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外文文献翻译

关于ZigBee，蓝牙和Wi-Fi无线技术在同一器件上共存的综述与评价

R. Challoo^a, A. Oladeinde^a, N. Yilmazer^a, S. Ozcelik^b, L.Challoo ^c

^aDepartment of Electrical Engineering and Computer Science ^bDepartment of Mechanical and Industrial Engineering ^cCollege of Graduate Studies and Department of Educational Leadership amp; Counseling Texas Aamp;M University-Kingsville, 700 University Blvd., Kingsville, TX 78363, USA

摘要：Wi-Fi，ZigBee和蓝牙无线通信系统利用了工业科技和医疗（ISM）上的频段，这些系统都工作在相同或者非常接近的频段上，这也导致它们之间的相互干扰较高。干扰的强弱随着设备的共存（相同设备上使用的技术）而增大。这主要取决于各种技术的特点，例如接入机制，帧结构，峰值发射功率和操作频率。这项工作描述了Wi-Fi之间的干扰主要是蓝牙和ZigBee无线网络的攻击者。因此，我们假设这三种技术在家庭环境中共存，并对其进行实验分析，尤其是当ZigBee启用家庭自动化网络时，Wi-Fi和蓝牙设备可能非常接近，比如PDA和手机。实验得到的结果表明，在Wi-Fi运行时，ZigBee和蓝牙包传输以及ZigBee包重传严重恶化。

关键词：Wi-Fi，ZigBee，蓝牙，ISM，入侵者，家庭自动化网络，PDA

1. 简介

由于其低功耗和低成本，ZigBee（IEEE 802.15.4）正在为无线传感器网络（WSN）建立一个支持场所，特别是在家庭自动化网络的应用中。其较低的功率易受其他具有较高功率和工作频谱的无线技术的影响。这是无线技术之一，它共享个人广域网专用的未经许可的ISM频段。然而，蓝牙（IEEE 802.15.1）和Wi-Fi（IEEE 802.11）与ZigBee共享相同的未经许可的频段，并且经常遇到相互干扰问题，尤其是在接近的情况下。自适应跳频是一种扩频技术，引入到蓝牙技术中以减轻它与Wi-Fi之间的干扰以及存在于相同频谱中的任何其他技术的问题[1]。根据[2]，[3] IEEE 802.15.4对IEEE 802.11性能有一点影响。但是，如果未仔细考虑通道分配，IEEE 802.11可能会对ZigBee和蓝牙性能产生严重影响。这些技术之间的相互干扰被认为是一个热门话题，尤其是那些频谱足够接近可能导致干扰的技术（lt;50MHz信道分离）。为了找到减少使用同一频谱技术的设备之间的干扰的最佳实践进行了研究。本文描述了IEEE 802.11 Wi-Fi标准的现有工作和实验结果，以及ZigBee和家庭环境中蓝牙技术的干扰，ZigBee支持家庭自动化，而Wi-Fi和蓝牙设备如PDA和移动设备手机，游戏设备与它共存于同一家庭中。

1. 技术概述

对三种技术的简要概述。 还讨论了全面理解这项研究所需的三种技术的方面，例如信道数量，传输功率，调制类型和接入方案。

• 1. Wi-Fi

IEEE 802.11网络是无线局域网（WLAN）的规范。在其低带模式下，IEEE 802.11（b，g，n）传输数据从11 M bps到54M bps，在室内传输距离为32米，在室外传输距离高达95米[11]。与802.11a或802.11g相比，IEEE 802.11n标准使用的频谱是无线电频谱的两倍。然而，IEEE 802.11a，c传输数据高达G bps，并且可能超过b和g技术的两倍以上。低频段Wi-Fi在ISM 2.4 GHz频段中传输，而高频段在5 GHz频段中传输。 BPSK和QPSK数字调制技术用于传输高达54 M bps的数据，而ISM频段中的每个通道均为22 MHz宽，并且重叠。 频道号相差五个或更多的任何两个频道不重叠。Wi-Fi的增强全向辐射功率（EIRP）限制在20dBm（100mW）[11]。

