ZigBee/藍牙異構網絡互擾特性研究

摘 要： 隨著無線通信技術在實際生活中的普及，同處于2.4 GHz ISM開放頻段上的不同種無線傳輸技術間的相互干擾問題變得日益突出。在此對多模異構系統中藍牙信號與ZigBee信號間的干擾現象進行分析，并設計出基于馬爾科夫鏈概念（Markov chain concept）的ZigBee傳輸網絡的簡易數學模型。通過數學模型來分析ZigBee設備受藍牙同頻異種信號干擾而導致的數據吞吐量和空閑信道評估（CCA）異常的情況。

關鍵詞： 馬爾科夫鏈； ZigBee； 藍牙； 互擾

中圖分類號： TN926?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0104?03

Research on mutual Interference characteristics ofZigBee and

Bluetooth heterogeneous network

ZHOU Chen， FAN Yuqi， ZHANG Jinlong

（Nanjing Normal University， Nanjing 210000， China）

Abstract： With the popularity of wireless communications technology in actual life， the mutual interference among different kinds of wireless transmission technologies used in the same frequency band of 2.4 GHz is becoming more and more prominent. The interference between Bluetooth signal and ZigBee signal in multimode heterogeneous system is analyzed in this paper. A simple mathematical model of ZigBee transmission network based on Markov chain concept is designed. The ZigBee device’s abnormal conditions in the data throughout and CCA （clear channel assessment） caused by the interference of Bluetooth heterogeneous signals with same frequency are analyzed by means of the mathematical model.

Keywords： Markov chain； ZigBee； Bluetooth； mutual interference

0 引 言

近年來用戶對于更便捷的使用公用頻段的呼聲尤其高漲，應聲而來的是各種處于公用頻段上的無線傳輸技術在現實應用中得到了極大的普及，如無線局域網（WiFi）、藍牙（Bluetooth）、ZigBee[1]、無線USB（Wireless USB）等技術手段應用到了生活中的各行各業。在所有的這些WPAN技術中，企業和個人用戶對于ZigBee[2]和藍牙技術尤其青睞，這得益于它們的低成本和低能耗這兩個特性。但是鑒于它們都是工作于2.4 GHz頻段上的無線傳輸協議，因此它們之間存在互相干擾的問題。

麻省理工學院（MIT）的豪伊特（Dr.Howitt）和古鐵雷斯博士（Dr.Gutierrez）曾通過實驗分析了ZigBee和WLAN網絡相互間干擾的特性，并定性的給出了其干擾區域。西科拉（Dr.Sikora）和格羅扎博士（Dr.Groza）也曾通過實驗指出處于異構網絡中的WLAN和藍牙在傳輸數據時存在丟幀現象。因此本文對于處在同一網絡中的ZigBee/藍牙信號的忽擾現象的研究十分有必要。

1 ZigBee/藍牙異構網絡構成

多模異構無線數據傳輸系統在生活中的應用十分廣泛，涉及醫療、強電、工業控制、安防等方方面面。不考慮每個系統特定的數據采集模塊，一個穩定的多模系統至少包含三個主要模塊：藍牙模塊、異構網關模塊和ZigBee模塊。

1.1 網關搭建

在多模異構無線網絡中網關通常是擔負轉換責任的設備，在使用不同通信協議數據格式的多個系統間起到翻譯作用，并通過對數據進行重新封裝使得其能被另一個系統認知，來適應目標系統對于信息交互的要求，其協議交換結構圖如圖1所示。

無線網關需要對藍牙和ZigBee兩種通信協議棧進行橋接[3?4]，對設備來說，它是數據的通信接口，從用戶角度來看它卻是不存在的。本文中的無線網絡僅包含藍牙和ZigBee通信協議，因此服務于此系統的異構網關需要具有識別藍牙和ZigBee協議的能力，不僅能和單一的模塊進行數據通信，也能在兩種模塊間進行數據的翻譯和重新封裝，以實現數據互通的目的。如圖2所示，在進行數據交互時，網關首先要對從源端接收的數據進行鑒別以確認其發送和接收設備，依據情況對原數據包的協議頭部進行刪除處理，對于超過接收端最大傳輸單元（MaximumTransfer Unit）的數據包要進行拆分整合處理，并最終加上能被受端識別的協議頭部，最后再將數據發送到受端。

圖1 ZigBee/藍牙異構無線網關協議結構示意圖

圖2 異構網關數據交互處理流程圖

1.2 ZigBee/藍牙模塊特性分析

一個小型的ZigBee網絡由全功能設備（Full?Function Devices，FFD）和精簡功能設備（Reduced?Function Devices，RFD）所組成。至少一個FFD將作為個人局域網（PAN）協調器來保障整個網絡的穩定運行，其網絡拓撲結構分為星型和對等結構。為了保證測試環境的穩定性，本文將在一個星型拓撲結構網絡中采用直接序列展頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）技術將ZigBee傳輸信道進行固定，并通過CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的協議來進行調節。

小型藍牙網絡是由兩個及兩個以上使用相同信道的藍牙收發設備所組成的無線網絡[5]，且其中一個藍牙設備將作為此網絡的主設備存在。藍牙網絡提供了點對點和點對多點的傳輸模式，其傳輸信道被劃分為多個時隙，每個間隙的長度為625 μs。藍牙共有79個工作于2.4 GHz ISM頻帶上的信道，其不同子節點間的數據交互通過跳頻技術（Frequency?Hopping Spread Spectrum，FHSS）在信道上進行傳輸。與ZigBee不同，藍牙設備的發送功率等級分為100 mW級（class1）、2.5 mW級（class2）和1 mW級（class3）三種。

