24GHz 无线技术标准及ZigBee 抗干扰性能.docx

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24GHz无线技术标准及ZigBee抗干扰性能

2.4GHz无线技术标准及ZigBee抗干扰性能

1引言

      为了实现工业、家庭和楼宇的自动化控制，将人类从有线的环境中解放出来，以取代线缆为目标，用于无线个人区域网（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）范围的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展，典型技术标准有蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、无线USB（WirelessUSB）、无线局域网Wi-Fi（IEEE802.11b/g）等。

在人们享受方便快捷的时候，这些技术的电磁兼容问题日益凸现。

由于这些技术均选

择了2.4GHz（2.4～2.483GHz）ISM频段，再加上无绳电话和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥挤，各种信号带宽见图1。

      2.4GHz频段日益受到重视，原因主要有三:

首先它是一个全球性的频段，开发的产品具有全球通用性；其次，它整体的频宽胜于其他ISM频段，这就提高了整体数据传输速率，允许系统共存;第三就是尺寸，2.4GHz无线电和天线的体积相当小，产品体积也更小。

虽然每一种技术标准都进行了必要的设计来减小干扰的影响，但是为了能让各种设备正常运行，对他们之间的干扰、共存分析显然是非常重要的。

22.4GHz频段的无线技术标准简介

2.1ZigBee/IEEE802.15.4

      ZigBee技术是一项新兴的短距离无线通信技术，主要面向的应用领域是低速率无线个人区域网（LRWPAN，LowRateWirelessPersonalAreaNetwork），典型特征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率，主要适用于自动控制以及远程控制领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制，典型的如无线传感器网络，其详细特性见表1。

      2.4GHz频段是全球通用频段，868MHz和915MHz则是用于美国和欧洲的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。

2.2Wi-Fi/IEEE802.11b

      Wi-Fi即无线局域网，工作在2.4GHz频段，用于学校、商业等办公区域的无线连接技术，传输速率可达11Mbit/s，工作距离100m，采用直接序列扩频（DSSS）的方式。

采用Wi-Fi的主要推动因素是数据吞吐量，Wi-Fi一般用来将计算机与本地局域网相连或直接与互联网相连。

2.3蓝牙（Bluetooth）/IEEE802.15.1

      一项由蓝牙特别利益小组（SIG）制定的用于无线个人区域网（WPAN）的标准，采用跳频扩频（FHSS）方式，支持语音、数据传输。

蓝牙可对多达8个连接成皮网（Piconet）的设备以及多个连接成散射网的皮网提供支持。

蓝牙有79个信道，信道间隔均为1MHz。

通信距离为10～100m。

2.4无线USB（WirelessUSB）

      WirelessUSB技术在3m距离的最大传输速率达480Mbit/s，而性能与现有的USB2.0相同。

WirelessUSB规定10m的速率为110Mbit/s，使用全球通用的2.4GHzISM频段，通信距离高达10m，可连接8个设备。

WirelessUSB并非联网解决方案，因此没有相关成本或功率开销，支持USB的即插即用，无需驱动程序和标准/认证过程。

几种2.4GHz频段技术标准的比较如表2所示。

3ZigBee技术抗干扰特性分析

      ZigBee技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。

对于同频干扰的抵御能力是极为重要的，因为它直接影响到设备的性能。

ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力就意味着能够可靠地与Wi-Fi、蓝牙、WirelessUSB以及家用的无绳电话和微波炉共存。

      IEEE802.15.4标准中提供了很多机制来保证ZigBee在2.4GHz频段和其他无线技术标准的共存能力。

3.1空闲信道评估（CCA，ClearChannelAssessment）

      IEEE802.15.4物理层在碰撞避免机制（CSMACA）中提供CCA的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信协议。

3.2动态信道选择

      ZigBee个人区域网（PAN）中的协调器首先要扫描所有的信道，然后再确认并加入一个合适的PAN，而不是自己去创建一个新的PAN，这样就减少了同频段PAN的数量，降低了潜在的干扰。

如果干扰源出现在重叠的信道上，协调器上层的软件要应用信道算法选择一个新的信道。

3.3信道算法

      我们可以对比IEEE802.11b和IEEE802.15.4信道算法，见图2和图3，有4个IEEE802.15.4信道（n=15,16,21,22）落在3个IEEE802.11b信道的频带间距上，这些间距上的能量不为零，但是会比信道内的能量低，将这些信道作为IEEE802.15.4网络的工作信道可以将系统间干扰降至最小。

