2.4 GHz WiFi 與Zigbee 在同一網關中的共存研究

徐 博

（嶧城有線電視臺，山東 棗莊 277300）

0 引 言

隨著WiFi 無線技術的逐漸普及，市場對WiFi速率的需求越來越高。當一個WiFi 熱點建立好信道并產生流量使用后，這個信道上的其他2.4 GHz設備基本很難再搶占資源。譬如在一個有限的空間內，如果Zigbee 設備和WiFi 在同一信道附近，當WiFi 進行大數據傳輸時，Zigbee 的傳輸會受到一定的影響。

目前，802.11b、802.11g 的工作頻段在2.4 GHz頻段的大致分布情況是，北美2.412 ～2.462 GHz共11 個信道、歐洲及中國2.412 ～2.472 GHz 共13個信道、日本2.412 ～2.48 4GHz 共14 個信道。為了避免同頻信道的干擾，廠家一般都都選擇信道1、信道6 及信道11 的默認配置，以最大效益地使用2.4 GHz 頻率資源。但如果人們生活或辦公的區域存在多于3 個以上的無線網絡時，就不可避免地會出現信道重疊的影響，影響一些信道的數據傳輸[1]。

在Zigbee 和2.4 GHz WiFi 網關合一的產品中，二者都占據2.4 GHz 頻段：Zigbee 工作在2.4 GHz頻段，占用2 400 ～2 483 MHz 頻段，分成16 個信道，從ch11 到ch26，每個信道間隔5 MHz；WiFi 2.4 GHz 的范圍是2 400 ～2 473 MHz，分為13 個信道，從ch1 到ch14，按照20 MHz 帶寬進行劃分。

對于此類同頻的裝置，理論上說，如果二者的天線距離足夠遠，隔離度足夠大（＞40 dBm）時，基本可以忽略同頻帶來的干擾。但實際在設備中，一方面受到結構限制，二者天線距離有限；另一方面，二者在同一個單板上，電路間也會產生一些同頻干擾[2]。

在這種情況下，要想二者都能同時工作，且不影響其他用戶的體驗，需要通過其他方式來降低干擾。

本文主要討論的是2.4 GHz WiFi，因此在下面的說明中，WiFi 均指的是2.4 GHz 頻段。

1 干擾分析

相比Zigbee，WiFi 無論是在覆蓋范圍還是發射功率上都要遠超Zigbee。從這個角度上來說，Zigbee 對WiFi 的干擾基本可以忽略不計。本文討論的重點在WiFi 對Zigbee 的影響上。

1.1 WiFi 對Zigbee 接收的影響

為了獲取WiFi 對Zigbee 的影響，分別測試了在WiFi 關閉 時，WiFi 工作在802.11b 模式以及WiFi 工作在802.11n（40 MHz）模式下，Zigbee 各個信道的接收靈敏度，所得結果如圖1 所示。圖1中WiFi 選擇的是中間信道ch6，同時為了便于說明問題，接收靈敏度數值均取了絕對值。

從圖1 可以看到，當WiFi 關閉時，Zigbee 的接收靈敏度絕對值接近100 左右。WiFi 打開后，在802.11b 模式和802.11n 模式下，Zigbee 的接收靈教度絕對值在50 到95 之間變化，與原值差距較大。這表示WiFi 對Zigbee 的影響是比較大的，尤其是在WiFi 802.11n 40 MHz 帶寬情況下，對Zigbee 的接收指標影響更大，嚴重的情況下會導致Zigbee 無法正常工作。

從圖1 還可以看出，無論是WIFi 802.11b，還是802.11n，ch6 對Zigbee 中間信道的影響比邊緣信道都要大，WiFi ch6 的中心頻點是2 437 MHz，Zigbee 中間信道（ch18）的中心頻點是2 440 MHz，二者幾乎重合[3]。

1.2 WiFi 信道對Zigbee 的影響

基于圖1 的基礎，分別測試了WiFi 在802.11b模式下，ch1 到ch13 信道工作時，Zigbee 的信道ch11，ch18 和ch26 的接收靈敏度，結果如圖2 所示。

