电信工程技术与标准化 2006.3 标 准 与 规 范 2.4GHz 无线技术标准及 ZigBee 抗干扰性能 李 蛟 1 杨仁锟 2 肖峻 1 （1 电子科技大学光电信息学院 成都 610054） （2 成都四威电子股份有限公司 成都 610091） 摘 要 介绍了 ZigBee 和其他几种工作于 2.4GHz ISM 频段的短距离无线通信技术标准，Wi-Fi、蓝牙和无线 USB，对 ZigBee 本身的抗干扰性能以及与其他无线技术的共存进行了分析，讨论了如何保证 ZigBee 避 免干扰和改善其共存性能。 关键词 ZigBee Wi-Fi 干扰 共存 1 引言 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； 为了实现工业、家庭和楼宇的自动化控制，将人类 其次，它整体的频宽胜于其他 ISM 频段，这就提高了 从有线的环境中解放出来，以取代线缆为目标，用于无 整体数据传输速率，允许系统共存; 第三就是尺寸， 线个人区域网（WPAN，Wireless Personal Area 2.4GHz无线电和天线的体积相当小，产品体积也更小。 Network）范围的短距离无线通信技术标准得到了迅速 虽然每一种技术标准都进行了必要的设计来减小干扰的 的发展，典型技术标准有蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、 影响，但是为了能让各种设备正常运行，对他们之间的 无线 USB（WirelessUSB）、无线局域网 W i - F i 干扰、共存分析显然是非常重要的。 （IEEE 802.11b/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 2 2.4GHz 频段的无线技术标准简介 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 2.1 ZigBee/IEEE 802.15.4 种信号带宽见图 1。 蓝牙 无绳 电话 802.11b Zigbee 无线 USB 10MHz 1MHz 22MHz 1MHz 3MHz 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（LR- WPAN，Low Rate Wireless Personal Area Network）， 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 图 1 工作于 2.4GHz ISM 频段无线系统的信号比较 则是用于美国和欧洲的ISM频段，这两个频段的引入避 -31- 

标 准 与 规 范 2006.3 电信工程技术与标准化 主要工作频段 两个物理层 （PHY） 表 1 IEEE 802.15.4 特性 低频段 （BPSK 调制） 高频段 （O-QPSK 调制） 868MHz 915MHz 2.4GHz 1 个信道 -20kbit/s 10 个信道 -40kbit/s 16 个信道 -250kbit/s 信道接入方式 工作距离 地址分配 CSMA-CA >100m（室外空旷地） 8bit 短地址或 64bit IEEE 地址 免了 2.4GHz 附近各种无线通信设备的相互干扰。 和标准 / 认证过程。 2.2 Wi-Fi/IEEE 802.11b 几种 2.4GHz 频段技术标准的比较如表 2 所示。 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 3 ZigBee 技术抗干扰特性分析 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， ZigBee 技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰， Wi-Fi一般用来将计算机与本地局域网相连或直接与互 即来自共用相同频段的其他技术的干扰。 对于同频干扰 联网相连。 的抵御能力是极为重要的， 因为它直接影响到设备的性 2.3 蓝牙（Bluetooth）/IEEE 802.15.1 能。ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力就意味 一项由蓝牙特别利益小组（SIG）制定的用于无线 着能够可靠地与Wi-Fi、蓝牙、WirelessUSB以及家用 个人区域网（WPAN）的标准，采用跳频扩频（FHSS） 的无绳电话和微波炉共存。 方式，支持语音、数据传输。蓝牙可对多达 8个连接成 IEEE 802.15.4 标准中提供了很多机制来保证 皮网（Piconet）的设备以及多个连接成散射网的皮网提 ZigBee在2.4GHz频段和其他无线技术标准的共存能力。 供支持。蓝牙有79个信道，信道间隔均为1MHz。通信 3.1 空闲信道评估（CCA，Clear Channel Assessment） 距离为10～100 m。 2.4 无线 USB（WirelessUSB） IEEE 802.15.4 物理层在碰撞避免机制（CSMA- CA）中提供CCA的能力，即如果信道被其他设备占用， WirelessUSB 技术在 3m 距离的最大传输速率达 允许传输退出而不必考虑采用的通信协议。 