2.4GHz WiFi及蓝牙对ZigBee干扰分析

胡思雨

【摘 要】本文讨论了ZigBee与WiFi、蓝牙间的干扰问题，通过Matlab中的Simulink仿真，在给定的三个SNR的情况下，改变SIR值，根据得到的PER值，统计出WiFi及蓝牙对ZigBee系统的干扰影响，以及两者同时干扰ZigBee系统时，分析其系统性能。

【关键词】ZigBee；WiFi；蓝牙；干扰

【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

随着无线通信技术的快速发展，尤其是短距离无线通信技术的迅猛发展，越来越多的无线通信技术应用设备出现在人们的日常生活中。ISM 2.4GHz是全球唯一公开的频段，在此频段上存在着大量的来自不同系统的信号，例如，微波炉、射频识别RFID （RF Idenfication）、无绳电话（Cordless Phone）、WLAN（IEEE 802.11b/g）和WPAN（Bluetooth/ZigBee /WiMedia）等等。

日益增多的系统工作在同一频段，就会出现系统间相互干扰的问题。其中ZigBee与WiFi和蓝牙之间的干扰尤其受到重视。虽然WiFi、蓝牙同ZigBee相比，设计用途不同，且两个系统的技术发展比ZigBee技术早，但在近距离的日常应用中，很可能共存。所以，研究ZigBee系统在受到来自WiFi以及蓝牙系统信号干扰时性能的变化是十分必要的。

1 ZigBee概述

1.1 ZigBee技术概述

在2000年12月，IEEE 802.15工作组为了制定ZigBee技术标准，成立了第四个任务组TG4。此技术的名字是根据蜂群所使用的通信方式ZigZag而起的。IEEE 802.15.4只是负责ZigBee技术中的低层协议，包括PHY层和MAC层。数据链路层（DLL）、网络层（NWK）和应用编程接口（API）由ZigBee联盟来制定。

ZigBee技术采用双向通信，其特点是功耗低、成本低、延时短、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好以及安全性强。从无线通信控制和自动化到日常生活设备、工业控制的装置甚至医用传感器中都有此技术。此外，ZigBee技术还可以应用在许多的电子设备中，包括电脑外设、游戏机和玩具等，同时它还支持定位功能。

1.2 ZigBee物理层规范

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

（1）激活/关闭无线发射机；

（2）能量检测（ED）；

（3）检测接收分组的链路质量指示（LQI）；

（4）空闲信道评估（CCA）；

（5）选择信道频率；

（6）传输/接收数据。

1.2.1 工作频段范围

1.2.2 信道分配和数目

ZigBee在三个频段上一共有27个信道，如图1所示。其中，868.3MHz频段上有1个信道，编号0。902～928MHz频段上有10个信道，编号1～10。其余16个信道分布在2.4～2.4835GHz频段上，编号11～26。

1.2.3 物理层的帧结构

物理层的帧（PPDU）分组由以下三个部分组成，格式如表2所示：

（1）同步包头（SHR），主要是将接收设备所接收的信号进行比特流的锁定，并保持符号同步和码同步；

（2）物理层包头（PHR），1个字节中的低7位表示的是帧长度的信息；

（3）物理层净载荷域（PSDU），它承载MAC子层帧（MPDU）。

2 WiFi及蓝牙简介

2.1 WiFi（IEEE 802.11b）概述

相对于IEEE工作组所制定的其他技术标准，WiFi技术是生活中应用最多的一个。其特点包括开发和运营网络的成本低，建立网络所花费的时间短，传输速率快，容易延展网络，组网非常灵活快捷。

在IEEE 802.11b[2]定义的四种不同的数据速率中，不论是1Mbps、2Mbps、5.5Mbps还是11Mbps，信道带宽始终是20MHZ左右。因此在2.4GHz ISM频段上最多只能同时有3个信道不相互重叠。

2.2 蓝牙（Bluetooth）概述

蓝牙技术是一个在2.4GHz ISM频段上进行无线数据和语音传输的规范。它体积小，功耗低，成本低，可同时进行语音信号和数据的传输[3]，具有较强的抗干扰能力。它可以代替有线电缆，应用在许多电子设备以及电子商务领域。

蓝牙选用时分复用技术来实现全双工通信，采用79个跳频频点，每秒1600跳，信道时隙是625μs，采用高斯滤波的二进制频移键控（GFSK）进行信号的调制。射频数据速率为1Mbps，信息以分组的形式进行传输，在一个分组的传输时间内射频频率保持不变[4]。

3 ZigBee与WiFi及蓝牙系统间干扰研究

3.1 分析WiFi信号和蓝牙信号对ZigBee系统性能影响

在ZigBee的数据传输中，其可靠性主要与两个要素息息相关：一是，无线通信的PER；二是，与其他设备共享信道带来的相互干扰。

Zigbee的物理层在2.4GHz 频段上有16个信道，每个信道的带宽是3MHz。WiFi在2.4GHz频段上共有11个直扩信道，每个信道的带宽为22MHz。对比IEEE 802.11b（WiFi）和IEEE 802.15.4（ZigBee）的信道算法，如图2和3，IEEE 802.15.4的16个信道当中的第15、16、21、22信道落在了IEEE 802.11b的三个信道间距上。在间距上的能量相比信道内的能量要低很多，如果IEEE 802.15.4用这几个信道传输信息，可以降低系统间的干扰。如果WiFi系统在11个信道中的任意信道工作，它和Zigbee在传输时的信道重叠概率为l/4。此时产生的带内干扰等同于有色噪声干扰，发生传输分组冲突。

