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如何避免2.4GHz ISM頻段下各種無線設(shè)備的干擾
作者：Mark Gerrior&Ryan Winfield Woodings
來源：我愛研發(fā)網(wǎng)
日期：2009-03-10 14:44:33
摘要：隨著越來越多的公司生產(chǎn)使用 2.4GHz 頻段的產(chǎn)品，設(shè)計人員必須處理來自其他信源的更多信號。管理免許可頻段的規(guī)定表明，您的設(shè)備必須考慮干擾問題。
隨著越來越多的公司生產(chǎn)使用 2.4GHz 頻段的產(chǎn)品，設(shè)計人員必須處理來自其他信源的更多信號。管理免許可頻段的規(guī)定表明，您的設(shè)備必須考慮干擾問題。
設(shè)計人員如何使處于這種苛刻條件下的 2.4 GHz 解決方案獲得最大性能呢？產(chǎn)品往往在受控的實驗室環(huán)境下工作得很好，但在現(xiàn)場卻會由于受到其它2.4GHz解決方案的影響而使性能顯著下降。目前，2.4 GHz 頻段下存在 Wi-Fi、藍牙和 ZigBee 等不同標(biāo)準(zhǔn)，絕大多數(shù)產(chǎn)品是以標(biāo)準(zhǔn)制定者所提供的方法來實現(xiàn)，不過，通過控制協(xié)議，設(shè)計人員能通過一定的措施將其他信號源的干擾問題降至最低。
在本文中，我們將探討 2.4 GHz 無線系統(tǒng)中的各種干擾控制技術(shù)，并介紹如何運用低級工具實現(xiàn) 2.4 GHz 設(shè)計方案中的頻率穩(wěn)定性。
Wi-Fi
跳頻擴頻(FHSS)和直接序列擴頻(DSSS)是兩種免許可 2.4 GHz ISM 頻段中射頻調(diào)制的方法。藍牙使用FHSS，而 WirelessUSB、802.11b/g/a(也就是常說的 Wi-Fi)和802.15.4(與上層網(wǎng)絡(luò)層相結(jié)合時稱作ZigBee)則使用 DSSS。所有這些技術(shù)都工作于全球通用的 ISM 頻段(即 2.400"2.483 GHz)(見圖 1)。
Wi-Fi 使用 DSSS 技術(shù)，每個通道的帶寬為 22 MHz，故允許同時采用三個均勻分布的通道而不會互相重疊。每個 Wi-Fi 接入點使用的通道均需手動配置；Wi-Fi客戶會搜索所有通道中的可用接入點。
802.11 采用一種稱為巴克(Barker)碼的11位偽隨機噪聲(PN)碼來對每一原始數(shù)據(jù)速率為1及2Mbps的信息位進行編碼。為實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，802.11b通過補碼鍵控技術(shù)(CCK)將 6 個信息位編碼為一個 8 碼片符號。
CCK 算法中有 64 個可以使用的符號，要求每個 802.11b 無線電設(shè)備均包括 64 個單獨的相關(guān)器(即用于將符號轉(zhuǎn)化為信息位的器件)，這雖然會增加無線電設(shè)備的復(fù)雜性與成本，但能將數(shù)據(jù)速率提高至 11 Mbps。
藍牙
藍牙技術(shù)則側(cè)重于蜂窩手機、耳機與PDA之間自適應(yīng)組網(wǎng)的互操作性。大多數(shù)藍牙設(shè)備都需要定期充電。
藍牙采用 FHSS 并將 2.4GHz ISM 頻段劃分成 79 個 1MHz 的通道。藍牙設(shè)備以偽隨機碼方式在這 79 個通道間每秒鐘跳 1,600 次。所連接藍牙設(shè)備被分組到稱為微網(wǎng)(piconet)的網(wǎng)絡(luò)中；每個微網(wǎng)均包括一個主設(shè)備和多達 7 個有效從設(shè)備。每個微網(wǎng)的通道跳頻順序源于主設(shè)備的時鐘，所有從設(shè)備都必須保持與此時鐘同步。
通過將數(shù)據(jù)包報頭中的每個位發(fā)送三次，可對所有數(shù)據(jù)包報頭執(zhí)行前向糾錯(FEC)。亦可將漢明(Hamming)碼用于某類數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)有效載荷的前向糾錯。漢明碼雖會對每一個數(shù)據(jù)包帶來 50% 的額外開銷，但能糾正每個 15 位碼字(每個 15 位碼字包含 10 個信息位)中所有一位錯誤并檢測兩位錯誤。
