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如何避免2.4GHz ISM頻段下各種無(wú)線設(shè)備的干擾
作者：Mark Gerrior&Ryan Winfield Woodings
來(lái)源：我愛(ài)研發(fā)網(wǎng)
日期：2009-03-10 14:44:33
摘要：隨著越來(lái)越多的公司生產(chǎn)使用 2.4GHz 頻段的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員必須處理來(lái)自其他信源的更多信號(hào)。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(wèn)題。
隨著越來(lái)越多的公司生產(chǎn)使用 2.4GHz 頻段的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員必須處理來(lái)自其他信源的更多信號(hào)。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(wèn)題。
設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下工作得很好，但在現(xiàn)場(chǎng)卻會(huì)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(lán)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(lái)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)，通過(guò)控制協(xié)議，設(shè)計(jì)人員能通過(guò)一定的措施將其他信號(hào)源的干擾問(wèn)題降至最低。
在本文中，我們將探討 2.4 GHz 無(wú)線系統(tǒng)中的各種干擾控制技術(shù)，并介紹如何運(yùn)用低級(jí)工具實(shí)現(xiàn) 2.4 GHz 設(shè)計(jì)方案中的頻率穩(wěn)定性。
Wi-Fi
跳頻擴(kuò)頻(FHSS)和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)是兩種免許可 2.4 GHz ISM 頻段中射頻調(diào)制的方法。藍(lán)牙使用FHSS，而 WirelessUSB、802.11b/g/a(也就是常說(shuō)的 Wi-Fi)和802.15.4(與上層網(wǎng)絡(luò)層相結(jié)合時(shí)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(jiàn)圖 1)。
Wi-Fi 使用 DSSS 技術(shù)，每個(gè)通道的帶寬為 22 MHz，故允許同時(shí)采用三個(gè)均勻分布的通道而不會(huì)互相重疊。每個(gè) Wi-Fi 接入點(diǎn)使用的通道均需手動(dòng)配置；Wi-Fi客戶會(huì)搜索所有通道中的可用接入點(diǎn)。
802.11 采用一種稱為巴克(Barker)碼的11位偽隨機(jī)噪聲(PN)碼來(lái)對(duì)每一原始數(shù)據(jù)速率為1及2Mbps的信息位進(jìn)行編碼。為實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，802.11b通過(guò)補(bǔ)碼鍵控技術(shù)(CCK)將 6 個(gè)信息位編碼為一個(gè) 8 碼片符號(hào)。
CCK 算法中有 64 個(gè)可以使用的符號(hào)，要求每個(gè) 802.11b 無(wú)線電設(shè)備均包括 64 個(gè)單獨(dú)的相關(guān)器(即用于將符號(hào)轉(zhuǎn)化為信息位的器件)，這雖然會(huì)增加無(wú)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(lán)牙
藍(lán)牙技術(shù)則側(cè)重于蜂窩手機(jī)、耳機(jī)與PDA之間自適應(yīng)組網(wǎng)的互操作性。大多數(shù)藍(lán)牙設(shè)備都需要定期充電。
藍(lán)牙采用 FHSS 并將 2.4GHz ISM 頻段劃分成 79 個(gè) 1MHz 的通道。藍(lán)牙設(shè)備以偽隨機(jī)碼方式在這 79 個(gè)通道間每秒鐘跳 1,600 次。所連接藍(lán)牙設(shè)備被分組到稱為微網(wǎng)(piconet)的網(wǎng)絡(luò)中；每個(gè)微網(wǎng)均包括一個(gè)主設(shè)備和多達(dá) 7 個(gè)有效從設(shè)備。每個(gè)微網(wǎng)的通道跳頻順序源于主設(shè)備的時(shí)鐘，所有從設(shè)備都必須保持與此時(shí)鐘同步。
通過(guò)將數(shù)據(jù)包報(bào)頭中的每個(gè)位發(fā)送三次，可對(duì)所有數(shù)據(jù)包報(bào)頭執(zhí)行前向糾錯(cuò)(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(cuò)。漢明碼雖會(huì)對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)包帶來(lái) 50% 的額外開(kāi)銷，但能糾正每個(gè) 15 位碼字(每個(gè) 15 位碼字包含 10 個(gè)信息位)中所有一位錯(cuò)誤并檢測(cè)兩位錯(cuò)誤。