• 1. 蓝牙

IEEE 802.15.1标准是用于在短距离内交换数据的专有开放无线技术标准。 它使用2400-2480 MHz的短波长无线电传输ISM频段。它有望在无线个人局域网WPAN方面取代电缆技术。蓝牙无线电采用跳频扩频-FHSS。它占据整个ISM频段，从而利用79个每个带宽为1MHz的频带。蓝牙技术采用GFSK，EDR，pi;/4-DQPSK和8DPSK调制方法。这项技术的传输距离与传输功率有关。100mW输出功率的Class1设备传输距离长达100米，而25mW输出功率的设备传输距离为10米[11]。

• 1. ZigBee

该标准适用于低成本，低功耗的数字无线电，并且已经在家庭自动化，电信服务，医疗保健和远程控制等领域得到应用，这里只举一部分。与Wi-Fi和蓝牙技术类似，ZigBee也工作在ISM无线电频段。数据传输速率为250Kbps[6]。ZigBee（IEEE 802.15.4）技术为低速率无线PAN指定了物理和媒体接入控制层，并传输距离可达10米[7]。该规范在2.4 GHz频段中定义了16个通道，但是具有2 MHz的较窄频带并且不重叠。因此，多达16个ZigBee网络可以在同一个区域共存。最新的ZigBee版本支持“ZigBee Pro”标准中的跳频。这允许ZigBee PAN在前通道发生过载时从一个通道移动到另一个通道[6]。通信模型要求它将工作分布在许多不同的设备中，这些设备驻留在各个ZigBee节点内，这些节点又构成一个网络。

• 1. 信道，频率和调制

ZigBee通道宽度为2 MHz，与具有22 MHz带宽的Wi-Fi通道相反。蓝牙通道宽度为1 MHz，占用整个可用频谱，并具有高跳频率。图1显示了ZigBee和Wi-Fi信道在2.4 GHz ISM频段上的分配情况。Wi-Fi单个频道重叠四个ZigBee频道，而三个最常用的非重叠Wi-Fi频道是频道1,6和11，这使得ZigBee频道的频道25和26不受干扰。此外，Wi-Fi输出的最大允许发射功率可能高达ZigBee最大允许功率的100倍，这也可能成为Wi-Fi和ZigBee共存困难的另一个方面。

_{图1：通过ISM频段分配ZigBee和Wi-Fi频道[11]}

1. 蓝牙和Wi-Fi干扰案例

如果蓝牙和Wi-Fi系统在移动设备中很靠近同时工作，则它们将彼此交互（碰撞），引入干扰以致于得到不理想的效果，这会致使无线通信系统的整体性能恶化。每次传输的边带也必须考虑在内。当满足以下任一条件时，蓝牙和Wi-Fi之间会存在干扰：

（1）Wi-Fi接收器在发送Wi-Fi信号的同时感应蓝牙信号。当蓝牙信号在Wi-Fi接收器的22 MHz宽的通带内时，效果最为明显。

（2）蓝牙接收器在发送蓝牙信号的同时感应Wi-Fi信号;当Wi-Fi信号处于蓝牙接收器的通带内时，效果最为明显。

值得注意的是，无论是蓝牙还是Wi-Fi，都没有设计出特定的机制来解决双方为另一方创建的干扰。作为一种快速跳频系统，蓝牙认为它将跳出占用的信道，将其受到的干扰降至最低。基于以太网协议的Wi-Fi MAC层假定许多站点共享相同的介质，因此，如果传输失败，这是因为两个Wi-Fi站点试图同时进行传输。本报告考察了这种假设如何推动实际上恶化蓝牙干扰影响的系统行为。

1. 自适应蓝牙解决方案

为了减轻ISM频段干扰的潜在问题，蓝牙技术联盟正在讨论几种自适应技术[8]。

• 1. 自适应跳频

这涉及蓝牙跳频序列的改变以允许在ISM频带中更灵活地使用。蓝牙设备必须跳过所有70个信道，不管在ISM频段上运行的另一项技术是否已占用该频段的一部分。它在过程中引入了一定程度的智能，以便蓝牙设备能够分析可用频谱并将传输转向那些不会遇到干扰的通道，或者在占用一部分频段时不会对其他设备造成干扰的通道。