WirelessUSB采用無線電信號技術(shù)，類似于藍牙標(biāo)準(zhǔn)，，但其采用 DSSS 而不是 FHSS 技術(shù)進行調(diào)制。每個 WirelessUSB 通道寬度1 MHz，允許 WirelessUSB 像藍牙那樣將 2.4 GHz ISM頻段分為 79 個 1 MHz 通道。
WirelessUSB 設(shè)備具有頻率捷變性，換言之，它們雖然采用“固定”通道，但在最初通道的鏈接質(zhì)量不佳時又能動態(tài)改變通道。
WirelessUSB使用偽隨機噪聲(PN)碼對每個信息位進行編碼。大多數(shù) WirelessUSB 系統(tǒng)均使用兩個32碼片PN碼，以便在每個 32 碼片符號中可編碼兩個信息位。這種方案可糾正多達 3 個碼片錯誤(每符號)，并能檢測到多達 10 個碼片錯誤(每符號)。盡管使用 32 碼片(有時甚至是 64 碼片)PN碼會將 WirelessUSB 的數(shù)據(jù)速率限制在 62.5 kbps 上，但其數(shù)據(jù)完整性則遠高于藍牙，尤其在噪聲環(huán)境下更是如此。
ZigBee
ZigBee設(shè)計旨在作為傳感和控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，大多數(shù) ZigBee 設(shè)備都對用電非常敏感(如自動調(diào)溫器、安全感應(yīng)器等)，其電池壽命可以年來計算。
ZigBee可采用 868MHz 頻段(歐洲)、915MHz 頻段(北美)及 2.4GHz ISM 頻段(全球)中的 DSSS 無線電信號。在 2.4GHz ISM 頻段中定義了 16 個通道，每通道寬 3MHz，通道中心間隔為 5MHz，使相鄰信道間留有 2MHz 的頻率間隔。
ZigBee 使用 11 碼片 PN 碼，每 4個信號位編碼為一個符號，最大數(shù)據(jù)速率為 128 Kbps。物理層和 MAC 層由 IEEE 802.15.4 工作組定義，與IEEE 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)共享相同的設(shè)計特點。
2.4 GHz 無繩電話
2.4 GHz 無繩電話在北美日益流行，其不使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。有的無繩電話使用DSSS，但大多數(shù)使用 FHSS。使用 DSSS 和其他固定通道算法的無繩電話通常在電話上有一個“通道”按鈕，使用戶能手動改變通道。而使用 FHSS 的電話則沒有“通道”按鈕，因為這種電話經(jīng)常會改變通道。大多數(shù) 2.4 GHz 無繩電話都使用帶寬為5～10 MHz的通道。
避免沖突的技術(shù)
除了解每項技術(shù)的工作原理外，了解上述技術(shù)在同構(gòu)及異構(gòu)環(huán)境下的相互作用也很重要。
Wi-Fi的免沖突算法在發(fā)射前會偵聽“安靜”的通道，這樣多個 Wi-Fi 客戶端能有效地與單一 Wi-Fi 接入點通信。如果 Wi-Fi 通道噪聲很大，則Wi-Fi 設(shè)備在再次聆聽該通道前進行隨機退避。如果通道噪聲仍然較大，那么會重復(fù)此過程直至通道安靜為止。一旦通道安靜下來，Wi-Fi設(shè)備將開始發(fā)射。如果通道一直嘈雜，那么 Wi-Fi 設(shè)備就會尋找另條通道上的其他可用接入點。
使用相同或重疊通道的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)通過免沖突算法可以實現(xiàn)共存，但每個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會有所下降。如果同一區(qū)域使用多個網(wǎng)絡(luò)，那么我們最好使用非重疊的通道，比如通道1、6 和 11，這能提高每個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因為無需與其他網(wǎng)絡(luò)共用帶寬。