WirelessUSB采用無(wú)線電信號(hào)技術(shù)，類似于藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，，但其采用 DSSS 而不是 FHSS 技術(shù)進(jìn)行調(diào)制。每個(gè) WirelessUSB 通道寬度1 MHz，允許 WirelessUSB 像藍(lán)牙那樣將 2.4 GHz ISM頻段分為 79 個(gè) 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(shí)又能動(dòng)態(tài)改變通道。
WirelessUSB使用偽隨機(jī)噪聲(PN)碼對(duì)每個(gè)信息位進(jìn)行編碼。大多數(shù) WirelessUSB 系統(tǒng)均使用兩個(gè)32碼片PN碼，以便在每個(gè) 32 碼片符號(hào)中可編碼兩個(gè)信息位。這種方案可糾正多達(dá) 3 個(gè)碼片錯(cuò)誤(每符號(hào))，并能檢測(cè)到多達(dá) 10 個(gè)碼片錯(cuò)誤(每符號(hào))。盡管使用 32 碼片(有時(shí)甚至是 64 碼片)PN碼會(huì)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(yuǎn)高于藍(lán)牙，尤其在噪聲環(huán)境下更是如此。
ZigBee
ZigBee設(shè)計(jì)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(duì)用電非常敏感(如自動(dòng)調(diào)溫器、安全感應(yīng)器等)，其電池壽命可以年來(lái)計(jì)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(wú)線電信號(hào)。在 2.4GHz ISM 頻段中定義了 16 個(gè)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(gè)信號(hào)位編碼為一個(gè)符號(hào)，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(jì)特點(diǎn)。
2.4 GHz 無(wú)繩電話
2.4 GHz 無(wú)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(wú)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(wú)繩電話通常在電話上有一個(gè)“通道”按鈕，使用戶能手動(dòng)改變通道。而使用 FHSS 的電話則沒(méi)有“通道”按鈕，因?yàn)檫@種電話經(jīng)常會(huì)改變通道。大多數(shù) 2.4 GHz 無(wú)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(xiàng)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(huì)偵聽(tīng)“安靜”的通道，這樣多個(gè) Wi-Fi 客戶端能有效地與單一 Wi-Fi 接入點(diǎn)通信。如果 Wi-Fi 通道噪聲很大，則Wi-Fi 設(shè)備在再次聆聽(tīng)該通道前進(jìn)行隨機(jī)退避。如果通道噪聲仍然較大，那么會(huì)重復(fù)此過(guò)程直至通道安靜為止。一旦通道安靜下來(lái)，Wi-Fi設(shè)備將開(kāi)始發(fā)射。如果通道一直嘈雜，那么 Wi-Fi 設(shè)備就會(huì)尋找另?xiàng)l通道上的其他可用接入點(diǎn)。
使用相同或重疊通道的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)免沖突算法可以實(shí)現(xiàn)共存，但每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會(huì)有所下降。如果同一區(qū)域使用多個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因?yàn)闊o(wú)需與其他網(wǎng)絡(luò)共用帶寬。
由于藍(lán)牙發(fā)射的跳頻特性，故來(lái)自藍(lán)牙的干擾最小。如果藍(lán)牙設(shè)備在一個(gè)與 Wi-Fi 通道重疊的頻率上發(fā)射，而Wi-Fi設(shè)備此時(shí)正在進(jìn)行“發(fā)射前偵聽(tīng)”，則 Wi-Fi 設(shè)備會(huì)執(zhí)行隨機(jī)退避，在這期間，藍(lán)牙設(shè)備會(huì)跳轉(zhuǎn)到一個(gè)非重疊的通道，以允許 Wi-Fi 設(shè)備可開(kāi)始發(fā)射。
即便無(wú)繩電話使用的是 FHSS 而不是 DSSS，來(lái)自 2.4 GHz 無(wú)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?yàn)榕c藍(lán)牙(1MHz)相比其占用更寬的通道(5-10MHz)，以及無(wú)繩電話信號(hào)具有更高的功率。跳轉(zhuǎn)到 Wi-Fi 通道中間的 FHSS 無(wú)繩電話信號(hào)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(wú)繩電話很可能會(huì)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(wú)繩電話使用 DSSS，那么無(wú)繩電話和 Wi-Fi接入點(diǎn)使用的通道可配置成互不重疊，以消除干擾。
解決藍(lán)牙的干擾