• 1. 传输功率控制

这涉及调整ISM频带中使用的设备的发射功率。这项技术背后的推理是基于常识。以高于满足预定级别的可接受数据完整性所需最低级别的功率传输数据不必要地对该频带中的其他用户造成干扰。注意是通过以高于所需最小功率的较高发射功率而获得的，这将导致与该区域中的其他设备的干扰。目前的蓝牙标准要求-70dBm的接收机灵敏度较差。更敏感的接收机将允许降低发射功率电平，同时保持可接受的信噪比，这将提高系统的共存性能。自适应功率控制还可以降低蓝牙设备的整体功耗。

• 1. 数据包类型的自适应选择

正在传输的蓝牙包的类型也会影响共存性能。数据包可以承载各种有效载荷，具体取决于数据包中“插槽”的数量。根据蓝牙规范，数据包可以占用一至五个时隙。在携带10倍数据的同时，具有5个插槽的蓝牙包将保留在特定频道上，频率比单插槽数据包长5倍，这增加了该数据包对于干扰的脆弱性，并增加了与其他分享频率。发射机能够进行动态分组类型选择，从而确定将确定干扰存在的位置和时间，并相应地调整蓝牙分组类型。因此，如果获得一个信道，可以传输更多的数据，而较短的数据包类型可以帮助改善当周围区域的干扰达到数据包损坏不可接受的程度时的状况。研究表明，较短的蓝牙数据包可以在有干扰的环境中提高数据吞吐量。

1. 802.11解决方案

802.11解决方案也与自适应蓝牙技术类似。如前面第四节所述，在上面的图1中配置了以通道1,6和11为中心的三个通道。一个802.11接入点通常会被分配给一个特定的信道，如果没有局域网管理员的干预，这个接入点不会改变。然而，动态信道选择将允许接入点本身随时确定哪个信道最适合于通信。通过检测Wi-Fi信道上的干扰，可以避免高噪声信道。多路径传播和符号间干扰被监测，并且可以形成动态信道选择的基础。

自适应数据包分段是Wi-Fi应对共存干扰的另一种技术。这是因为802.11b分组的长度不需要是每个传输的最大长度，可以使用分段的缩短分组来克服共存干扰的影响。在分组长度较短的情况下，当分组传输由于干扰而失败时，必须重传较少的数据。

类似地，传输功率控制也可以最小化对频带中的其他用户造成的干扰。这里，最佳传输功率将是维持数据完整性的预定义水平所需的最低水平。

1. ZigBee解决方案

当试图弥补ZigBee与其他共享相同频谱的设备之间的干扰问题时，最困难的事情是由于其物理层的差异。ZigBee设备有两种方式可以在802.11和蓝牙设备之间进行干预，这些设备可以在同一频谱上运行。第一种方法是发送802.11或蓝牙分组，指示该分组将具有非常长的持续时间，允许ZigBee在其中802.11或蓝牙设备将睡眠的这个时段期间发送。第二种方法是使用请求发送（RTS）或清除发送（CTS）消息来清除802.11或蓝牙流量。这是基于这样的理论：发送CTS消息将阻止所有802.11或蓝牙设备在指定的时间段内发送。因此，这两种解决方案的目标是暂时阻挡802.11或蓝牙消息一段足够长的时间窗口，以至于ZigBee设备可以成功传输消息，从而解决干扰问题[9]

1. 共存测试

由于蓝牙设备跳频超过79MHz的ISM频段，因此Wi-Fi设备需要大约16MHz的带宽才能运行，ZigBee在ISM频段有16个网络，带宽为2MHz，可以使用蓝牙，ZigBee和Wi-Fi产品在同一地区干扰低。由于这种干扰，与实际的ZigBee，蓝牙和Wi-Fi产品一起运行共存测试，以确定它们的共存水平。

• 1. 测试设置

吞吐量测试使用Wi-Fi接入点和电台进行。两台启用蓝牙功能的笔记本电脑用作蓝牙测试的主从设备，同时使用两台使用ZigBee的设备。该测试旨在获得与实际情景相对应的经验数据吞吐量结果。

执行基线测试以确定Wi-Fi和蓝牙网络的最大吞吐量。图2显示了当数据在指定距离从接入点传输到站点时获得的Wi-Fi基线。结果表明，该设备的连接速度保持在5.5Mbps以上，最大距离为250英尺[10]

_{图2：Wi-Fi基线吞吐量[10] 图3：蓝牙基线吞吐量[10}

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