由于藍牙發(fā)射的跳頻特性，故來自藍牙的干擾最小。如果藍牙設(shè)備在一個與 Wi-Fi 通道重疊的頻率上發(fā)射，而Wi-Fi設(shè)備此時正在進行“發(fā)射前偵聽”，則 Wi-Fi 設(shè)備會執(zhí)行隨機退避，在這期間，藍牙設(shè)備會跳轉(zhuǎn)到一個非重疊的通道，以允許 Wi-Fi 設(shè)備可開始發(fā)射。
即便無繩電話使用的是 FHSS 而不是 DSSS，來自 2.4 GHz 無繩電話的干擾也可完全中斷 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)完全的工作，部分原因是因為與藍牙(1MHz)相比其占用更寬的通道(5-10MHz)，以及無繩電話信號具有更高的功率。跳轉(zhuǎn)到 Wi-Fi 通道中間的 FHSS 無繩電話信號能夠破壞 Wi-Fi 發(fā)射，這就導(dǎo)致 Wi-Fi 設(shè)備要重復(fù)發(fā)射。2.4 GHz FHSS 無繩電話很可能會干擾鄰近所有 Wi-Fi 設(shè)備，因此我們不建議在 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)附近使用這種電話。如果無繩電話使用 DSSS，那么無繩電話和 Wi-Fi接入點使用的通道可配置成互不重疊，以消除干擾。
解決藍牙的干擾
在藍牙中，來自其他藍牙微網(wǎng)的干擾最小，因為每個微網(wǎng)都使用它自己的偽隨機跳頻模式。如果兩個共處的微網(wǎng)被激活，則發(fā)生沖突的概率為 1/79。沖突的概率隨共處的有效微網(wǎng)的數(shù)量呈線性增加。
藍牙最初采用跳頻算法來處理干擾，不過人們意識到，單個活動的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)會對四分之一的藍牙通道造成嚴(yán)重干擾。由于通道重疊導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失必須在空閑的通道上重新發(fā)射，這就大幅降低了藍牙設(shè)備的吞吐量。
藍牙規(guī)范 1.2 版通過定義自適應(yīng)跳頻(AFH)算法來解決上述問題，這種算法使藍牙設(shè)備能將通道標(biāo)為好、壞或未知三種狀態(tài)。跳頻模式中的壞通道可通過查詢表由好通道來取代。藍牙主設(shè)備會定期聆聽壞通道，以確定干擾是否消失；如果干擾消失，那么就將通道標(biāo)記為好通道并將其從查詢表中刪除。藍牙從設(shè)備應(yīng)主設(shè)備請求也能向主設(shè)備發(fā)送報告，告知其對通道質(zhì)量的評估。舉例來說，從設(shè)備可能偵聽到主設(shè)備未聆聽到的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)邦通訊委員會(FCC)要求至少使用 15 個不同的通道。
AFH 算法使藍牙能避免使用 Wi-Fi 和 WirelessUSB 等 DSSS 系統(tǒng)占用的通道。2.4 GHz FHSS 無繩電話仍可能會對藍牙設(shè)備造成干擾，因為這兩種系統(tǒng)都是在整個 2.4 GHz ISM 頻段上以跳頻方式工作，不過，由于藍牙信號的帶僅為1 MHz，因此 FHSS 無繩電話與藍牙之間的沖突頻率要遠小于 Wi-Fi 和 FHSS 無繩電話之間的沖突頻率。
藍牙還支持三種不同的數(shù)據(jù)包長度，在給定信道上表現(xiàn)為具有不同的駐留時間。藍牙還可通過縮短數(shù)據(jù)包長度，以提高數(shù)據(jù)吞吐量可靠性。在此情況下，最好是使較小數(shù)據(jù)包以較低的速率通過，這比以正常速率會丟失較大的數(shù)據(jù)包更為可取。
解決WirelessUSB和ZigBee的干擾問題
在WirelessUSB中，每個網(wǎng)絡(luò)在選擇通道前都會檢查其他WirelessUSB網(wǎng)絡(luò)。因此，其他WirelessUSB網(wǎng)絡(luò)造成的干擾極小。WirelessUSB至少每50 ms都會檢查一下通道的噪聲大小。Wi-Fi設(shè)備造成的干擾會導(dǎo)致持續(xù)的高噪聲，這就會使WirelessUSB主設(shè)備選擇新的通道。WirelessUSB能與多個Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和平共處，因為WirelessUSB能發(fā)現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間的安靜通道(圖2)。