      在网络初始化或者响应中断时，ZigBee设备都会先扫描一系列被列入信道表参数中的信道，以便进行动态信道选择。

在有IEEE802.11b网络活跃工作的环境中建立一个IEEE802.15.4网络，可以按照上述空闲信道来设置信道表参数，以便加强网络的共存性能。

4频率共存分析

4.1ZigBee与Wi-Fi共存

      面向自动化控制的ZigBee和无线局域网技术Wi-Fi将会在很多场合处于共存的状态，如办公室、家庭、楼宇和车间等，可以通过建立模型来仿真IEEE802.15.4和IEEE802.11b的共存。

共存性能评估仿真主要基于以下假设：

（1）接收机接收到的干扰源功率Pr计算

d：

接收机距离干扰源的距离；

Pt：

发射机发射功率；

Pr：

接收机接收功率。

（2）接收机灵敏度：

*IEEE802.11b，11Mbit/s传输速率CCK调制:

-76dBm；

*IEEE802.15.4：

-85dBm。

（3）发射功率：

*IEEE802.11b：

14dBm。

*IEEE802.15.4：

0dBm。

（4）接收机带宽：

*IEEE802.11b：

22MHz。

*IEEE802.15.4：

2MHz。

（5）干扰特性

干扰信号均近似为等带宽的加性高斯白噪声（AWGN，AdditiveWhiteGaussianNoise）。

（6）误码率（BER）计算

*IEEE802.11b，11Mbit/s传输速率

      见图4仿真结果，反映了PER（分组差错率）、Separation（干扰源与接收机距离）、Foffset（频偏）三者的关系，可以明显看出:

频偏和距离是两个关键参数，对于非跳频系统，较大频偏（IEEE802.11b载波中心频率和IEEE802.15.4载波中心频率的差值）可以容忍近距离（小于2m）共存，然而在较小频偏或称作同频干扰情况下，可容忍距离为几十米;干扰源距离接收机越远，共存性能越好。

可见，信道占用检测和动态

信道选择对于保证共存性能是非常重要的。

      ZigBee对Wi-Fi的干扰相对来说要小得多，由于ZigBee信号带宽只有3MHz，相对于Wi-Fi的22MHz带宽属于窄带干扰源，通过扩频技术IEEE802.11b可以充分的抑制干扰信号。

还有，ZigBee设备天线的输出功率被限制在0dBm（1mW），相对于IEEE802.11b的20dBm（100mW）相差甚远，不足以构成干扰威胁，见图5。

      实验证明，正确选择信道，增大频偏以及和干扰源保持一定距离，可以保证ZigBee和Wi-Fi系统的共存。

4.2ZigBee与蓝牙共存

      蓝牙采用FHSS并将2.4GHzISM频段划分成79个1MHz的信道，蓝牙设备以伪随机码方式在这79个信道间每秒钟跳1600次。

跳频技术的理论是根据在多组使用2.4GHz频带的系统下，这些系统仅在部分时间才会发生使用频率冲突，其他时间则能在彼此相异无干扰的频道中运作。

      ZigBee系统是非跳频系统，所以蓝牙在79次通信中才有1次会和ZigBee的通信频率产生重叠，且将会迅速跳至另一个频率。

在大多数情况下，蓝牙不会对ZigBee产生严重威胁，见图6，而ZigBee对蓝牙系统的影响可以忽略不计。

4.3ZigBee与WirelessUSB共存

      每一个WirelessUSB信道宽1MHz，将2.4GHzISM频段分割成为79个1MHz信道，这与蓝牙类似，但是WirelessUSB采用了DSSS而不是FHSS。

WirelessUSB设备具有频率捷变特性，它们虽采用“固定”信道，但如果最初信道的链路质量变得不理想，则会动态地改变信道，而ZigBee在严重干扰期间，不改变信道，它依靠其低占空比及免冲突算法来减小由于传输冲突所造成的数据丢失。

为减少干扰，WirelessUSB至少每50ms检查一次信道的噪声水平，如果和ZigBee信道重叠，WirelessUSB主设备可以选择一个新信道，所以WirelessUSB完全可以和ZigBee系统和平共处。

4.4ZigBee与其他干扰源共存

      除了上述几种无线技术标准工作在2.4GHzISM频段外，还有一些其他的干扰源，比如2.4GHz无绳电话，微波炉等。

4.4.1无绳电话（2.4GHz）

      2.4GHz无绳电话不采用标准联网技术，有些采用DSSS方式，多数采用FHSS。

采用DSSS及其他固定信道算法的无绳电话一般在电话上装有“信道”按键，使用户能手动改变信道；FHSS电话则没有“信道”按键，因为它们经常改变信道。

大多数2.4GHz无绳电话均采用5～10MHz的信道宽度，见图1，所有无绳电话都会在ISM频带产生出相当高的能量，所以它是许多RF系统的干扰源。

    如果无绳电话采用FHSS，它发出的干扰可完全中断一个ZigBee网络的工作，这是因为与蓝牙（1MHz）相比，它占用更宽的信道（5~10MHz），而且无绳电话信号具有更高的功率。