在藍(lán)牙中，來(lái)自其他藍(lán)牙微網(wǎng)的干擾最小，因?yàn)槊總€(gè)微網(wǎng)都使用它自己的偽隨機(jī)跳頻模式。如果兩個(gè)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(lán)牙最初采用跳頻算法來(lái)處理干擾，不過(guò)人們意識(shí)到，單個(gè)活動(dòng)的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)四分之一的藍(lán)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(lán)牙設(shè)備的吞吐量。
藍(lán)牙規(guī)范 1.2 版通過(guò)定義自適應(yīng)跳頻(AFH)算法來(lái)解決上述問(wèn)題，這種算法使藍(lán)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(guò)查詢表由好通道來(lái)取代。藍(lán)牙主設(shè)備會(huì)定期聆聽(tīng)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(lán)牙從設(shè)備應(yīng)主設(shè)備請(qǐng)求也能向主設(shè)備發(fā)送報(bào)告，告知其對(duì)通道質(zhì)量的評(píng)估。舉例來(lái)說(shuō)，從設(shè)備可能偵聽(tīng)到主設(shè)備未聆聽(tīng)到的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)要求至少使用 15 個(gè)不同的通道。
AFH 算法使藍(lán)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(wú)繩電話仍可能會(huì)對(duì)藍(lán)牙設(shè)備造成干擾，因?yàn)檫@兩種系統(tǒng)都是在整個(gè) 2.4 GHz ISM 頻段上以跳頻方式工作，不過(guò)，由于藍(lán)牙信號(hào)的帶僅為1 MHz，因此 FHSS 無(wú)繩電話與藍(lán)牙之間的沖突頻率要遠(yuǎn)小于 Wi-Fi 和 FHSS 無(wú)繩電話之間的沖突頻率。
藍(lán)牙還支持三種不同的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，在給定信道上表現(xiàn)為具有不同的駐留時(shí)間。藍(lán)牙還可通過(guò)縮短數(shù)據(jù)包長(zhǎng)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(guò)，這比以正常速率會(huì)丟失較大的數(shù)據(jù)包更為可取。
解決WirelessUSB和ZigBee的干擾問(wèn)題
在WirelessUSB中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)在選擇通道前都會(huì)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(huì)檢查一下通道的噪聲大小。Wi-Fi設(shè)備造成的干擾會(huì)導(dǎo)致持續(xù)的高噪聲，這就會(huì)使WirelessUSB主設(shè)備選擇新的通道。WirelessUSB能與多個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和平共處，因?yàn)閃irelessUSB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(gè)設(shè)備在發(fā)射數(shù)據(jù)之前都會(huì)偵聽(tīng)通道，從而使ZigBee 設(shè)備之間的沖突頻率達(dá)到最小。ZigBee 在干擾嚴(yán)重的情況下不會(huì)改變通道，而是通過(guò)低占空比以及免沖突算法來(lái)盡可能減少?zèng)_突造成的數(shù)據(jù)丟損失。如果 ZigBee 使用的通道與一個(gè)頻繁使用的 Wi-Fi 通道相重疊，則現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)藍(lán)牙、Wi-Fi 或 ZigBee 解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須使用規(guī)范中所提供的方法。在開(kāi)發(fā)一種基于802.15.4、WirelessUSB 或其他 2.4 GHz 無(wú)線電的專用系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可使用較低級(jí)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(xiǎn)，DSSS 系統(tǒng)最可能發(fā)生工作失敗的情況。不過(guò) DSSS 系統(tǒng)也能通過(guò)一定方式實(shí)現(xiàn)與 FHSS 系統(tǒng)類似的頻率捷變性，方法之一就是通過(guò)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(wú)線電設(shè)備支持的情況下讀取空中傳輸信號(hào)的功率等級(jí)。我們可用接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 (RSSI)來(lái)預(yù)先測(cè)量空中傳輸通道的功率，如果功率等級(jí)在一定時(shí)期內(nèi)過(guò)高，則會(huì)切換到另一個(gè)無(wú)干擾的通道。