本文所述的測試環境將主要采用功率等級為100 mW級（class1）和2.5 mW級（class2）的藍牙設備來搭建干擾網絡，由于所采用的藍牙芯片發射功率為ZigBee芯片的上百倍，故將假設藍牙信號對ZigBee信號傳輸起干擾作用，而ZigBee信號對藍牙信號不起干擾作用，其干擾信號如圖3所示。

圖3 ZigBee/藍牙信號互擾示意圖

2 ZigBee網絡在藍牙網絡信號干擾下的數學

模型建立

ZigBee設備的馬爾科夫鏈模型如圖4所示。

圖4 ZigBee設備的馬爾科夫鏈模型

如圖4所示，當一馬爾科夫鏈模型模擬一個ZigBee網絡處在大功率的藍牙網絡中時，若其中一個ZigBee設備處在第i階退避階段，最大退避階數為j時，設其狀態為（i，j）；如果設備的退避計數器的值變為0，則設備進行第一次空閑信道評估（CCA）。若第一次CCA失敗，則設備將退避階數改為i+1，并重新選取一個退避計數器的值，若仍失敗則循環上一步操作。最終將成功的空閑信道評估數據進行打包發送。

在馬爾科夫鏈[6]模型中假設第一次和第二次CCA失敗的概率是一樣的，設為[α?ZB]；其退避階數設為[β?ZB]，則信道間的單步跳頻穩態概率推導公式如下所示：

[Pbi，jbi，j+1=1， i∈（0，m） and j∈（0，Wi-2）Pbi，-1bi，0=1-α?ZB， i∈（0，m）Pbi，-1bi-1，0=α?ZBWi， i∈（1，m） and j∈（0，Wi-1） Pbi，jbi-1，-1=β?ZBWi， i∈（1，m） and j∈（0，Wi-1）] [Pb0，jbi，-1=（1-β?ZB）Wi， i∈（1，m-1） and j∈（0，W0-1）Pb0，jbm，-1=α?ZBWi， j∈（0，W0-1）Pb0，jbm，-1=1W0， j∈（0，W0-1）]式中：bi，j，m和Wi分別表示在狀態（i，j）時的穩態概率、最大退避階數和在第i階時的退避量；[τ?ZB]為從退避階段回到CCA階段的轉移概率，其公式如下所示：

[τ?ZB=i=0mbi，ji=0mj=0Wi-1bi，j =21-a?ZB+β?ZB-a?ZBβ?ZBm+1i=0mW02min（i，BEmax-BEmin）+1a?ZB+β?ZB-a?ZBβ?ZBi =11-α?ZB+β?ZB-α?ZBβ?ZB] （1）

若要對ZigBee設備第一次和第二次CCA的失敗概率進行數學建模則還需要考慮藍牙網絡對其的干擾因素。要確定其干擾區域需要從擁有n個傳輸節點的ZigBee網絡中和擁有m個節點的藍牙網絡中分別隨機選取第i和第j個節點，并監控其數據傳輸情況，其干擾區域如圖5所示。

圖5 ZigBee/藍牙網絡隨機節點分時互擾示意

當處于時隙4時，ZigBee節點和藍牙節點都處于數據收發狀態[7?9]，而數據跟蹤顯示出ZigBee節點的CCA有明顯被干擾現象，說明當給定的兩節點同時處于工作狀態時大功率的藍牙設備可以干擾ZigBee設備，反之則不行。通過分析可以得出導致給定的ZigBee節點CCA失敗的原因有兩點：

（1） 當兩設備同處于時隙2、時隙4時，藍牙節點的信道占用干擾了ZigBee節點的CCA。

（2） 當處于時隙3時，ZigBee網絡中其他同源節點的數據收發干擾了給定節點的CCA。

由此可見給定ZigBee節點只有處于時隙1時，即信道被閑置時，其CCA才能成功。CCA的成功概率[α?ZB]可以進一步表達為：

[α?ZB=1-（1-αBTZB）（1-αZBZB）] （2）

式中：[αBTZB]和[αZBZB]分別表示因為藍牙電波的干擾和ZigBee網絡節點電波的干擾所引起的CCA失敗的概率。單獨給定的ZigBee設備在運行過程中不會改變自己的載波頻率，而藍牙設備會在每個時隙（625 μs）內在自己的79個信道內跳頻，考慮到ZigBee信號的退避時隙長度為320 μs，當假設ZigBee信號的波長為藍牙信號波長的兩倍且他們為同步狀態，則可推出[αZBZB]為[279]（如圖6所示）。可進一步導出ZigBee設備受藍牙信號影響的CCA失敗概率[αBTZB]為：

[αBTZB=1-7779m] （3）

式中m為藍牙網絡中活躍的設備數量。由此可見當一個ZigBee/藍牙異構網絡中藍牙節點的個數越多時，ZigBee設備的數據吞吐量越小，且發送成功率更低。

圖6 ZigBee設備受單個藍牙設備干擾示意圖

3 結 語

本文首先設計了ZigBee/藍牙異構網關來驗證此二種通信模式在同一網絡中并存的可行性，而后加強網絡中藍牙設備的發送功率使之達到ZigBee設備功率的上百倍來讓實驗結果更直觀，并且針對ZigBee設備建立簡單的Markov模型，最后通過模型對ZigBee/藍牙異構網絡的兩項參數（數據吞吐量和數據傳輸成功率）進行研究。此次實驗結果只能作為理論依據。下一步的任務是深入分析網絡結構，優化傳輸協議，使得異構無線網絡的應用更為廣泛[10]。

參考文獻

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