ZigBee 規(guī)定了一種類似于 802.11b 的免沖突算法；每個設(shè)備在發(fā)射數(shù)據(jù)之前都會偵聽通道，從而使ZigBee 設(shè)備之間的沖突頻率達到最小。ZigBee 在干擾嚴(yán)重的情況下不會改變通道，而是通過低占空比以及免沖突算法來盡可能減少沖突造成的數(shù)據(jù)丟損失。如果 ZigBee 使用的通道與一個頻繁使用的 Wi-Fi 通道相重疊，則現(xiàn)場實驗結(jié)果顯示，由于數(shù)據(jù)包沖突的緣故，有五分之一的 ZigBee 數(shù)據(jù)包都需要重發(fā)射。
我們能采取什么措施？
在開發(fā)藍牙、Wi-Fi 或 ZigBee 解決方案時，設(shè)計人員必須使用規(guī)范中所提供的方法。在開發(fā)一種基于802.15.4、WirelessUSB 或其他 2.4 GHz 無線電的專用系統(tǒng)時，設(shè)計人員可使用較低級的工具即可獲得頻率捷變性。
由于存在與其他 DSSS 系統(tǒng)相重疊的風(fēng)險，DSSS 系統(tǒng)最可能發(fā)生工作失敗的情況。不過 DSSS 系統(tǒng)也能通過一定方式實現(xiàn)與 FHSS 系統(tǒng)類似的頻率捷變性，方法之一就是通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視。如果 DSSS 系統(tǒng)使用輪詢協(xié)議(所期望數(shù)據(jù)包以規(guī)定間隔出現(xiàn))，那么主設(shè)備可在多次傳輸嘗試失敗或連續(xù)接收到損壞數(shù)據(jù)包情況下改變通道。
還有一種辦法就是在無線電設(shè)備支持的情況下讀取空中傳輸信號的功率等級。我們可用接收信號強度指示器 (RSSI)來預(yù)先測量空中傳輸通道的功率，如果功率等級在一定時期內(nèi)過高，則會切換到另一個無干擾的通道。之所以考慮這一段時間是為了在 FHSS 系統(tǒng)通過的情況下不改變信道。
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和 RSSI 讀取都假設(shè)無線電均為可發(fā)射也可接收數(shù)據(jù)包的收發(fā)器。在一個一端為發(fā)射器而另一端為接收器 DSSS 系統(tǒng)中，我們可通過多重發(fā)射技術(shù)來實現(xiàn)頻率捷變性。發(fā)射器使用多種頻率發(fā)送同一個數(shù)據(jù)包，而接收器則以較低速度在接收通道中循環(huán)接收。當(dāng)接收器連接到電源上并且電池供電發(fā)射器使用不頻繁時，這種系統(tǒng)是可行的。無線遙控器就可以使用這種方法。
總結(jié)
每種標(biāo)準(zhǔn)的 2.4-GHz 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都需要在設(shè)計過程中對不同因素加以折中取舍，從而降低干擾的影響，或徹底避免干擾問題。設(shè)計人員可通過現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所提供的方法，或根據(jù)本文介紹的有關(guān)方法設(shè)計自己的協(xié)議并配合使用 RSSI 等無線電特性，便可實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率捷變性。盡管我們不可能完全杜絕 2.4-GHz 系統(tǒng)的干擾問題，但設(shè)計人員可提高系統(tǒng)的頻率捷變性，提高產(chǎn)品在目前非常擁擠的 2.4-GHz ISM 頻帶環(huán)境中抗干擾的生存能力。
關(guān)于作者
Mark Gerrior 是賽普拉斯半導(dǎo)體消費類與計算產(chǎn)品部的首席軟件工程師。他畢業(yè)于馬爾波羅學(xué)院(Marlboro College)，獲得計算機科學(xué)學(xué)士學(xué)位，其電子郵件地址為：mgt@cypress.com。