之所以考慮這一段時(shí)間是為了在 FHSS 系統(tǒng)通過(guò)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(wú)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(gè)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(guò)多重發(fā)射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率捷變性。發(fā)射器使用多種頻率發(fā)送同一個(gè)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(shí)，這種系統(tǒng)是可行的。無(wú)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(jì)過(guò)程中對(duì)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(wèn)題。設(shè)計(jì)人員可通過(guò)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(jì)自己的協(xié)議并配合使用 RSSI 等無(wú)線電特性，便可實(shí)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(wèn)題，但設(shè)計(jì)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(fèi)類與計(jì)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(jì)算機(jī)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(fèi)類與計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下工作得很好，但在現(xiàn)場(chǎng)卻會(huì)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(lán)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(lái)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)，通過(guò)控制協(xié)議，設(shè)計(jì)人員能通過(guò)一定的措施將其他信號(hào)源的干擾問(wèn)題降至最低。
在本文中，我們將探討 2.4 GHz 無(wú)線系統(tǒng)中的各種干擾控制技術(shù)，并介紹如何運(yùn)用低級(jí)工具實(shí)現(xiàn) 2.4 GHz 設(shè)計(jì)方案中的頻率穩(wěn)定性。
Wi-Fi
跳頻擴(kuò)頻(FHSS)和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)是兩種免許可 2.4 GHz ISM 頻段中射頻調(diào)制的方法。藍(lán)牙使用FHSS，而 WirelessUSB、802.11b/g/a(也就是常說(shuō)的 Wi-Fi)和802.15.4(與上層網(wǎng)絡(luò)層相結(jié)合時(shí)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(jiàn)圖 1)。
圖 1：工作在 2.4 GHz 頻段中無(wú)線系統(tǒng)的信號(hào)比較。
Wi-Fi 使用 DSSS 技術(shù)，每個(gè)通道的帶寬為 22 MHz，故允許同時(shí)采用三個(gè)均勻分布的通道而不會(huì)互相重疊。每個(gè) Wi-Fi 接入點(diǎn)使用的通道均需手動(dòng)配置；Wi-Fi客戶會(huì)搜索所有通道中的可用接入點(diǎn)。
802.11 采用一種稱為巴克(Barker)碼的11位偽隨機(jī)噪聲(PN)碼來(lái)對(duì)每一原始數(shù)據(jù)速率為1及2Mbps的信息位進(jìn)行編碼。為實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，802.11b通過(guò)補(bǔ)碼鍵控技術(shù)(CCK)將 6 個(gè)信息位編碼為一個(gè) 8 碼片符號(hào)。
CCK 算法中有 64 個(gè)可以使用的符號(hào)，要求每個(gè) 802.11b 無(wú)線電設(shè)備均包括 64 個(gè)單獨(dú)的相關(guān)器(即用于將符號(hào)轉(zhuǎn)化為信息位的器件)，這雖然會(huì)增加無(wú)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(lán)牙
藍(lán)牙技術(shù)則側(cè)重于蜂窩手機(jī)、耳機(jī)與PDA之間自適應(yīng)組網(wǎng)的互操作性。大多數(shù)藍(lán)牙設(shè)備都需要定期充電。
藍(lán)牙采用 FHSS 并將 2.4GHz ISM 頻段劃分成 79 個(gè) 1MHz 的通道。藍(lán)牙設(shè)備以偽隨機(jī)碼方式在這 79 個(gè)通道間每秒鐘跳 1,600 次。所連接藍(lán)牙設(shè)備被分組到稱為微網(wǎng)(piconet)的網(wǎng)絡(luò)中；每個(gè)微網(wǎng)均包括一個(gè)主設(shè)備和多達(dá) 7 個(gè)有效從設(shè)備。每個(gè)微網(wǎng)的通道跳頻順序源于主設(shè)備的時(shí)鐘，所有從設(shè)備都必須保持與此時(shí)鐘同步。
