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1、Harbin Institute of Technology课程报告课程名称： 现代微波测量技术 报告题目： 2.4GHz ISM频段中的各种无线技术 院 系： 班 级： 报 告 者： 学 号： 任课教师： 报告时间： 哈尔滨工业大学6 / 7文档可自由编辑打印2.4GHz ISM频段中的各种无线技术-它们会互相干扰吗？引言：2.4GHz作为全球共同的ISM频段，很多无线技术都不约而同的选择了它作为自己的工作频率。那么这么多不同的无线技术都占用了这一个频段，它们之间会互相干扰吗？会互相打架吗？答案是肯定的，广州地铁被Wi-Fi信号逼停地事件中就可以看出它们之间的干扰，那么我们可以尽量的减小互相
2、之间的干扰吗？下面将先从各种工作于2.4GHz频段的无线技术的介绍开始，探讨一下避免和减小干扰的方法。1. ISM频段ISM(Industrial Scientific Medical)频段，是由ITU-R （ITU Radiocommunication Sector，国际通信联盟无线电通信局）定义的。此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，属于Free License，无需授权许可，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM 频段如下：表1 ISM频段频率范围（Hz）中心频率（Hz）可行性6.7656.795 MHz6.780 MHz取决于当
3、地13.55313.567 MHz13.560 MHz26.95727.283 MHz27.120 MHz40.6640.70 MHz40.68 MHz433.05434.79 MHz433.92 MHz902928 MHz915 MHz Region 2 only2.4002.500 GHz2.450 GHz5.7255.875 GHz5.800 GHz2424.25 GHz24.125 GHz6161.5 GHz61.25 GHz取决于当地122123 GHz122.5 GHz取决于当地244246 GHz245 GHz2.4GHz频段为各国共同的ISM频段。因此无线局域网、蓝牙、ZigB
4、ee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。随着越来越多的企业生产产品使用2.4GHz无线电频谱，人们不得不考虑来自其他来源信号。由于标准规定了未授权频段状态，因此无线设备必须考虑到干扰。在这些不利的条件下，如何才能使他2.4GHz设备性能最好呢？通常是产品是实验室环境下进行测试的，但其性能由于实际中其他2.4GHz产品的干扰而使性能大大下降。2. 2.4GHz频段的几种技术2.4GHz频段现有的标准主要有Wi-Fi，蓝牙和ZigBee等。在本文中，我们将介绍2.4GHz的主要标准技术：Wi-Fi，蓝牙（Bluetooth），无线USB（WirelessUSB），ZigBee，2.4GHz无
5、线技术。2.4GHz的ISM频段无线频率调制有两种：跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）。蓝牙使用FHSS而WirelessUSB，802.11b/g/a（一般称为Wi-Fi的）和802.15.4（称为ZigBe的结合上网络层）利用DSSS。所有这些技术都在全球范围内的ISM频段（2.400-2.483千兆赫）上实施（如图1）。图1 2.4GHz频段的无线技术分布2.1 Wi-FiWi-Fi是通常被用来连接计算机到本地局域网或间接到Internet。大多数Wi-Fi设备的笔记本电脑不是每日充电就是直接插入墙上的电源，因此对电源要求并不敏感。Wi-Fi使用DSSS系统，每个通道带宽22
6、MHz，同时可允许使用多达三个不互相重叠相同带宽的信道。每一个Wi-Fi接入点所使用的信道必须手动配置；Wi-Fi客户端搜索可用接入点的所有信道。802.11使用11位的Barke伪随机噪声（PN）码来为原始1和2Mbit/s数据传输速率的每一个信息比特进行编码。为了实现更高的数据速率，802.11b使用补码键控（CCK）6位信息比特编码到8码片符号当中。用CCK算法有64个可能的符号，这就要求每个802.11b的无线电具有64个分离的相关器（该设备负责把符号转化为信息比特），这增加了复杂性和成本的电台，但使数据速率提高到11Mbit/s。2.2蓝牙蓝牙的重点是手机，耳机和PDA之间的互操作性
