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2.4GHz无线技术标准及ZigBee抗干扰性能

2010-12-21 15:55
安娜PARKER
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  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,Wireless Personal Area Network)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(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

  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。

  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。

  2 2.4GHz 频段的无线技术标准简介

  2.1 ZigBee/IEEE 802.15.4

  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,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。

  2.2 Wi-Fi/IEEE 802.11b

  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)/IEEE 802.15.1

  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10~100 m。

  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2.4GHz ISM 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。

  3 ZigBee 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。

  IEEE 802.15.4 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,Clear Channel Assessment)

  IEEE 802.15.4 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IEEE 802.11b 和IEEE 802.15.4 信道算法 ,有4个IEEE 802.15.4 信道(n=15,16,21,22)落在3 个IEEE 802.11b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IEEE 802.15.4 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。

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