第 27 卷 第 18 期 No. 18 Vol. 27 计算机工程与设计 Computer Engineering and Design 2006 年 9 月 Sept. 2006 Zigbee 和 Wi-Fi 的干扰和共存 陈 聪， 冯玉林， 施惠昌 (上海大学 通信与信息工程学院，上海 200072) 摘 要：Zigbee 是近年来出现 的一种新兴的短 距离无线通信技 术，它采用了 IEEE802.15.4 标准作为其物理 层和媒体接入 层规 范，具 有低功耗、低成 本和低复杂度的 特点。它和 Wi-Fi 有着不同的 应用空间，主要 适用于自动控制 、远程监控等领域 ，是 Wi- Fi 的有效补充。但是由于 它们使用的是相 同的频段，不可 避免地会出现相 互之间的干扰 。对 Zigbee 和 Wi-Fi 的主要特性 作了 比较 ，分析了两者产 生干扰的原因 ，在室内环境下 具体分析了 Zigbee 对 Wi-Fi 的干扰情 况，并且提出了 两者共存问题 的解 决方 法。 关键 词：Zigbee； Wi-Fi； 干扰； 共存； 无线个 人局域网 中图 法分类号：TN925.93 文献标识码：A 文章编号 ：1000-7024 (2006) 18-3397-03 Interference and coexistence between Zigbee and Wi-Fi (School of Communication and Information Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China) CHEN Cong， FENG Yu-lin， SHI Hui-chang Abstract：Zigbee is a recently developed short-distance wireless communication technology. It defines the network for the MAC and PHY Specifications of IEEE 802.15.4 and has the characters of low power consumption, low cost and low complexity. Zigbee and Wi- Fi have different applications. Zigbee fits the applications of auto control and remote monitor, and it is an effective complementarity for Wi-Fi. Due to using the same frequency band, it is not avoid that there exists interference between them. Zigbee is compared with Wi- Fi on the main characters, the interference reason of them is presented, and the impact of the interference on performance between Zigbee and Wi-Fi is analysed in the indoor environment in detail. At last, several solutions for improved coexistence are presented. Key words： Zigbee; Wi-Fi; interference; coexistence; WPAN 0 引 言 继无线局域网(WLAN)和无线城域网(WMAN)之后，便携 式技术产品的发展和应用需求的迅速增长，促进了新的无线 个人局域网(WPAN)的诞生，使无线接入的产业链更加完善。 Zigbee 是新近推出的一个低数据率的无线通信技术。它 具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，主要适用于自动 控制、远程监控等领域[1]。Zigbee 联盟在制定 Zigbee 标准时，采 用了 IEEE802.15.4 作为 其 物 理 层和 媒 体 接 入层 规 范。基 于 IEEE802.15.4 标准的 Zigbee 通信模块，可嵌入到各种设备当中， 成本将有望控制在 1.5 美元到 2.5 美元之间，有着广泛的应用 前景。据美国 In-Stat/MDR 预测，2008 年出货量将超过 1.5 亿个。 基于 IEEE802.11b 标准的 Wi-Fi 是当今无线局域网的主流 技术，而随着低速率应用市场需求的不断增长，Zigbee 和 Wi- Fi 系统共处 的可能性越 来越大。但由 于两者都主要 工作在 2.4 GHz 的 ISM 频段，它们不可避免地会产生相互干扰，可见 Zigbee 和 Wi-Fi 之间的共存是一个亟需解决的问题。目前国 内还没有相关的研究文献，文章下面初步分析了 Zigbee 对 Wi- Fi 的干扰情况，并提出了共存的解决方法。 1 Zigbee 和 Wi-Fi 的主要特性比较 低速率、低功耗的 Zigbee 有着特定的应用空间，是 Wi-Fi 的有效补充，两者的主要性能参数如表 1 所示[2,3]。 表 1 Zigbee 和 Wi-Fi 的主要特性 调制方式 节点数 数据率 传输范围 电池寿命(days) 系统资源要求 成本 应用 Zigbee DSSS 64 000 Wi-Fi DSSS 32 10 Kb/s~250 Kb/s 11 Mb/s 70 m~300 m 100~1 000+ 4 Kb~32 Kb 低 监控 100 m 0.5~5 1 Mb+ 高 互连网连接视频传输 收稿日期：2005-07-06。 基金项目：上海市科技攻关基金项目 (045115012)。 作者简介：陈聪 (1980－)，江西玉山人，硕士研究生，研究方向为无线通信、Ad Hoc 网络； 冯玉林 (1981－)，湖北黄岗人，硕士研究生，研 究方向为无线通信技术； 施惠昌 (1946－)，上海人，研究员，博士生导师，研究方向为无线通信、Ad Hoc 网络。 － 3397 － 