Ryan Winfield Woodings 是賽普拉斯半導(dǎo)體消費類與計算產(chǎn)品部的系統(tǒng)工程師。他畢業(yè)于楊百翰大學(xué) (Brigham Young University)，獲得計算機科學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，其電子郵件地址為：rww@cypress.com。
設(shè)計人員如何使處于這種苛刻條件下的 2.4 GHz 解決方案獲得最大性能呢？產(chǎn)品往往在受控的實驗室環(huán)境下工作得很好，但在現(xiàn)場卻會由于受到其它2.4GHz解決方案的影響而使性能顯著下降。目前，2.4 GHz 頻段下存在 Wi-Fi、藍牙和 ZigBee 等不同標(biāo)準(zhǔn)，絕大多數(shù)產(chǎn)品是以標(biāo)準(zhǔn)制定者所提供的方法來實現(xiàn)，不過，通過控制協(xié)議，設(shè)計人員能通過一定的措施將其他信號源的干擾問題降至最低。
在本文中，我們將探討 2.4 GHz 無線系統(tǒng)中的各種干擾控制技術(shù)，并介紹如何運用低級工具實現(xiàn) 2.4 GHz 設(shè)計方案中的頻率穩(wěn)定性。
Wi-Fi
跳頻擴頻(FHSS)和直接序列擴頻(DSSS)是兩種免許可 2.4 GHz ISM 頻段中射頻調(diào)制的方法。藍牙使用FHSS，而 WirelessUSB、802.11b/g/a(也就是常說的 Wi-Fi)和802.15.4(與上層網(wǎng)絡(luò)層相結(jié)合時稱作ZigBee)則使用 DSSS。所有這些技術(shù)都工作于全球通用的 ISM 頻段(即 2.400"2.483 GHz)(見圖 1)。
圖 1：工作在 2.4 GHz 頻段中無線系統(tǒng)的信號比較。
Wi-Fi 使用 DSSS 技術(shù)，每個通道的帶寬為 22 MHz，故允許同時采用三個均勻分布的通道而不會互相重疊。每個 Wi-Fi 接入點使用的通道均需手動配置；Wi-Fi客戶會搜索所有通道中的可用接入點。
802.11 采用一種稱為巴克(Barker)碼的11位偽隨機噪聲(PN)碼來對每一原始數(shù)據(jù)速率為1及2Mbps的信息位進行編碼。為實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，802.11b通過補碼鍵控技術(shù)(CCK)將 6 個信息位編碼為一個 8 碼片符號。
CCK 算法中有 64 個可以使用的符號，要求每個 802.11b 無線電設(shè)備均包括 64 個單獨的相關(guān)器(即用于將符號轉(zhuǎn)化為信息位的器件)，這雖然會增加無線電設(shè)備的復(fù)雜性與成本，但能將數(shù)據(jù)速率提高至 11 Mbps。
藍牙
藍牙技術(shù)則側(cè)重于蜂窩手機、耳機與PDA之間自適應(yīng)組網(wǎng)的互操作性。大多數(shù)藍牙設(shè)備都需要定期充電。
藍牙采用 FHSS 并將 2.4GHz ISM 頻段劃分成 79 個 1MHz 的通道。藍牙設(shè)備以偽隨機碼方式在這 79 個通道間每秒鐘跳 1,600 次。所連接藍牙設(shè)備被分組到稱為微網(wǎng)(piconet)的網(wǎng)絡(luò)中；每個微網(wǎng)均包括一個主設(shè)備和多達 7 個有效從設(shè)備。每個微網(wǎng)的通道跳頻順序源于主設(shè)備的時鐘，所有從設(shè)備都必須保持與此時鐘同步。
通過將數(shù)據(jù)包報頭中的每個位發(fā)送三次，可對所有數(shù)據(jù)包報頭執(zhí)行前向糾錯(FEC)。亦可將漢明(Hamming)碼用于某類數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)有效載荷的前向糾錯。漢明碼雖會對每一個數(shù)據(jù)包帶來 50% 的額外開銷，但能糾正每個 15 位碼字(每個 15 位碼字包含 10 個信息位)中所有一位錯誤并檢測兩位錯誤。
表1
WirelessUSB
WirelessUSB采用無線電信號技術(shù)，類似于藍牙標(biāo)準(zhǔn)，，但其采用 DSSS 而不是 FHSS 技術(shù)進行調(diào)制。每個 WirelessUSB 通道寬度1 MHz，允許 WirelessUSB 像藍牙那樣將 2.4 GHz ISM頻段分為 79 個 1 MHz 通道。