通過(guò)將數(shù)據(jù)包報(bào)頭中的每個(gè)位發(fā)送三次，可對(duì)所有數(shù)據(jù)包報(bào)頭執(zhí)行前向糾錯(cuò)(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(cuò)。漢明碼雖會(huì)對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)包帶來(lái) 50% 的額外開(kāi)銷，但能糾正每個(gè) 15 位碼字(每個(gè) 15 位碼字包含 10 個(gè)信息位)中所有一位錯(cuò)誤并檢測(cè)兩位錯(cuò)誤。
表1
WirelessUSB
WirelessUSB采用無(wú)線電信號(hào)技術(shù)，類似于藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，，但其采用 DSSS 而不是 FHSS 技術(shù)進(jìn)行調(diào)制。每個(gè) WirelessUSB 通道寬度1 MHz，允許 WirelessUSB 像藍(lán)牙那樣將 2.4 GHz ISM頻段分為 79 個(gè) 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(shí)又能動(dòng)態(tài)改變通道。
WirelessUSB使用偽隨機(jī)噪聲(PN)碼對(duì)每個(gè)信息位進(jìn)行編碼。大多數(shù) WirelessUSB 系統(tǒng)均使用兩個(gè)32碼片PN碼，以便在每個(gè) 32 碼片符號(hào)中可編碼兩個(gè)信息位。這種方案可糾正多達(dá) 3 個(gè)碼片錯(cuò)誤(每符號(hào))，并能檢測(cè)到多達(dá) 10 個(gè)碼片錯(cuò)誤(每符號(hào))。盡管使用 32 碼片(有時(shí)甚至是 64 碼片)PN碼會(huì)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(yuǎn)高于藍(lán)牙，尤其在噪聲環(huán)境下更是如此。
ZigBee
ZigBee設(shè)計(jì)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(duì)用電非常敏感(如自動(dòng)調(diào)溫器、安全感應(yīng)器等)，其電池壽命可以年來(lái)計(jì)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(wú)線電信號(hào)。在 2.4GHz ISM 頻段中定義了 16 個(gè)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(gè)信號(hào)位編碼為一個(gè)符號(hào)，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(jì)特點(diǎn)。
2.4 GHz 無(wú)繩電話
2.4 GHz 無(wú)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(wú)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(wú)繩電話通常在電話上有一個(gè)“通道”按鈕，使用戶能手動(dòng)改變通道。而使用 FHSS 的電話則沒(méi)有“通道”按鈕，因?yàn)檫@種電話經(jīng)常會(huì)改變通道。大多數(shù) 2.4 GHz 無(wú)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(xiàng)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(huì)偵聽(tīng)“安靜”的通道，這樣多個(gè) Wi-Fi 客戶端能有效地與單一 Wi-Fi 接入點(diǎn)通信。如果 Wi-Fi 通道噪聲很大，則Wi-Fi 設(shè)備在再次聆聽(tīng)該通道前進(jìn)行隨機(jī)退避。如果通道噪聲仍然較大，那么會(huì)重復(fù)此過(guò)程直至通道安靜為止。一旦通道安靜下來(lái)，Wi-Fi設(shè)備將開(kāi)始發(fā)射。如果通道一直嘈雜，那么 Wi-Fi 設(shè)備就會(huì)尋找另?xiàng)l通道上的其他可用接入點(diǎn)。
使用相同或重疊通道的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)免沖突算法可以實(shí)現(xiàn)共存，但每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會(huì)有所下降。如果同一區(qū)域使用多個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因?yàn)闊o(wú)需與其他網(wǎng)絡(luò)共用帶寬。
由于藍(lán)牙發(fā)射的跳頻特性，故來(lái)自藍(lán)牙的干擾最小。如果藍(lán)牙設(shè)備在一個(gè)與 Wi-Fi 通道重疊的頻率上發(fā)射，而Wi-Fi設(shè)備此時(shí)正在進(jìn)行“發(fā)射前偵聽(tīng)”，則 Wi-Fi 設(shè)備會(huì)執(zhí)行隨機(jī)退避，在這期間，藍(lán)牙設(shè)備會(huì)跳轉(zhuǎn)到一個(gè)非重疊的通道，以允許 Wi-Fi 設(shè)備可開(kāi)始發(fā)射。