跳转到ZigBee信道中间的FHSS无绳电话可能会导致ZigBee设备重复发送数据分组，故建议在ZigBee网络以外使用这些电话。

如果无绳电话采用DSSS，则可将无绳电话与ZigBee系统所使用的信道配置成互不重叠，以消除干扰。

4.4.2微波炉

    微波炉也是这个频带中最常见的干扰来源，而且是最难以预测和最分散的RF来源。

每个微波炉输出的能源强度不尽相同，且在频带上的分布状况也不一样，某些微波炉阻隔电磁波的设计会优于其他机种。

图7显示运作中的微波炉在2.4GHzISM频带中发出的RF能源。

      实验证明[9]，微波炉和ZigBee设备距离小于1m时，约0.5%～2%的ZigBee数据帧被破坏，但当微波炉和ZigBee设备距离大于1m时，微波炉的影响就基本不存在了。

5结束语

      虽然传输功率低，调制方式也很简单，但ZigBee在2.4GHzISM频段表现出了很好的抗干扰性能，只要采取必要措施，ZigBee是可以和其他同频段系统共存的。

直接序列扩频（DSSS）

来自EEWiki.

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所谓直接序列（DS-DirectScquency）扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。

而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

直接序列扩频的原理如图所示。

例如我们用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制。

如果采用平衡调制器，则调制后的输出为二相相移键控信号，它相当于载波抑制的调幅双边带信号。

图中输入载波信号的频率为fc，窄脉冲序列的频谱函数为G（C），它具有很宽的频带。

平衡调制器的输出则为两倍脉冲频谱宽度，而fc被抑制的双边带的展宽了的扩频信号，其频谱函数为fc＋G（C）。

在接收端应用相同的平衡调制器作为解扩器。

可将频谱为fc＋G（C）的扩频信号，用相同的码序列进行再调制，将其恢复成原始的载波信号fc。

直接序列扩频的优点是：

直扩系统射频带宽很宽。

小部分频谱衰落不会使信号频谱严重的畸变。

多径干扰是由于电波传播过程中遇到各种反射体（高山，建筑物）引起，使接收端接收信号产生失真，导致码间串扰，引起噪音增加。

而直扩系统可以利用这些干扰能量提高系统的性能。

直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。

直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。

直扩和跳频系统都有很强的保密性能。

对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。

由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。

直扩系统一般采用相干解调解扩，其调制方式多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等调制方式。

而跳频方式由于频率不断变化、频率的驻留时间内都要完成一次载波同步，随着跳频频率的增加，要求的同步时间就越短。

因此跳频多采用非相干解调，采用的解调方式多为FSK或ASK，从性能上看，直扩系统利用了频率和相位的信息，性能优于跳频。

直接序列扩频通信技术特点

直接序列扩频通讯的主要技术特点是：

抗干扰性强

抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现的。

因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。

正因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。

隐蔽性好

因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电信设备构成干扰。

易于实现码分多址（CDMA）

直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？

其实正相反，扩频通信提高了频带的利用率。

正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。

充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。

发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据；同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信。

抗多径干扰

无线通信中抗多径干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。

直扩通信速率高

直扩通信速率可达2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。

在802.15.4通信标准中，要求的无线通信的速度是250Kbps,所以，CC2430高频部分也是使用这个通信速度。

直接序列扩频与跳频扩频的比较

扩频通信技术是广泛运用在公网和专网的一种无线通信技术。

扩频通信可分为直序列扩频和跳频两种。

各种扩频的机理不同。

难以断言某种扩频方式优于另外一种扩频方式，只能在一定条件下具体分析不同厂家的实际产品，下面就两种技术作一简单比较：

（1）抗衰落、特别是频率选择性衰落

　　　　直扩系统射频带宽很宽。

小部分频谱衰落不会使信号频谱严重的畸变；对于跳频系统，频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响，导致系统性能恶化。