WirelessUSB 設(shè)備具有頻率捷變性，換言之，它們雖然采用“固定”通道，但在最初通道的鏈接質(zhì)量不佳時又能動態(tài)改變通道。
WirelessUSB使用偽隨機噪聲(PN)碼對每個信息位進行編碼。大多數(shù) WirelessUSB 系統(tǒng)均使用兩個32碼片PN碼，以便在每個 32 碼片符號中可編碼兩個信息位。這種方案可糾正多達 3 個碼片錯誤(每符號)，并能檢測到多達 10 個碼片錯誤(每符號)。盡管使用 32 碼片(有時甚至是 64 碼片)PN碼會將 WirelessUSB 的數(shù)據(jù)速率限制在 62.5 kbps 上，但其數(shù)據(jù)完整性則遠高于藍牙，尤其在噪聲環(huán)境下更是如此。
ZigBee
ZigBee設(shè)計旨在作為傳感和控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，大多數(shù) ZigBee 設(shè)備都對用電非常敏感(如自動調(diào)溫器、安全感應(yīng)器等)，其電池壽命可以年來計算。
ZigBee可采用 868MHz 頻段(歐洲)、915MHz 頻段(北美)及 2.4GHz ISM 頻段(全球)中的 DSSS 無線電信號。在 2.4GHz ISM 頻段中定義了 16 個通道，每通道寬 3MHz，通道中心間隔為 5MHz，使相鄰信道間留有 2MHz 的頻率間隔。
ZigBee 使用 11 碼片 PN 碼，每 4個信號位編碼為一個符號，最大數(shù)據(jù)速率為 128 Kbps。物理層和 MAC 層由 IEEE 802.15.4 工作組定義，與IEEE 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)共享相同的設(shè)計特點。
2.4 GHz 無繩電話
2.4 GHz 無繩電話在北美日益流行，其不使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。有的無繩電話使用DSSS，但大多數(shù)使用 FHSS。使用 DSSS 和其他固定通道算法的無繩電話通常在電話上有一個“通道”按鈕，使用戶能手動改變通道。而使用 FHSS 的電話則沒有“通道”按鈕，因為這種電話經(jīng)常會改變通道。大多數(shù) 2.4 GHz 無繩電話都使用帶寬為5～10 MHz的通道。
避免沖突的技術(shù)
除了解每項技術(shù)的工作原理外，了解上述技術(shù)在同構(gòu)及異構(gòu)環(huán)境下的相互作用也很重要。
Wi-Fi的免沖突算法在發(fā)射前會偵聽“安靜”的通道，這樣多個 Wi-Fi 客戶端能有效地與單一 Wi-Fi 接入點通信。如果 Wi-Fi 通道噪聲很大，則Wi-Fi 設(shè)備在再次聆聽該通道前進行隨機退避。如果通道噪聲仍然較大，那么會重復(fù)此過程直至通道安靜為止。一旦通道安靜下來，Wi-Fi設(shè)備將開始發(fā)射。如果通道一直嘈雜，那么 Wi-Fi 設(shè)備就會尋找另條通道上的其他可用接入點。
使用相同或重疊通道的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)通過免沖突算法可以實現(xiàn)共存，但每個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會有所下降。如果同一區(qū)域使用多個網(wǎng)絡(luò)，那么我們最好使用非重疊的通道，比如通道1、6 和 11，這能提高每個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因為無需與其他網(wǎng)絡(luò)共用帶寬。
由于藍牙發(fā)射的跳頻特性，故來自藍牙的干擾最小。如果藍牙設(shè)備在一個與 Wi-Fi 通道重疊的頻率上發(fā)射，而Wi-Fi設(shè)備此時正在進行“發(fā)射前偵聽”，則 Wi-Fi 設(shè)備會執(zhí)行隨機退避，在這期間，藍牙設(shè)備會跳轉(zhuǎn)到一個非重疊的通道，以允許 Wi-Fi 設(shè)備可開始發(fā)射。
