Zigbee和WIFI通信干擾問題的研究

張莉，郭一捷

（華北科技學院，河北廊坊，065201）

關鍵字： ZigBee；ISM頻段；電磁干擾；分配算法

1 干擾產生的機理

WIFI技術和ZigBee就是都是工作在2.4GHZ的ISM頻段，如下圖1所示。

圖1 ZigBee 與 WiFi 的頻率范圍及信道

ZigBee的底層標準將2.4GHZ的ISM頻段分成了16個信道，每個信道的帶寬是2MHZ。而WIFI的底層標準將2.4GHZ的ISM頻段劃分成11個直擴信道，每一個信道的帶寬為22M HZ，系統可以選擇任意一個信道進行通信。從圖中我們看出他們的信道會有很多的重疊。尤其當Wi-Fi和Zigbee同時使用相同的頻段進行通信時，就會產生帶內有色噪聲干擾，從而導致了傳輸分組沖突。

我們知道WIFI比ZigBee節點擁有更高的傳輸，更大的傳輸距離，更大的傳輸的速率，當ZigBee節點和WIFI節點共存時，WIFI獲取信道具有絕對的優勢。所以下面避免干擾的方法基于此來完成的。

2 干擾避免的方法

2.1 基于距離的頻率分配算法

（1）模型假設

⑤ 用niN表示一跳鄰居，確定一個固定的信道和一定的傳輸速率，這個能夠和節點iN進行通信。

（2）模型損失函數(評估函數)

（3）目標函數

（4）最優求解

由于分配的節點的位置是固定的，變量只有一個頻率。其中 ? ({ Ai} ,{fi})代表節點對于總的單元的影響，對于給定的節點 ? ({ Ai} ,{fi})的值最小則有此時的干擾最小。通過泰森多邊形原理以及做了近似處理我們最終得到了下圖的優化公式：

上面是一個非線性的優化問題，我們可以采用梯度的下降方法來得到局部的最小值。

2.2 其他避免兩種通信的方法

2.2.1 協作方式和非協作方式

對于協作方式來說，不同的通信協議可以通過進行信息交換的方式來減少通信系統的干擾。但是對于非協作方式的來說，不同的通信系統是不能夠進行信息交換的，但是可以通過監測干擾存在是然后再來避免干擾。

這兩種方式都有各自的應用范圍。協作方式主要運用存在Zigbee 和Wi-Fi 兩種裝置在同一設備中的情況。但是在現實的系統中，會有許多WiFi和 Zigbee 裝置同時存在，并且存在于不同設備中，那么這時候非協作方式就顯得十分重要了。

2.2.2 協作方式處理干擾的矛盾

在協作方式的情況下，解決方案可以采用時序控制，在MAC層需要加入一個中央控制器來監控Zigbee 裝置和Wi-Fi裝置 的業務分布。同時允許它們之間進行信息進行交互，系統的任一裝置如果需要傳輸數據時必須先向中央控制器申請時隙，控制器根據根據特定算法統一分配時隙，并將分配情況反饋給申請裝置。這樣，就可以對分組的業務做出合理準確的安排，每一時刻只有一種裝置工作，從而避免兩種裝置的干擾。

由于Zigbee 支持休眠模式，在大部分時間處于非工作狀態，可以減小控制器執行的復雜度。

2.2.3 非協作方式處理干擾的矛盾

（1）自適應調整分組大小

在理論上說，分組越長，不同之間的系統之間的相互干擾的可能性就越大。因此我們可以通過減少分組大小，在一定程度上來把受到干擾的可能性降到最低。但是分組長度不能太小，否則發送同樣數據所需次數增加，速率就會降低，也就相應增加了報頭開銷的總量。而且Zigbee協議 和Wi-Fi協議 的MAC 層都是采用了ACK 的機制，這樣會導致系統的性能會有一定程度的下降。

（2）動態信道分配

在無線局域網中，避免干擾的最好的方法就是通過新進的算法去選擇不被其它裝置占用的信道。具體的實現的方法就是在裝置工作時，不斷地對4GHZ的ISM 頻段進行掃描，根據一定的動態算法進行判斷選擇最佳的傳輸信道，來避免占用同一信道，減小干擾。