7、。大部分蓝牙设备需要经常充电。蓝牙使用FHSS技术，将2.4GHz的ISM频段分割为791MHz的信道。蓝牙设备之间在伪随机模式下的每秒在79个信道中跳频1600次。连接蓝牙设备分组成被称为piconets的网络；每个piconet包含一个主和最多7个激活的从属器。每个piconet信道的跳频序列来自于主时钟。所有的从属设备必须保持时钟同步。前向纠错（FEC）是用在所有包头，每比特在包头中传输三次。汉明码也用于某些类型数据有效载荷的前向纠错。汉明码使每个数据包中引入了50的多余比特，但其能够纠正所有单一错误，并能够检测到每15位码字中两个错误（每15位码字包含10位信息）。2.3无线USB（W
8、irelessUSB）已被设计为一个电缆的计算机输入设备（鼠标，键盘等），也将目标瞄准了无线传感器网络。WirelessUSB设备不定期充电，通过碱性电池来保证其能够运行几个月。WirelessUSB与蓝牙使用无线电信号的相似，但使用DSSS而不是FHSS。每个WirelessUSB信道为1MHz带宽，像蓝牙一样把WirelessUSB 2.4GHz的ISM频段分为1到79MHz的信道。WirelessUSB设备的频率变换灵活，换句话说，他们使用的“固定”信道，但如果原始信道质量并非最优，将动态变化信道。WirelessUSB采用伪噪声（伪）码来编码每一个信息比特。大多数的WirelessUS
9、B系统使用两个32-码片PN码，允许两个信息比特率编码在每一个32-码片符号中。这个方案每个符号可以纠正三个错误，每个符号最多可以检测10个码片错误。虽然使用32-码片（有时是64）PN码限制了WirelessUSB数据速率（62.5kbit/s），但数据的完整性大大高于蓝牙，尤其是在嘈杂的环境。2.4 ZigBeeZigBee作为一个用于设计传感器和控制网络的标准化解决方案，大多数ZigBee设备对功耗很敏感（恒温器，安全传感器等），通常要求电池寿命达到几年。ZigBee的还采用了在868MHz频段（欧洲），915兆赫频带（北美），以及2.4GHz的ISM频段的直接序列扩频无线电信号。定义了
10、在2.4GHz的ISM频段16个信道；每个信道带宽3MHz和每个信道中心频率间隔为5MHz，一对信道之间有2MHz的保护带宽。ZigBe采用11位PN码，每个符号编码4位信息比特，它的最高数据速率达到128Kbps。物理和MAC层是由IEEE 802.15.4工作组规定，与IEEE 802.11b标准共享许多相同的设计特点。2.5 2.4GHz无线技术2.4GHz的无线技术现在是使用的越来越普遍例如在无线耳机等无线音频传输中。以无绳电话为例，2.4GHz的无绳电话正变得越来越普遍，其并不使用一个统一标准网络技术。有些电话使用DSSS；但最普遍使用FHSS。采用DSSS和其他使用固定通道算法的电
11、话通常有一个“频道”按钮，手机用户可以手动更改频道。采用FHSS的电话没有“通道”按钮，因为它们是不断变化的信道。大多数的2.4GHz无绳电话使用的信道带宽为5到10MHz。3 避免冲突的技术3.1 Wi-Fi避免冲突的计算Wi-Fi的避免冲突算法在发射前会侦听“安静”的通道，这样多个Wi-Fi客户端能有效地与单一Wi-Fi接入点通信。如果Wi-Fi通道噪声很大，则Wi-Fi设备在再次聆听该通道前进行随机退避。如果通道噪声仍然较大，那么会重复此过程直至通道安静为止。一旦通道安静下来，Wi-Fi设备将开始发射。如果通道一直嘈杂，那么Wi-Fi设备就会寻找另条通道上的其他可用接入点。使用相同或重叠
12、通道的Wi-Fi网络通过免冲突算法可以实现共存，但每个网络的吞吐量会有所下降。如果同一区域使用多个网络，那么我们最好使用非重叠的通道，比如通道1、6和11，这能提高每个网络的吞吐量，因为无需与其他网络共用带宽。由于蓝牙发射的跳频特性，故来自蓝牙的干扰最小。如果蓝牙设备在一个与Wi-Fi通道重叠的频率上发射，而Wi-Fi设备此时正在进行“发射前侦听”，则Wi-Fi设备会执行随机退避，在这期间，蓝牙设备会跳转到一个非重叠的通道，以允许Wi-Fi设备可开始发射。即便无绳电话使用的是FHSS而不是DSSS，来自2.4GHz无绳电话的干扰也可完全中断Wi-Fi网络完全的工作，部分原因是因为与蓝牙(1MH
13、z)相比其占用更宽的通道(5-10MHz)，以及无绳电话信号具有更高的功率。跳转到Wi-Fi通道中间的FHSS无绳电话信号能够破坏Wi-Fi发射，这就导致Wi-Fi设备要重复发射。2.4GHzFHSS无绳电话很可能会干扰邻近所有Wi-Fi，因此我们不建议在Wi-Fi网络附近使用这种电话。如果无绳电话使用DSSS，那么无绳电话和Wi-Fi接入点使用的通道可配置成互不重叠，以消除干扰。3.2 解决蓝牙的干扰技术在蓝牙中，来自其他蓝牙微网的干扰最小，因为每个微网都使用它自己的伪随机跳频模式。如果两个共处的微网被激活，则发生冲突的概率为1/79。冲突的概率随共处的有效微网的数量呈线性增加。蓝牙最初采用