圖1 WiFi 對Zigbee 的接收影響圖

從圖2 可以看到，Zigbee 低信道ch11 的靈敏度隨著WiFi ch1—ch13 增加，Zigbee 中信道ch18的靈敏度隨著WiFi ch1—ch13 的靈敏度先降低后增加，Zigbee 高信道ch26 的接收靈敏度隨著WiFi ch1—ch13 降低。

圖2 WiFi 信道對Zigbee 信道影響圖

這個數值可以進一步說明，WiFi 和Zigbee 兩者信道距離越近，干擾就越大。換句話說，隨著Zigbee 和WiFi 拉遠，影響也會變小。

基于這個結論，可以考慮通過信道避讓的方法來改善二者之間的干擾。這種方法稱為動態信道調整。

1.3 WiFi 速率及信號強度的影響

在用戶實際使用中，WiFi 通常是有速度的，且自身的信號強度也是有差異的。這兩個因素也會影響Zigbee 的使用。這種影響可以用Zigbee 收包成功率這個指標來衡量。本文具體測試了WiFi ch1時不同速率以及不同信號強度下Zigbee 的收包成功率，結果分別如圖3、圖4 所示。

圖3 WiFi 速率影響

從上述結果來看，WiFi 速率和WiFi 的信號強度，對Zigbee 收包率影響都比較大。WiFi 速率為50 Mb·s-1時，Zigbee 的收包成功率不足20%，WiFi信號強度較弱時，Zigbee 收包成功率有大幅提高。

基于這種數據，可以考慮在實際使用時，通過限制WiFi 最高速率以及壓低信號強度的方式，來減小WiFi 對Zigbee 的影響。但是很明顯，這種限制會影響WiFi 的性能，降低WIFi 的使用體驗，所以也需要盡量避免。為了解決這種矛盾，考慮到Zigbee 通常數據量不大，時效要求也不是很高，為了不影響WiFi 的體驗，經過處理可以做到在Zigbee有數據產生的情況下限制WiFi 速率或者強度，Zigbee 沒有數據時不進行限制。

2 整體解決方案綜述

根據上述大量測試結果，對于集2.4 GHz WiFi和Zigbee 于一體的網關產品，在降低二者互擾的問題上，可以采用的方法步驟如下。

首先是盡量增大二者的隔離度，從外在條件上避免干擾，這也是最有效的方法。例如，在類似圖5造型的網關設備中，在單板上保證將WiFi 和Zigbee距離最遠，同時盡量拉遠二者之間的天線距離，減少板上干擾和空間干擾[4]。

圖5 網關設備的造型示例

其次是從軟件上盡量減少WiFi 對Zigbee 的影響。需要說明的是，這些方法都會部分犧牲WiFi或者Zigbee 的性能，主要包括：

（1）動態信道調整，根據測試接收靈教度，大致摸出信道規避算法，一般情況下，先確定WiFi 的信道，再根據此算法選擇相應的Zigbee 信道；

（2）動態調整WiFi 速率和功率，根據Zigbee 工作的時間以及信號強度，調整WiFi 的最高速率和發射功率。

最后，對于這種同頻互擾，也可以仿照藍牙和WiFi 的共存機制，在底層進行分時處理，即當Zigbee 有數據傳輸的時候，讓WiFi 暫停發送，Zigbee 傳輸完畢后，WiFi 繼續傳輸。這種機制在一些芯片中已經集成，從原理上來說，這個機制也會降低WiFi 的傳輸速率，只是Zigbee 所占時隙比較短且在底層處理，對用戶的影響不大[5]。還需要說明的是，這種機制僅在Zigbee 網關發送鏈路中起到很大作用，能夠保證信息順利到達，但對于接收，還是不能從根上解決，文中提到的方法和預防措施也是有意義的。

3 結 語

Zigbee 和WiFi 兩種無線通信技術的應用滿足了人們生活的不同需求，但相互間的干擾抑制了兩種設備同時應用的發展空間，因此控制干擾有著重要的意義。隨著共存解決辦法的提出，相信不久的將來，人們可以自由地同時享用兩種無線技術帶來的便利。