2 干扰分析 2.1 背 景 Zigbee 工作在工业科学医疗(ISM)频段，定义了两个物理 层，即 2.4 GHz 频段和 868/915 MHz 频段物理层，而 868 MHz 和 915 MHz 的 ISM 频段分别只在欧洲和北美有，所以其主要工 作于全球范围内免许可证的 2.4 GHz 的 ISM 频段。必然会与 工作在该频段的 Wi-Fi 产生相互干扰。 Zigbee 的底层标准把 2.4 GHz 的 ISM 频段划分为 16 个信 道，每个信道带宽为 2 MHz，如图 1 所示[4]。Wi-Fi 将该频段划 分为 11 个直扩信道，系统可选定其中任一信道进行通信，信 道带宽为 22 MHz，所以 11 个信道有重叠，无重叠的信道最多 只有 3 个，如图 2 和图 3 所示。显而易见，假定 Wi-Fi 系统工 作在任一信道，则 Zigbee 和其信道频率重叠的概率为 1/4。当 Zigbee 和 Wi-Fi 同时使用相同频段通信时，产生带内有色噪声 干扰，导致传输分组冲突。 2.2 Zigbee 对 Wi-Fi 的 干 扰分 析 本节将分析在频偏为零的同信道条件下 Zigbee 对 Wi-Fi 的干扰。假设一室内环境下的 Zigbee 和 Wi-Fi 设备节点如图 4 分布。每个 Zigbee 节点呈独立一致性均匀分布，其处于活动 状态的概率为 [ ]，分布密度为 D。假设有 个 Zigbee 节点会 产生对 STA 有效的干扰，则分组冲突概率 [ ]为 2 =1 1 本文室内路径损耗选用对数距离模型 = 0 +10 log10 + 0 其中：— — 依赖于周围环境， — — 零均值的高斯分布随机变 量，0— — 近地参考距离。 STA 的 SIR 低于 的区域百分比)，如果在半径 范围内导致 SIR 低于阈值 的概率为 = 1 < ，则 < 2 0 0 2 。 0 +10 log10 0 +10 log10 + + 0 0 这里 = = 1= 其中： — — AP 的传输功率， — — Zigbee 的传输功率。 则对数正态分布变量 SIR 的均值为 = +10 log10 其方差为 。 < = 2，= 10 log10 / = 1 2 1 2 2，则 = 1 2 2 1 2 0 用 = + log10 = 1 2 1 / 替换上式，经推导得 +exp 1 2 2 1 ，假 设 = / 。 + 1 由此，Zigbee 节点有效干扰区域面积为 = 2 ，只要 SIR 低于 ，Zigbee 节点就可对 STA 产生有效干扰，根据文献 [6]，可令 ，则 = 2exp 则 =1 1 log10 50 log10 2 2 10 。 针对上述模型做定性分析，由于 Zigbee 底层协议 IEEE802. 15.4 中有着特殊的睡眠机制，节点处于活动状态的概率一般 小于 1 %[4]，可取为 10dBm[7]，AP 和 Zigbee 的传输功率分别为 14 dBm 和 0 dBm[4]。 根据文献[5]和[6]，对于一个半径为 R 的覆盖区，假设 STA 的 SIR 的阈值为 (如果 Zigbee 节点要对 STA 产生有效的干扰 ， 使其 SIR 必须小于 )，则有效干扰区域的百分比为 (即对于 根据文献 [6]，分组出错率的期望 = ，分组冲突 概率越大，相应的分组出错率也越大。从图 5 可以看出，随 AP 和 STA 的距离 以及 的增大，系统的性能越差。 Channel 2 MHz 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 R d r 2405 2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450 2455 2460 2465 2470 2475 2480 2400 MHz 2453.5 MHz IEEE802.15.4 节点; STA; AP 图 1 Zigbee 信道在 2.4 GHz 频段上分布 Channel 1 22 MHz Channel 6 Channel 11 图 4 室内环境下 Zigbee 和 Wi-Fi 设备节点分布 2400 MHz 2412 MHz 2437 MHz 2462 MHz 2483.5MHz 图 2 Wi-Fi 信道在 2.4 GHz 频段上分布 (无重叠，北美) Channel 1 22 MHz Channel 7 Channel 13 2400 MHz 2412 MHz 2442 MHz 2472 MHz 2483.5 MHz 图 3 Wi-Fi 信道在 2.4 GHz 频段上分布 (无重叠，欧洲) － 3398 － ] C [ P 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 2 4 6 8 12 10 d (m) 14 16 18 20 (n=3.3 D=1/16 nodes/m )2 =6; =8; =10 图 5 Wi-Fi 在 Zigbee 干扰 下的分组冲突概率 