14、跳频算法来处理干扰，不过人们意识到，单个活动的Wi-Fi网络会对四分之一的蓝牙通道造成严重干扰。由于通道重叠导致的数据包丢失必须在空闲的通道上重新发射，这就大幅降低了蓝牙设备的吞吐量。蓝牙规范1.2版通过定义自适应跳频(AFH)算法来解决上述问题，这种算法使蓝牙设备能将通道标为好、坏或未知三种状态。跳频模式中的坏通道可通过查询表由好通道来取代。蓝牙主设备会定期聆听坏通道，以确定干扰是否消失；如果干扰消失，那么就将通道标记为好通道并将其从查询表中删除。蓝牙从设备应主设备请求也能向主设备发送报告，告知其对通道质量的评估。举例来说，从设备可能侦听到主设备未聆听到的Wi-Fi网络。联邦通讯委员会(FC
15、C)要求至少使用15个不同的通道AFH算法使蓝牙能避免使用Wi-Fi和WirelessUS等DSSS系统占用的通道。2.4GHz FHSS无绳电话仍可能会对蓝牙设备造成干扰，因为这两种系统都是在整个2.4GHz ISM频段上以跳频方式工作，不过，由于蓝牙信号的带仅为1MHz，因此FHSS无绳电话与蓝牙之间的冲突频率要远小于Wi-Fi;和FHSS无绳电话之间的冲突频率。蓝牙还支持三种不同的数据包长度，在给定信道上表现为具有不同的驻留时间。蓝牙还可通过缩短数据包长度，以提高数据吞吐量可靠性。在此情况下，最好是使较小数据包以较低的速率通过，这比以正常速率会丢失较大的数据包更为可取。3.3解决Wire
16、lessUSB和ZigBee的干扰问题在WirelessUSB中，每个网络在选择通道前都会检查其他WirelessUSB网络。因此，其他WirelessUSB网络造成的干扰极小。WirelessUSB至少每50 ms都会检查一下通道的噪声大小。Wi-Fi设备造成的干扰会导致持续的高噪声，这就会使WirelessUSB主设备选择新的通道。WirelessUSB能与多个Wi-Fi网络和平共处，因为WirelessUSB能发现Wi-Fi网络之间的安静通道(图2)。图2 WirelessUSB频率捷变性方框图蓝牙的干扰可能会引起WirelessUSB数据包的重发射。由于蓝牙的跳频特性，Wir
17、elessUSB数据包的重发射不会与下一次蓝牙传输发生冲突，因为蓝牙设备会跳到另一个通道。蓝牙网络不会造成足够连续高的噪声电平来迫使无线USB主设备改变信道。规定了一种类似于802.11b的免冲突算法；每个设备在发射数据之前都会侦听通道，从而使ZigBee设备之间的冲突频率达到最小。ZigBee在干扰严重的情况下不会改变通道，而是通过低占空比以及免冲突算法来尽可能减少冲突造成的数据丢损失。如果ZigBee使用的通道与一个频繁使用的Wi-Fi通道相重叠，则现场实验结果显示，由于数据包冲突的缘故，有五分之一的ZigBee数据包都需要重发射。我们能采取什么措施？在开发蓝牙、Wi-Fi或ZigBee解
18、决方案时，设计人员必须使用规范中所提供的方法。在开发一种基于802.15.4、WirelessUSB或其他2.4GHz无线电的专用系统时，设计人员可使用较低级的工具即可获得频率捷变性。由于存在与其他DSSS系统相重叠的风险，DSSS系统最可能发生工作失败的情况。不过DSSS系统也能通过一定方式实现与FHSS系统类似的频率捷变性，方法之一就是通过网络监视。如果DSSS系统使用轮询协议(所期望数据包以规定间隔出现)，那么主设备可在多次传输尝试失败或连续接收到损坏数据包情况下改变通道。还有一种办法就是在无线电设备支持的情况下读取空中传输信号的功率等级。我们可用接收信号强度指示器(RSSI)来预先测量
19、空中传输通道的功率，如果功率等级在一定时期内过高，则会切换到另一个无干扰的通道。之所以考虑这一段时间是为了在FHSS系统通过的情况下不改变信道。网络监视和RSSI读取都假设无线电均为可发射也可接收数据包的收发器。在一个一端为发射器而另一端为接收器DSSS系统中，我们可通过多重发射技术来实现频率捷变性。发射器使用多种频率发送同一个数据包，而接收器则以较低速度在接收通道中循环接收。当接收器连接到电源上并且电池供电发射器使用不频繁时，这种系统是可行的。无线遥控器就可以使用这种方法。4 总结每种标准的2.4GHz网络技术都需要在设计过程中对不同因素加以折中取舍，从而降低干扰的影响，或彻底避免干扰问题。设计人员可通过现行标准所提供的方法，或根据其他有关方法设计自己的协议并配合使用RSSI等无线电特性，便可实现系统的频率捷变性。尽管我们不可能完全杜绝2.4GHz系统的干扰问题，但设计人员可提高系统的频率捷变性，提高产品在目前非常拥挤的2.4GHz频带环境中抗干扰的生存能力。