即便無繩電話使用的是 FHSS 而不是 DSSS，來自 2.4 GHz 無繩電話的干擾也可完全中斷 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)完全的工作，部分原因是因為與藍牙(1MHz)相比其占用更寬的通道(5-10MHz)，以及無繩電話信號具有更高的功率。跳轉(zhuǎn)到 Wi-Fi 通道中間的 FHSS 無繩電話信號能夠破壞 Wi-Fi 發(fā)射，這就導(dǎo)致 Wi-Fi 設(shè)備要重復(fù)發(fā)射。2.4 GHz FHSS 無繩電話很可能會干擾鄰近所有 Wi-Fi 設(shè)備，因此我們不建議在 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)附近使用這種電話。如果無繩電話使用 DSSS，那么無繩電話和 Wi-Fi接入點使用的通道可配置成互不重疊，以消除干擾。
解決藍牙的干擾
在藍牙中，來自其他藍牙微網(wǎng)的干擾最小，因為每個微網(wǎng)都使用它自己的偽隨機跳頻模式。如果兩個共處的微網(wǎng)被激活，則發(fā)生沖突的概率為 1/79。沖突的概率隨共處的有效微網(wǎng)的數(shù)量呈線性增加。
藍牙最初采用跳頻算法來處理干擾，不過人們意識到，單個活動的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)會對四分之一的藍牙通道造成嚴(yán)重干擾。由于通道重疊導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失必須在空閑的通道上重新發(fā)射，這就大幅降低了藍牙設(shè)備的吞吐量。
藍牙規(guī)范 1.2 版通過定義自適應(yīng)跳頻(AFH)算法來解決上述問題，這種算法使藍牙設(shè)備能將通道標(biāo)為好、壞或未知三種狀態(tài)。跳頻模式中的壞通道可通過查詢表由好通道來取代。藍牙主設(shè)備會定期聆聽壞通道，以確定干擾是否消失；如果干擾消失，那么就將通道標(biāo)記為好通道并將其從查詢表中刪除。藍牙從設(shè)備應(yīng)主設(shè)備請求也能向主設(shè)備發(fā)送報告，告知其對通道質(zhì)量的評估。舉例來說，從設(shè)備可能偵聽到主設(shè)備未聆聽到的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)邦通訊委員會(FCC)要求至少使用 15 個不同的通道。
AFH 算法使藍牙能避免使用 Wi-Fi 和 WirelessUSB 等 DSSS 系統(tǒng)占用的通道。2.4 GHz FHSS 無繩電話仍可能會對藍牙設(shè)備造成干擾，因為這兩種系統(tǒng)都是在整個 2.4 GHz ISM 頻段上以跳頻方式工作，不過，由于藍牙信號的帶僅為1 MHz，因此 FHSS 無繩電話與藍牙之間的沖突頻率要遠小于 Wi-Fi 和 FHSS 無繩電話之間的沖突頻率。
藍牙還支持三種不同的數(shù)據(jù)包長度，在給定信道上表現(xiàn)為具有不同的駐留時間。藍牙還可通過縮短數(shù)據(jù)包長度，以提高數(shù)據(jù)吞吐量可靠性。在此情況下，最好是使較小數(shù)據(jù)包以較低的速率通過，這比以正常速率會丟失較大的數(shù)據(jù)包更為可取。
解決WirelessUSB和ZigBee的干擾問題
在WirelessUSB中，每個網(wǎng)絡(luò)在選擇通道前都會檢查其他WirelessUSB網(wǎng)絡(luò)。因此，其他WirelessUSB網(wǎng)絡(luò)造成的干擾極小。WirelessUSB至少每50 ms都會檢查一下通道的噪聲大小。Wi-Fi設(shè)備造成的干擾會導(dǎo)致持續(xù)的高噪聲，這就會使WirelessUSB主設(shè)備選擇新的通道。WirelessUSB能與多個Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和平共處，因為WirelessUSB能發(fā)現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間的安靜通道(圖2)。
圖 2：WirelessUSB 設(shè)計方案的頻率捷變性方框圖。