480Mbit/s，而性能与现有的 USB2.0 相同。Wireless 3.2 动态信道选择 USB 规定 10m 的速率为 110Mbit/s，使用全球通用的 ZigBee 个人区域网（PAN）中的协调器首先要扫 2.4GHz ISM 频段，通信距离高达 10m，可连接 8 个设 描所有的信道，然后再确认并加入一个合适的PAN，而 备。WirelessUSB并非联网解决方案，因此没有相关成 不是自己去创建一个新的 PAN，这样就减少了同频段 本或功率开销，支持 USB 的即插即用，无需驱动程序 PAN的数量，降低了潜在的干扰。如果干扰源出现在重 表 2 无线技术标准（2.4GHz 频段）的比较 技术标准 对应 IEEE 标准 传输速率（bit/s） 传输范围（m） 扩频方式 功耗 适用领域 ZigBee 802.15.4 250k （2.4GHz 频段） 10～75 DSSS 很低 低数据速率静态网络、高密度 节点、稀少的控制数据传输 Wi-Fi 802.11b 11M 100 DSSS 高 数据传输 蓝牙（Bluetooth） WirelessUSB 802.15.1 1～2M 10 FHSS 低 动态互操作型网络、多路接入点、流 媒体（音频、话音）的频繁交换 —— 480M（符合 USB2.0） 10 DSSS 很低 PC 外设、多点对一点、 高速数据传输 -32- 

电信工程技术与标准化 2006.3 标 准 与 规 范 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 IEEE 802.11b 和 IEEE 802.15.4 信 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： 道算法，见图 2 和图 3 ，有 4 个 IEEE 802.15.4 信道 * IEEE 802.11b，11Mbit/s传输速率 CCK 调制: （n=15,16,21,22）落在 3 个 IEEE 802.11b 信道的频带 -76dBm； 间距上，这些间距上的能量不为零，但是会比信道内的 * IEEE 802.15.4：-85dBm。 能量低，将这些信道作为 IEEE 802.15.4网络的工作信 （3）发射功率： 道可以将系统间干扰降至最小。 Channel 1 22MHz Channel 7 Channel 13 2400MHz 2412MHz 2442MHz 2472MHz 2483.5MHz 图 2 IEEE 802.11b 信道选择（欧洲，非重叠） Channel 2MHz 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 2405 2400MHz 2410 2420 2425 2415 2430 2435 2440 2450 2460 2470 2465 2475 2480 2455 2445 2483.5MHz * IEEE 802.11b：14dBm。 * IEEE 802.15.4：0dBm。 （4）接收机带宽： * IEEE 802.11b：22MHz。 * IEEE 802.15.4：2MHz。 （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，Additive White Gaussian Noise）。 （6）误码率（BER）计算 图 3 IEEE 802.15.4 信道选择 * IEEE 802.11b，11Mbit/s 传输速率 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IEEE 802.11b网络活跃工作的环境 中建立一个 IEEE 802.15.4 网络，可以按照上述空闲信 ( BER= × 128 255 1 2 1 2 1 2 24 × Q(4 × SINR) +16 × Q(16 × SINR) +174 × Q(8 × SINR) … +16 × Q(10 × SINR) +24 × Q(12 × SINR) +Q(16 × SINR) 1 2 1 2 )1 2 道来设置信道表参数，以便加强网络的共存性能。 * IEEE 802.15.4 4 频率共存分析 ) BER= × × -1k e 8 15 1 16 Σ16 k=2 16 k( ( 20 × SINR × -1 1 k( )) 见图 4 仿真结果，反映了 P E R （分组差错率）、 4.1 ZigBee 与 Wi-Fi 共存 Separation（干扰源与接收机距离）、Foffset（频偏）三 面向自动化控制的ZigBee和无线局域网技术Wi- 者的关系，可以明显看出: 频偏和距离是两个关键参 Fi 将会在很多场合处于共存的状态，如办公室、家庭、 数， 对于非跳频系统，较大频偏（IEEE 802.11b 载波 楼宇和车间等，可以通过建立模型来仿真 IEEE 802.15.4 中心频率和 IEEE 802.15.4 载波中心频率的差值）可以 和 IEEE 802.11b 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=10 d <8m (Pt-Pr-40.2) 20 (Pt-Pr-58.5) d=8 × 10 d <8m 20 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 -33- 

