摘 要

随着物联网的普及，无线网络技术以及无线网络产品在人们的生活中占有越来越高的比重，并且技术和产品不断的更新换代。然而有限的频谱资源是无线网络发展的一个重要问题。因为频谱资源的匮乏，势必会导致一些无线设备共用同一频谱，虽然无线传输协议都会有避免干扰的办法，但是在同一频段中干扰是不可避免的。

基于IEEE 802.11b标准的WiFi技术是当今主流的无线网络技术，现在的手机、平板、笔记本电脑等个人移动设备几乎都会支持WiFi技术。基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术是近年来慢慢崛起的无线网络技术，具有低速率、低成本、低功耗、组网简单等特点，主要应用于自动控制、自动化领域和医疗领域等等。虽然WiFi和ZigBee技术的设计初衷以及协议都不一样，但是它们都是工作在2.4GHz ISM频段，难免会有干扰。可以查到ZigBee信号对于WiFi信号的干扰几乎没有，因此本文主要研究WiFi信号对ZigBee信号的干扰，并提出用跳频的方式来避免干扰。

本文用GNU Radio以及USPR N210硬件电路来仿真。在ZigBee设备通信之前先进行频谱扫描，计算出每个信道的能量值，超过所设阈值就表示该信道忙即存在干扰，若当前信道闲，则开始通信，若当前信道忙，就切换到空闲的信道。使得ZigBee与WiFi信号得以共存。

关键词：ZigBee WiFi 干扰 共存

Abstract

With the popularity of the Internet of Things, WiFi wireless networking products and technology plays an increasingly higher proportion of people's lives, and constantly upgrading the technology and products. However, the limited spectrum resources is an important issue in the development of wireless networks. The lack of spectrum resources will inevitably lead to some wireless devices to share the same spectrum, although wireless transmission protocol, there will be ways to avoid interference, but in the same frequency band interference is inevitable.

Based on the IEEE 802.11b standard WiFi technology is the mainstream wireless networking technology, and now the phone, tablet, laptop and other personal mobile devices almost always support WiFi technology. Based on the IEEE 802.15.4 standard ZigBee technology is slowly rising in recent years, wireless network technology, with a low rate, low cost, low power, networking and simple, mainly used in automatic control, automation and medical areas etc. . While WiFi and ZigBee technologies are designed and agreements are not the same, but they are working in the 2.4GHz ISM band, it is inevitable there will be interference. ZigBee signal interference can be found for almost no WiFi signal, so the paper studies WiFi signal interference on ZigBee signals, and proposed using frequency hopping way to avoid interference.

This paper use GNU Radio and USPR N210 hardware to circuit simulation. Before ZigBee device communication we start spectrum scanning, calculate the energy value of each channel and if exceeds the threshold, the channel is busy that there is interference, if the current channel is empty, then start the communication, if the current channel is busy, switched to the idle channel. So that ZigBee and WiFi signals to coexist.

Keywords：ZigBee WiFi Interference Coexistence

目录

第1章 绪论 2

1.1 研究背景以及意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文的研究内容及章节安排 3

第2章 2.4GHz频段短距离无线通信技术 5

2.1 2.4GHz频段 5

2.2 IEEE 802.15.4（ZigBee）技术介绍 6

2.2.1 IEEE 802.15.4 (ZigBee)简介 6

2.2.2 ZigBee协议栈及其技术特点 7

2.3 IEEE 802.11b（WiFi）技术介绍 9

2.3.1 802.11系列简介 9

2.3.2 WiFi协议栈及其技术特点 10

第3章 无线异构网络的共存机制 13

3.1 GNU Radio简介 13

3.2 USRP简介 14

3.3 ZigBee通信系统仿真 15

3.3.1 ZigBee发送端 15

3.3.2 ZigBee接收端 16

3.4 频谱检测与切换模块 18

3.5 实验结果 19

第4章 总结与展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景以及意义

如今，计算机逐步小型化、无线化，各种各样的手持终端设备对因特网接入的要求越来越高，各种各样的智能网络相继提出，这些发展都急切要求信息交换以及无线通信技术的不断提高，这使得各种无线网络通信技术迅猛发展。随着短距离无线通信技术的发展，相关的应用也逐渐的涌现在我们面前。

WiFi是基于IEEE 802.11b^[1]的，是一种成熟的无线局域网通信协议,其数据传输速率可以达到11Mbps,其范围在百米左右,同时还具有成本低、可移动性、组网的灵活、快速建网等特点。这些特点可以满足人们能够在一定的区域中进行断移动办公的需求,这就为人们提供了一个较为自由、较为方便的工作空间。这有效的改变了传统的无线局域网成本高、传输速率低、产品有限等缺点。

另一个应用广泛的无线网络技术是 ZigBee 技术，ZigBee^[2]是基于IEEE 802.15.4^[3]标准的低功耗个域网协议，此协议规定了一种短距离、低功耗的无线通讯技术，具有短距离、组网简单、低复杂度、低功耗、低成本、低数据速率的特点，主要应用于自动控制和远程监控等领域，可以嵌入到各种设备。简单的说，ZigBee 就是一种低成本，低功耗的短距离无线通信网络技术。

WiFi和ZigBee 虽然分别采用了IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4标准，而且这两者的设计目的以及性能参数也都完全不一样，可是他们却共同享用主要开放给工业、科学和医学这三类机构使用的，并且无需授权的2.4GHz ISM（Industrial Scientific Medical）频段。与那些必需向政府部门提出申请才可使用相应频段的公共通信网络不同，比如蜂窝网，但是ISM 频段由于具有极大的灵活性，因此被许多无绳电话和无线局域网系统所使用。尽管ZigBee与WiFi的设计目的以及所用的设备不尽相同，但是在同一区域中使用这两种技术标准的设备共同存在的可能性还是非常大的。这两种技术的设备都是在ISM频段上工作的,彼此之间的干扰是在所难免的。如何提出合理的机制来减少IEEE 802.15.4 (ZigBee)技术在WiFi信号通信干扰下相互之间的干扰，使得ZigBee和WiFi信号可以在同一场景下实现共存，这是极为重要的研究课题。所以，本文对WiFi、ZigBee这两种短距离无线网络技术的共存形式的研究具有非常深刻的意义。

1.2 国内外研究现状

自从IEEE 802.15.4的2003版本面世以来,已经有许多学者对IEEE 802.15.4及IEEE 802.llb两个系统之间的干扰共存的问题进行了相关研究。Razvan Musaloiu-E等人的研究表明，WiFi信号的存在导致 ZigBee 网络的丢包率高达58%^[4]，对ZigBee网络的性能具有极大的影响。