ZigBee 規(guī)定了一種類似于 802.11b 的免沖突算法；每個設(shè)備在發(fā)射數(shù)據(jù)之前都會偵聽通道，從而使ZigBee 設(shè)備之間的沖突頻率達到最小。ZigBee 在干擾嚴(yán)重的情況下不會改變通道，而是通過低占空比以及免沖突算法來盡可能減少沖突造成的數(shù)據(jù)丟損失。如果 ZigBee 使用的通道與一個頻繁使用的 Wi-Fi 通道相重疊，則現(xiàn)場實驗結(jié)果顯示，由于數(shù)據(jù)包沖突的緣故，有五分之一的 ZigBee 數(shù)據(jù)包都需要重發(fā)射。
我們能采取什么措施？
在開發(fā)藍牙、Wi-Fi 或 ZigBee 解決方案時，設(shè)計人員必須使用規(guī)范中所提供的方法。在開發(fā)一種基于802.15.4、WirelessUSB 或其他 2.4 GHz 無線電的專用系統(tǒng)時，設(shè)計人員可使用較低級的工具即可獲得頻率捷變性。
由于存在與其他 DSSS 系統(tǒng)相重疊的風(fēng)險，DSSS 系統(tǒng)最可能發(fā)生工作失敗的情況。不過 DSSS 系統(tǒng)也能通過一定方式實現(xiàn)與 FHSS 系統(tǒng)類似的頻率捷變性，方法之一就是通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視。如果 DSSS 系統(tǒng)使用輪詢協(xié)議(所期望數(shù)據(jù)包以規(guī)定間隔出現(xiàn))，那么主設(shè)備可在多次傳輸嘗試失敗或連續(xù)接收到損壞數(shù)據(jù)包情況下改變通道。
還有一種辦法就是在無線電設(shè)備支持的情況下讀取空中傳輸信號的功率等級。我們可用接收信號強度指示器 (RSSI)來預(yù)先測量空中傳輸通道的功率，如果功率等級在一定時期內(nèi)過高，則會切換到另一個無干擾的通道。之所以考慮這一段時間是為了在 FHSS 系統(tǒng)通過的情況下不改變信道。
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和 RSSI 讀取都假設(shè)無線電均為可發(fā)射也可接收數(shù)據(jù)包的收發(fā)器。在一個一端為發(fā)射器而另一端為接收器 DSSS 系統(tǒng)中，我們可通過多重發(fā)射技術(shù)來實現(xiàn)頻率捷變性。發(fā)射器使用多種頻率發(fā)送同一個數(shù)據(jù)包，而接收器則以較低速度在接收通道中循環(huán)接收。當(dāng)接收器連接到電源上并且電池供電發(fā)射器使用不頻繁時，這種系統(tǒng)是可行的。無線遙控器就可以使用這種方法。
總結(jié)
每種標(biāo)準(zhǔn)的 2.4-GHz 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都需要在設(shè)計過程中對不同因素加以折中取舍，從而降低干擾的影響，或徹底避免干擾問題。設(shè)計人員可通過現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所提供的方法，或根據(jù)本文介紹的有關(guān)方法設(shè)計自己的協(xié)議并配合使用 RSSI 等無線電特性，便可實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率捷變性。盡管我們不可能完全杜絕 2.4-GHz 系統(tǒng)的干擾問題，但設(shè)計人員可提高系統(tǒng)的頻率捷變性，提高產(chǎn)品在目前非常擁擠的 2.4-GHz ISM 頻帶環(huán)境中抗干擾的生存能力。
關(guān)于作者
Mark Gerrior 是賽普拉斯半導(dǎo)體消費類與計算產(chǎn)品部的首席軟件工程師。他畢業(yè)于馬爾波羅學(xué)院(Marlboro College)，獲得計算機科學(xué)學(xué)士學(xué)位，其電子郵件地址為：mgt@cypress.com。
Ryan Winfield Woodings 是賽普拉斯半導(dǎo)體消費類與計算產(chǎn)品部的系統(tǒng)工程師。他畢業(yè)于楊百翰大學(xué) (Brigham Young University)，獲得計算機科學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，其電子郵件地址為：rww@cypress.com。