蓝牙传输采用79个随机频道中的一个，信道带宽为1MHz，而ZigBee信道带宽为3MHz，在间隔的频段上信号相当低，可以忽略，所以当蓝牙与ZigBee的所有信道都等概率工作时，信道重叠概率较低。但是当两个信号使用同一频段时，会发生冲突干扰。

3.2 ZigBee系统与WiFi、蓝牙间干扰评估方法

ZigBee采用O-QPSK进行调制。假定Eb为接收端所接收到的每bit信息的平均能量，N0为接收端所接收到的噪声的能量，并且假设信号传输的信道为加性高斯白噪声信道（AWGN）。

这里可以用SNR的值来近似表示接收端每bit信息的平均能量与噪声能量的比值，由公式（2），就得到了SNR与BER的对应关系。如果假定在接收端准确地获得了每个bit信息的出错概率，根据每个数据包的字节数L，就可以计算出每个数据包被接收端成功接收的概率，就可以统计出PER的值。

为了化简计算的复杂度，本文做了一些理想化的假设：

（1）当ZigBee信号在没有WiFi和蓝牙信号干扰的情况下，经过信道，其中会有噪声，首先根据不同的SNR，检测ZigBee模型的性能。

（2）ZigBee的发送方和WiFi干扰源以及蓝牙干扰源之间的距离，相当于传播损耗，就可以转换成SIR（Signal to Interference），即信号与所有干扰之比，所以本模型只考虑SIR。

（3）假定信号源和干扰源同时进行数据的传输，这会影响ZigBee链路进行通信。综上所述，利用SNR来预测PER。

3.3 仿真过程及结果分析

1.在ZigBee系统模型中，没有WiFi及蓝牙信号干扰时，当信道中的其他条件为最佳情况，仅调节SNR的值，结果如图4。当SNR小于等于-3dB时，ZigBee的接收端已经不能正确的接收发送端发送的信息。当SNR大于等于1dB时，PER的值小于阈值1%，基本可以正确接收信息。

从图5、图6、图7可以看出，在SNR和SIR相同的情况下，WiFi信号对ZigBee系统的干扰小于蓝牙信号对ZigBee系统的干扰。当SNR的值越来越小，即信道内噪声越来越大时，ZigBee系统要想在接收端接收到正确信息，需要更大的SIR值，即ZigBee信号的能量要远大于WiFi信号以及蓝牙信号的能量；若蓝牙信号和ZigBee信号信道重合，则会严重干扰ZigBee信号的性能。当WiFi信号和蓝牙信号能量相同时，共同干扰ZigBee信号，ZigBee系统的性能严重下降。

4 结束语

基于以上的仿真研究，分析出WiFi系统和蓝牙系统对ZigBee系统的干扰影响。由于蓝牙信号和WiFi信号的带宽及调制方式不同，对ZigBee系统的影响也不同；当两个干扰信号同时存在时，ZigBee系统的性能会严重下降。

从2004年ZigBee正式问世开始，国内外已有许多文章对这三个系统间的干扰共存问题进行了相关研究[6-8]，但仍然会存在一定的不完善。因此，对以后的研究，应当不断探索新的方法，扩展理论基础，使ZigBee可以和同频段的其他系统更好的共存。

【参考文献】

[1]董胜乾.基于无线网络的传感器系统设计研究[D].西安：西安电子科技大学， 2008.

[2]IEEE. Wireless LAN medium access control（MAC） and physical layer（PHY） specifi- cations - Amendment 2： Higher speed physical layer（PHY）extension in the 2.4 GHz band[Z]. IEEE Standard， 802.11b. 1999.

[3]金纯，许光辰，孙睿.蓝牙技术[M].北京：电子工业出版社，2001：148-206.

[4]黄明.浅析蓝牙技术及其应用[J].鄂州大学学报，2009，05：19-21.

[5]Stuber G L. Principles of mobile communication[M]. New York： Springer， 2011. 22-54.

[6]Shin S Y， Park H S， Kwon W H. Mutual interference analysis of IEEE 802.15. 4 and IEEE 802.11 b[J]. Computer Networks， 2007， 51（12）： 3338-3353.

[7]Howitt I， Gutierrez J A. IEEE 802.15. 4 low rate-wireless personal area network coexistence issues[C]. Wireless Communications and Networking， 2003， WCNC 2003. 2003 IEEE. IEEE， 2003， 3： 1481-1486.

[8]Golmie N， Cypher D， Rébala O. Performance analysis of low rate wireless techno -logies for medical applications[J]. Computer Communications， 2005， 28（10）： 1266-1275.

[责任编辑：杨玉洁]