1 引言
為了實現(xiàn)工業(yè)、家庭和樓宇的自動化控制，將人類從有線的環(huán)境中解放出來，以取代線纜為目標，用于無線個人區(qū)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(fā)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(xiàn)。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(fā)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(shù)據傳輸速率，允許系統(tǒng)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(qū)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(lián)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(yè)等辦公區(qū)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(shù)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(lián)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(qū)域網（WPAN）的標準，采用跳頻擴頻（FHSS）方式，支持語音、數(shù)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(xiàn)有的USB2.0 相同。WirelessUSB 規(guī)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(lián)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(xié)議。
3.2 動態(tài)信道選擇
ZigBee個人區(qū)域網（PAN）中的協(xié)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(chuàng)建一個新的PAN，這樣就減少了同頻段PAN的數(shù)量，降低了潛在的干擾。如果干擾源出現(xiàn)在重疊的信道上， 協(xié)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(tǒng)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(shù)中的信道， 以便進行動態(tài)信道選擇。在有IEEE802.11b網絡活躍工作的環(huán)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(shù)，以便加強網絡的共存性能。
1 引言
為了實現(xiàn)工業(yè)、家庭和樓宇的自動化控制，將人類從有線的環(huán)境中解放出來，以取代線纜為目標，用于無線個人區(qū)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(fā)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(xiàn)。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(fā)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(shù)據傳輸速率，允許系統(tǒng)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(qū)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(lián)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(yè)等辦公區(qū)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(shù)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(lián)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(qū)域網（WPAN）的標準，采用跳頻擴頻（FHSS）方式，支持語音、數(shù)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(xiàn)有的USB2.0 相同。WirelessUSB 規(guī)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(lián)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(xié)議。
3.2 動態(tài)信道選擇
ZigBee個人區(qū)域網（PAN）中的協(xié)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(chuàng)建一個新的PAN，這樣就減少了同頻段PAN的數(shù)量，降低了潛在的干擾。如果干擾源出現(xiàn)在重疊的信道上， 協(xié)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(tǒng)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(shù)中的信道， 以便進行動態(tài)信道選擇。在有IEEE802.11b網絡活躍工作的環(huán)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(shù)，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(tài)，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：
?。?） 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(fā)射機發(fā)射功率;
Pr：接收機接收功率。
?。?）接收機靈敏度：
* IEEE 802.11b，11Mbit/s傳輸速率CCK調制：-76dBm;
* IEEE 802.15.4：-85dBm。
?。?）發(fā)射功率：
* IEEE 802.11b：14dBm。
* IEEE 802.15.4：0dBm。
?。?）接收機帶寬：
* IEEE 802.11b：22MHz。
* IEEE 802.15.4：2MHz。
?。?）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）。
?。?）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(shù)， 對于非跳頻系統(tǒng)，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(tài)
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(tǒng)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(tǒng)下，這些系統(tǒng)僅在部分時間才會發(fā)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(tǒng)是非跳頻系統(tǒng)，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(shù)情況下，藍牙不會對ZigBee 產生嚴重威脅，而ZigBee 對藍牙系統(tǒng)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(tài)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(shù)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(tǒng)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(lián)網技術，有些采用DSSS方式，多數(shù)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(shù)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(tǒng)的干擾源。
如果無繩電話采用FHSS，它發(fā)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(fā)送數(shù)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(tǒng)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。