Zigbee和WIFI通信干擾問題的研究

張莉，郭一捷

（華北科技學(xué)院，河北廊坊，065201）

關(guān)鍵字： ZigBee；ISM頻段；電磁干擾；分配算法

1 干擾產(chǎn)生的機(jī)理

WIFI技術(shù)和ZigBee就是都是工作在2.4GHZ的ISM頻段，如下圖1所示。

圖1 ZigBee 與 WiFi 的頻率范圍及信道

ZigBee的底層標(biāo)準(zhǔn)將2.4GHZ的ISM頻段分成了16個(gè)信道，每個(gè)信道的帶寬是2MHZ。而WIFI的底層標(biāo)準(zhǔn)將2.4GHZ的ISM頻段劃分成11個(gè)直擴(kuò)信道，每一個(gè)信道的帶寬為22M HZ，系統(tǒng)可以選擇任意一個(gè)信道進(jìn)行通信。從圖中我們看出他們的信道會(huì)有很多的重疊。尤其當(dāng)Wi-Fi和Zigbee同時(shí)使用相同的頻段進(jìn)行通信時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生帶內(nèi)有色噪聲干擾，從而導(dǎo)致了傳輸分組沖突。

我們知道WIFI比ZigBee節(jié)點(diǎn)擁有更高的傳輸，更大的傳輸距離，更大的傳輸?shù)乃俾剩?dāng)ZigBee節(jié)點(diǎn)和WIFI節(jié)點(diǎn)共存時(shí)，WIFI獲取信道具有絕對(duì)的優(yōu)勢。所以下面避免干擾的方法基于此來完成的。

2 干擾避免的方法

2.1 基于距離的頻率分配算法

（1）模型假設(shè)

⑤ 用niN表示一跳鄰居，確定一個(gè)固定的信道和一定的傳輸速率，這個(gè)能夠和節(jié)點(diǎn)iN進(jìn)行通信。

（2）模型損失函數(shù)(評(píng)估函數(shù))

（3）目標(biāo)函數(shù)

（4）最優(yōu)求解

由于分配的節(jié)點(diǎn)的位置是固定的，變量只有一個(gè)頻率。其中 ? ({ Ai} ,{fi})代表節(jié)點(diǎn)對(duì)于總的單元的影響，對(duì)于給定的節(jié)點(diǎn) ? ({ Ai} ,{fi})的值最小則有此時(shí)的干擾最小。通過泰森多邊形原理以及做了近似處理我們最終得到了下圖的優(yōu)化公式：

上面是一個(gè)非線性的優(yōu)化問題，我們可以采用梯度的下降方法來得到局部的最小值。

2.2 其他避免兩種通信的方法

2.2.1 協(xié)作方式和非協(xié)作方式

對(duì)于協(xié)作方式來說，不同的通信協(xié)議可以通過進(jìn)行信息交換的方式來減少通信系統(tǒng)的干擾。但是對(duì)于非協(xié)作方式的來說，不同的通信系統(tǒng)是不能夠進(jìn)行信息交換的，但是可以通過監(jiān)測干擾存在是然后再來避免干擾。

這兩種方式都有各自的應(yīng)用范圍。協(xié)作方式主要運(yùn)用存在Zigbee 和Wi-Fi 兩種裝置在同一設(shè)備中的情況。但是在現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)中，會(huì)有許多WiFi和 Zigbee 裝置同時(shí)存在，并且存在于不同設(shè)備中，那么這時(shí)候非協(xié)作方式就顯得十分重要了。

2.2.2 協(xié)作方式處理干擾的矛盾

在協(xié)作方式的情況下，解決方案可以采用時(shí)序控制，在MAC層需要加入一個(gè)中央控制器來監(jiān)控Zigbee 裝置和Wi-Fi裝置 的業(yè)務(wù)分布。同時(shí)允許它們之間進(jìn)行信息進(jìn)行交互，系統(tǒng)的任一裝置如果需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)必須先向中央控制器申請(qǐng)時(shí)隙，控制器根據(jù)根據(jù)特定算法統(tǒng)一分配時(shí)隙，并將分配情況反饋給申請(qǐng)裝置。這樣，就可以對(duì)分組的業(yè)務(wù)做出合理準(zhǔn)確的安排，每一時(shí)刻只有一種裝置工作，從而避免兩種裝置的干擾。

由于Zigbee 支持休眠模式，在大部分時(shí)間處于非工作狀態(tài)，可以減小控制器執(zhí)行的復(fù)雜度。

2.2.3 非協(xié)作方式處理干擾的矛盾

（1）自適應(yīng)調(diào)整分組大小

在理論上說，分組越長，不同之間的系統(tǒng)之間的相互干擾的可能性就越大。因此我們可以通過減少分組大小，在一定程度上來把受到干擾的可能性降到最低。但是分組長度不能太小，否則發(fā)送同樣數(shù)據(jù)所需次數(shù)增加，速率就會(huì)降低，也就相應(yīng)增加了報(bào)頭開銷的總量。而且Zigbee協(xié)議 和Wi-Fi協(xié)議 的MAC 層都是采用了ACK 的機(jī)制，這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的性能會(huì)有一定程度的下降。

（2）動(dòng)態(tài)信道分配

在無線局域網(wǎng)中，避免干擾的最好的方法就是通過新進(jìn)的算法去選擇不被其它裝置占用的信道。具體的實(shí)現(xiàn)的方法就是在裝置工作時(shí)，不斷地對(duì)4GHZ的ISM 頻段進(jìn)行掃描，根據(jù)一定的動(dòng)態(tài)算法進(jìn)行判斷選擇最佳的傳輸信道，來避免占用同一信道，減小干擾。