标 准 与 规 范 2006.3 电信工程技术与标准化 ZigBee信号带宽只有3MHz，相对于Wi-Fi的22MHz带 速跳至另一个频率。在大多数情况下，蓝牙不会对 宽属于窄带干扰源，通过扩频技术IEEE 802.11b可以充 ZigBee 产生严重威胁，见图 6，而 ZigBee 对蓝牙系统 分的抑制干扰信号。还有，ZigBee 设备天线的输出功率 的影响可以忽略不计。 被限制在0dBm（1mW），相对于IEEE 802.11b的20dBm （100mW）相差甚远，不足以构成干扰威胁，见图5。 1.0E+00 1.0E-01 1.0E-02 R E P 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 Bit Error Rate Packet Error Rate 1.0E+00 1.0E-01 1.0E-02 R E P 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 0 . 1 Foffset=3.0MHz Foffset=22.0MHz Foffset=47.0MHz 1 10 100 Separation (m) 0.01 0 . 1 １ 10 100 Separation (m) 图 6 IEEE 802.15.4 接收机，IEEE 802.15.1 为干扰源 图 4 IEEE 802.15.4 接收机，IEEE 802.11b 为干扰源 4.3 ZigBee 与 WirelessUSB 共存 1.0E+00 1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 R E P 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 0 . 1 Rcvr=802.1b(1Mbit/s) Foffset=3.0MHz Rcvr=802.1b(5.5Mbit/s) Foffset=3.0MHz Rcvr=802.1b(2Mbit/s) Foffset=3.0MHz0 Rcvr=802.1b(1Mbit/s) Foffset=3.0MHz Rcvr=802.1b(1Mbit/s) Foffset=22.0MHz Rcvr=802.1b(5.5Mbit/s) Foffset=22.0MHz Rcvr=802.1b(2Mbit/s) Foffset=22.0MHz Rcvr=802.1b(1Mbit/s) Foffset=22.0MHz Rcvr=802.1b(1Mbit/s) Foffset=47.0MHz Rcvr=802.1b(5.5Mbit/s) Foffset=47.0MHz Rcvr=802.1b(2Mbit/s) Foffset=47.0MHz Rcvr=802.1b(1Mbit/s) Foffset=47.0MHz 1 10 100 Separation (m) 每一个 WirelessUSB 信道宽 1MHz，将 2.4GHz ISM频段分割成为79个1MHz信道，这与蓝牙类似，但 是 W i r e l e s s U S B 采用了 D S S S 而不是 F H S S 。 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 图 5 IEEE 802.11b 接收机，IEEE 802.15.4 为干扰源 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。 实验证明，正确选择信道，增大频偏以及和干扰源 4.4 ZigBee 与其他干扰源共存 保持一定距离，可以保证ZigBee和Wi-Fi系统的共存。 除了上述几种无线技术标准工作在2.4GHz ISM频 4.2 ZigBee 与蓝牙共存 段外，还有一些其他的干扰源，比如2.4GHz无绳电话， 蓝牙采用 FHSS 并将 2.4GHz ISM 频段划分成 79 微波炉等。 个 1MHz 的信道，蓝牙设备以伪随机码方式在这 79 个 4.4.1 无绳电话（2.4GHz） 信道间每秒钟跳 1600 次。跳频技术的理论是根据在多 2.4GHz 无绳电话不采用标准联网技术，有些采用 组使用 2.4GHz频带的系统下，这些系统仅在部分时间 DSSS方式，多数采用FHSS。采用DSSS及其他固定信 才会发生使用频率冲突， 其他时间则能在彼此相异无干 道算法的无绳电话一般在电话上装有“信道”按键，使 扰的频道中运作。 用户能手动改变信道；FHSS电话则没有“信道”按键， ZigBee 系统是非跳频系统，所以蓝牙在 79次通信 因为它们经常改变信道。大多数2.4GHz无绳电话均采 中才有1次会和ZigBee的通信频率产生重叠，且将会迅 用 5～10MHz 的信道宽度，见图 1，所有无绳电话都会 -34- 