3 共存问题解决 占用同一信道，减小干扰。 3.2.3 功 率 控 制 共存一般可认为不同无线系统实现共处而不明显相互影 信噪比越高，分组丢失率也就越高。可以考虑降低无线 响性能。类似 IEEE802.15.2 规定的，共存方案在此也可分为协 作方式和非协作方式两种[8]。 对于协作方式，系统间可以进行信息交换从而能减少互 系统发射功率来削弱相互干扰，有效提高无线通信系统吞吐 量。Zigbee 和 Wi-Fi 都属于近距离通信，采用功率控制技术也 是克服相互干扰的有效手段之一。 相之间的干扰。对于非协作方式，两个系统不能够进行信息 交换，只有监测到干扰存在时才做调整减少干扰程度。它们 4 结束语 都有各自的应用范围，其中，协作方式最主要应用于同一设备 中存在 Zigbee 和 Wi-Fi 两种装置的情况。在实际应用环境中， 将会有许多 Zigbee 和 Wi-Fi 装置同时存在，且存在于不同设备 中，这就需要非协作方式减小干扰。 3.1 协 作 方 式 在此方式下我们可采用时序控制，在MAC 层加入一个中 央控制器，监控 Zigbee 和 Wi-Fi 的业务分布，并允许它们的信 息进行交互，任一装置需要传输数据时先向中央控制器申请 时隙，控制器根据特定算法统一分配时隙，并将分配情况反馈 给申请装置。这样，就可以对分组的业务做出合理准确的安 排，每一时刻只有一种装置工作，从而避免两种装置的干扰。 由于 Zigbee 支持休眠模式，在大部分时间处于非工作状态，可 以减小控制器执行的复杂度。 3.2 非 协 作 方 式 3.2.1 自 适 应 调 整 分 组 大小 Zigbee 和 Wi-Fi 两种无线通信技术的应用满足了人们生 活的不同需求，但相互间的干扰抑制了两种设备的同时应用 的发展空间，控制干扰有着重要的意义。随着共存解决办法 的提出，相信不久的将来，人们可以自由同时享用两种无线技 术带来的便利。 参考文献: [1] 王锐华,于全.浅析 ZigBee 技术[J].电视技术, 2003,6(6):33-35. [2] ZigBee Alliance. Emerging standards -where does ZigBee fit [3] [4] [EB/OL].http://www.zigbee.org/en/resources. IEEE Std 802.11b.Part 11:Wireless LAN medium access control (MAC)and physical layer(PHY)specifications[S]. 2001. IEEE Std 802.15.4.Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for low-rate wireless per- sonal area networks (LR-WPANs)[S]. 2003. 显而易见，分组越长，相互干扰的可能性就越大。通过减 [5] Theodore S Rappaport.无线通信原理及应用[M].北京:电子工 少彼此的分组大小，在一定范围内可以减小受到干扰的可能 业出版社, 1998. 性。但是分组长度太小，则发送同样数据所需次数增加，也就 [6] Howitt I.WLAN and WPAN coexistence in UL band [J].Tran- 相应增加了报头开销的总量，并且，Zigbee 和 Wi-Fi 的下面 MAC 层都采用了 ACK 机制，这也导致了确认开销的增加，整 体的系统性能就会有一定程度的下降。 3.2.2 动 态 信 道 分 配 在无线局域网中，避免干扰的最佳方法就是尽量选择不 被其它设备占用的信道。在设备工作时，可以对 ISM 频段进 行扫描，根据具体的判断标准动态选择最佳的传输信道，避免 sactions on Vehicular Technology, 2001,50(4):1114-1124. [7] Kamerman A.Coexistence between bluetooth and IEEE 802.11 CCK solutions to avoid mutual interference[Z].Lucent Techno- lo-gies Bell Laboratories, 1999. IEEE Std 802.15.2. Coexistence of wireless personal area net- works with other wireless devices operating in unlicensed fre- quency bands[S]. 2003. [8] (上接第 3396 页) 参考文献: [6] 陶世群.分布式数据库系统中的设计方法和技术[J].吉首大学 学报, 2001,22(3):61-63. [1] 李清宇. 芦岭矿难的偶然与必然 [EB/OL] . [7] 张峻,徐卫东,钟华.数据库应用系统的层次化设计方法与实现 =4255. [J].计算机工程与设计, 2004,25(9):1557-1559. [2] Frederick P,Brooks J R. The mythical man-month[M].北京:中国 电力出版社, 2003. [8] 范丽敏,张春海.非实时连接分布式数据库一致性维护策略[J]. 计算机工程与设计, 2004,25(1):102-104. [3] CNET Networks Inc. 数据库设计指南 [EB/OL]. [9] 郑振楣, 于戈, 郭敏. 分布式数据库 [M]. 北京: 科学出版社, [4] 黄洪. PowerBuilder 数据窗口打印控制技术及通用打印模块 [10] 崔巍,林小茶,杨晏文. PowerBuilder 8.0 高级应用技术[M].北 的设计[J].计算机应用, 2002,22(2):93-94. 京:清华大学出版社, 2002.38-238. [5] 安世虎.MIS 软件开发关键技术综合研究[J].计算机工程与设 [11] 袁刚,黄辉,李雪.PowerBuilder 高级开发技术[M].北京:电子工 计, 2002,23(6):10-13. 业出版社, 1999.16-118. 2000.102-120. － 3399 －