（2）抗强的定频干扰

　　　　直扩抗干扰通过相关解扩取得处理增益到达抗干扰的目的，但如果超过干扰容限的定频干扰也会导致直扩系统的通信中断。

一般的扩频产品有多个频道（Channel）,可以在2.4G到2.4835G的范围内选择。

可以躲过这一干扰。

　　　　跳频系统靠载波的随机跳变，躲避干扰，将干扰排斥在接受通道以外达到抗干扰的目的，若调频系统的可用频道很大，在某一个频点停留时间很短，才有好的效果。

　　　　与上面第

（1）点谈到的同理，慢跳系统（一般跳次数在1000跳以下），属于跳频产品中的低端产品，因此很大程度上丧失了很多跳频技术本身所具备的特性。

　　　　慢跳频产品对窄带干扰非常敏感，举例来说，假设扩频段中有一个1MHz频宽的频点受到干扰，慢跳频产品每秒跳频100次，那么至少有一次会受到上述提到的窄带干扰，此时误码率为10-2，这么高的误码率对正常通信来说是不可用的。

只有快跳频产品才能避免窄带干扰，但成本极高，目前商用通信中还没有快跳频产品。

　　　　（3）抗多径干扰

　　　　多径干扰是由于电波传播过程中遇到各种反射体（高山，建筑物）引起，使接受端接受信号产生失真，导致码间串扰，引起噪音增加。

而直扩系统可以利用这些干扰能量提高系统的性能。

跳频系统要抗多径干扰，要求每一跳驻留的时间很短，一般要实现1M次跳/每秒，实际难以实现。

　　　　（4）同步

　　　　直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。

直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。

跳频系统的调频速率远低于直扩系统的伪随机码速率，因而对同步的要求就相对降低，同步时间就短。

直扩系统的同步时间就短、入网就快。

调频系统的同步时间在毫秒级，直扩系统的时间在秒级。

　　但这仅指两台扩频设备开机，到可以通信的时间。

　　　　（5）通信安全保密性

　　　　直扩和跳频系统都有很强的保密性能。

另外，对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。

由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。

　　　　（6）信号处理

　　　　直扩系统一般采用相关解调解扩，其调制方式多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等调制方式。

而跳频方式由于频率不断变化、频率的驻留时间内都要完成一次载波同步，随着跳频频率的增加，要求的同步时间就越短。

因此跳频多采用非相干解调，采用的解调方式多为FSK或ASK，从性能上看，直扩系统利用了频率和相位的信息，性能优于跳频。

从实现的角度看，由于相干检测需要载波恢复电路，直扩实现起来成本昂贵。

　　　　另外慢速跳频系统对于同一地区的所有微波设备都产生干扰，因为跳频系统是一种窄带产品，由于商业跳频都是慢速跳频，其瞬时单位频谱功率很高，并且会跳到ISM规定的频段中所有频谱范围内。

因此会干扰整个地区的所有同频段设备，由于，跳频在跳动中会产生严重的杂散发射，甚至会干扰受频率许可保护的其它无线电设备。

事实上跳频设备同时也会被同地区的所有跳频系统干扰。

正因为如此，实际上各个国家的无线电管理机构对于跳频的使用往往均加以各种方式的限制，如不允许跳频采用全向天线，强制要求室外应用中跳频的频率恒定（这也就完全消灭了跳频的优势），因此虽然跳频的价格极端便宜（其跳频基本电路是采用GSM手机跳频电路设计、成本相当低），实际上使用中是以严重浪费无线电频率资源为代价的的。

　　　　跳频系统的频道数不是同一概念，其相邻频道之间无隔离度的概念，因此在实际理论上是没有扩频增益的。

　　　　正是由于跳频技术本身的限制，在多次测试中跳频的传输质量均远远低于扩频。

在国内，一个北京市的用户试装一个号称3M速率，传输超过30公里的跳频无线调制解调器，实际距离仅有4公里，采用了一个高达250mW的功率放大器，测试中实际能够维持的速率仅在384kbps左右，并且随着时间和信号的变化，其设备会自行降低通信速率。

最后用户通过其它手段发现其原版英文说明书上的距离仅仅保证2公里（约3.2公里），而设备供应商竟然不提供用户手册。

　　　　在另外一次银行IP电话的测试中，跳频设备更暴露出问题，同样距离的链路，同样的IP网关，一次采用了速率号称高达2M的跳频设备，另一次采用直接序列扩频设备，而2M的跳频设备只能支持2路IP电话，而一个速率128K的直接序列扩频设备支持的同样IP电话已经超过8路。

通过协议分析仪，发现跳频链路存在着不确定的高误码率，一般在1E-5变动，因此必须依赖上层协议纠正，TCP协议可以通过重传纠正，而IP电话依赖的UDP协议不支持重传，造成了高速跳频设备几乎不能支持话音传输，最后银行的技术人员得出结论，跳频2M设备，不如直扩64M设备。

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