的抗干擾能力。它可以代替有線電纜，應用在許多電子設備以及電子商務領域。

藍牙選用時分復用技術來實現全雙工通信，采用79個跳頻頻點，每秒1600跳，信道時隙是625μs，采用高斯濾波的二進制頻移鍵控（GFSK）進行信號的調制。射頻數據速率為1Mbps，信息以分組的形式進行傳輸，在一個分組的傳輸時間內射頻頻率保持不變[4]。

3 ZigBee與WiFi及藍牙系統間干擾研究

3.1 分析WiFi信號和藍牙信號對ZigBee系統性能影響

在ZigBee的數據傳輸中，其可靠性主要與兩個要素息息相關：一是，無線通信的PER；二是，與其他設備共享信道帶來的相互干擾。

Zigbee的物理層在2.4GHz 頻段上有16個信道，每個信道的帶寬是3MHz。WiFi在2.4GHz頻段上共有11個直擴信道，每個信道的帶寬為22MHz。對比IEEE 802.11b（WiFi）和IEEE 802.15.4（ZigBee）的信道算法，如圖2和3，IEEE 802.15.4的16個信道當中的第15、16、21、22信道落在了IEEE 802.11b的三個信道間距上。在間距上的能量相比信道內的能量要低很多，如果IEEE 802.15.4用這幾個信道傳輸信息，可以降低系統間的干擾。如果WiFi系統在11個信道中的任意信道工作，它和Zigbee在傳輸時的信道重疊概率為l/4。此時產生的帶內干擾等同于有色噪聲干擾，發生傳輸分組沖突。

藍牙傳輸采用79個隨機頻道中的一個，信道帶寬為1MHz，而ZigBee信道帶寬為3MHz，在間隔的頻段上信號相當低，可以忽略，所以當藍牙與ZigBee的所有信道都等概率工作時，信道重疊概率較低。但是當兩個信號使用同一頻段時，會發生沖突干擾。

3.2 ZigBee系統與WiFi、藍牙間干擾評估方法

ZigBee采用O-QPSK進行調制。假定Eb為接收端所接收到的每bit信息的平均能量，N0為接收端所接收到的噪聲的能量，并且假設信號傳輸的信道為加性高斯白噪聲信道（AWGN）。

這里可以用SNR的值來近似表示接收端每bit信息的平均能量與噪聲能量的比值，由公式（2），就得到了SNR與BER的對應關系。如果假定在接收端準確地獲得了每個bit信息的出錯概率，根據每個數據包的字節數L，就可以計算出每個數據包被接收端成功接收的概率，就可以統計出PER的值。

為了化簡計算的復雜度，本文做了一些理想化的假設：

（1）當ZigBee信號在沒有WiFi和藍牙信號干擾的情況下，經過信道，其中會有噪聲，首先根據不同的SNR，檢測ZigBee模型的性能。

（2）ZigBee的發送方和WiFi干擾源以及藍牙干擾源之間的距離，相當于傳播損耗，就可以轉換成SIR（Signal to Interference），即信號與所有干擾之比，所以本模型只考慮SIR。

（3）假定信號源和干擾源同時進行數據的傳輸，這會影響ZigBee鏈路進行通信。綜上所述，利用SNR來預測PER。

3.3 仿真過程及結果分析

1.在ZigBee系統模型中，沒有WiFi及藍牙信號干擾時，當信道中的其他條件為最佳情況，僅調節SNR的值，結果如圖4。當SNR小于等于-3dB時，ZigBee的接收端已經不能正確的接收發送端發送的信息。當SNR大于等于1dB時，PER的值小于閾值1%，基本可以正確接收信息。

從圖5、圖6、圖7可以看出，在SNR和SIR相同的情況下，WiFi信號對ZigBee系統的干擾小于藍牙信號對ZigBee系統的干擾。當SNR的值越來越小，即信道內噪聲越來越大時，ZigBee系統要想在接收端接收到正確信息，需要更大的SIR值，即ZigBee信號的能量要遠大于WiFi信號以及藍牙信號的能量；若藍牙信號和ZigBee信號信道重合，則會嚴重干擾ZigBee信號的性能。當WiFi信號和藍牙信號能量相同時，共同干擾ZigBee信號，ZigBee系統的性能嚴重下降。

4 結束語

基于以上的仿真研究，分析出WiFi系統和藍牙系統對ZigBee系統的干擾影響。由于藍牙信號和WiFi信號的帶寬及調制方式不同，對ZigBee系統的影響也不同；當兩個干擾信號同時存在時，ZigBee系統的性能會嚴重下降。

從2004年ZigBee正式問世開始，國內外已有許多文章對這三個系統間的干擾共存問題進行了相關研究[6-8]，但仍然會存在一定的不完善。因此，對以后的研究，應當不斷探索新的方法，擴展理論基礎，使ZigBee可以和同頻段的其他系統更好的共存。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]