电信工程技术与标准化 2006.3 标 准 与 规 范 在ISM频带产生出相当高的能量，所以它是许多RF系 实验证明[9]，微波炉和ZigBee设备距离小于1m时， 统的干扰源。 约0.5%～2%的ZigBee数据帧被破坏，但当微波炉和ZigBee 如果无绳电话采用FHSS，它发出的干扰可完全中 设备距离大于 1m 时，微波炉的影响就基本不存在了。 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 5 结束语 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， 虽然传输功率低，调制方式也很简单，但ZigBee在 故建议在 ZigBee 网络以外使用这些电话。如果无绳电 2.4GHz ISM频段表现出了很好的抗干扰性能，只要采 话采用DSSS，则可将无绳电话与ZigBee系统所使用的 取必要措施，ZigBee是可以和其他同频段系统共存的。 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。 AT LG dB 04∶21∶13 NOV 10 2000 REF .8 dB PEAK LOG LG dB/ SUEEPTIME 500 NSOD NA SB SC FS CORR AUTO NGN SHEEP CONT SGL GATE ON OFF GATE Conlrol START 2.40000GHz RES DN 1.0MHz VBH 800kHz STOP 2.48000GHz HSHP 500 nsOO RL 图 7 微波炉的频谱图（截取周期 500ms） 图 7 显示运作中的微波炉在 2.4GHz ISM 频带中 发出的 RF 能源。 参考文献 [1] www.zigbee.org [2] ZigBee Alliance, ZigBee specification v1.0, http://www.zigbee.org/), 2004 [3] IEEE Std.802.15.4, IEEE Standard for Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), 2003 [4] IEEE Std.802.11, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification, 1997 [5] IEEE Std.802.15.1, IEEE Standard for Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs), 2002 [6] Wooding R W, Gerrior M. 避免 2.4GHz ISM 频段各种类型无线设备干 扰的技术. 电子工程专辑 http://www.eetchina.com, 2005 [7] Cypress 柏士半导体. 防止 2.4GHz ISM 频带的干扰. 电子与电脑， August, 2004 [8] Freescale Semiconductor Application Note AN 2935, MC1319x Coexistence, Rev. 1.2, 07/2005 [9] Sikora A. Coexistence of IEEE802.15.4 (ZigBee) with IEEE 802.11 (WLAN), Bluetooth, and Microwave Ovens in 2.4 GHz ISM Band. Web document, http://www.ba-loerrach.de/stzedn/, 2004 [10] 彭瑜. 低功耗、低成本、高可靠性、低复杂度的无线电通信协 议— ZigBee. 自动化仪表，2005 年，26（5）. 1-4 Anti-interference Performance of ZigBee and Analysis of the Mechanism of Coexistence in 2.4GHz ISM Band Li Jiao1 Yang Renkun2 Xiao Jun1 (1 School of Opto-electrical Information, University of Electronic Science & Technology, Chengdu 610054) (2 Chengdu SIWI Electronic CO., LTD., Chengdu 610091) Abstract ZigBee and several other short range wireless techniques are introduced, Wi-Fi, bluetooth and wirelessUSB, they worked in the same 2.4GHz frequency band. Analyzed the anti-interference performance and coex- istence mechanism of ZigBee, methods for avoiding interferences and for improving coexistence are also discussed. Keywords ZigBee, Wi-Fi, interference, coexistence -35-