即便無(wú)繩電話使用的是 FHSS 而不是 DSSS，來(lái)自 2.4 GHz 無(wú)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?yàn)榕c藍(lán)牙(1MHz)相比其占用更寬的通道(5-10MHz)，以及無(wú)繩電話信號(hào)具有更高的功率。跳轉(zhuǎn)到 Wi-Fi 通道中間的 FHSS 無(wú)繩電話信號(hào)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(wú)繩電話很可能會(huì)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(wú)繩電話使用 DSSS，那么無(wú)繩電話和 Wi-Fi接入點(diǎn)使用的通道可配置成互不重疊，以消除干擾。
解決藍(lán)牙的干擾
在藍(lán)牙中，來(lái)自其他藍(lán)牙微網(wǎng)的干擾最小，因?yàn)槊總€(gè)微網(wǎng)都使用它自己的偽隨機(jī)跳頻模式。如果兩個(gè)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(lán)牙最初采用跳頻算法來(lái)處理干擾，不過(guò)人們意識(shí)到，單個(gè)活動(dòng)的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)四分之一的藍(lán)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(lán)牙設(shè)備的吞吐量。
藍(lán)牙規(guī)范 1.2 版通過(guò)定義自適應(yīng)跳頻(AFH)算法來(lái)解決上述問(wèn)題，這種算法使藍(lán)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(guò)查詢表由好通道來(lái)取代。藍(lán)牙主設(shè)備會(huì)定期聆聽(tīng)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(lán)牙從設(shè)備應(yīng)主設(shè)備請(qǐng)求也能向主設(shè)備發(fā)送報(bào)告，告知其對(duì)通道質(zhì)量的評(píng)估。舉例來(lái)說(shuō)，從設(shè)備可能偵聽(tīng)到主設(shè)備未聆聽(tīng)到的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)要求至少使用 15 個(gè)不同的通道。
AFH 算法使藍(lán)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(wú)繩電話仍可能會(huì)對(duì)藍(lán)牙設(shè)備造成干擾，因?yàn)檫@兩種系統(tǒng)都是在整個(gè) 2.4 GHz ISM 頻段上以跳頻方式工作，不過(guò)，由于藍(lán)牙信號(hào)的帶僅為1 MHz，因此 FHSS 無(wú)繩電話與藍(lán)牙之間的沖突頻率要遠(yuǎn)小于 Wi-Fi 和 FHSS 無(wú)繩電話之間的沖突頻率。
藍(lán)牙還支持三種不同的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，在給定信道上表現(xiàn)為具有不同的駐留時(shí)間。藍(lán)牙還可通過(guò)縮短數(shù)據(jù)包長(zhǎng)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(guò)，這比以正常速率會(huì)丟失較大的數(shù)據(jù)包更為可取。
解決WirelessUSB和ZigBee的干擾問(wèn)題
在WirelessUSB中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)在選擇通道前都會(huì)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(huì)檢查一下通道的噪聲大小。Wi-Fi設(shè)備造成的干擾會(huì)導(dǎo)致持續(xù)的高噪聲，這就會(huì)使WirelessUSB主設(shè)備選擇新的通道。WirelessUSB能與多個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和平共處，因?yàn)閃irelessUSB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(jì)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(gè)設(shè)備在發(fā)射數(shù)據(jù)之前都會(huì)偵聽(tīng)通道，從而使ZigBee 設(shè)備之間的沖突頻率達(dá)到最小。ZigBee 在干擾嚴(yán)重的情況下不會(huì)改變通道，而是通過(guò)低占空比以及免沖突算法來(lái)盡可能減少?zèng)_突造成的數(shù)據(jù)丟損失。如果 ZigBee 使用的通道與一個(gè)頻繁使用的 Wi-Fi 通道相重疊，則現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)藍(lán)牙、Wi-Fi 或 ZigBee 解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須使用規(guī)范中所提供的方法。在開(kāi)發(fā)一種基于802.15.4、WirelessUSB 或其他 2.4 GHz 無(wú)線電的專用系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可使用較低級(jí)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(xiǎn)，DSSS 系統(tǒng)最可能發(fā)生工作失敗的情況。不過(guò) DSSS 系統(tǒng)也能通過(guò)一定方式實(shí)現(xiàn)與 FHSS 系統(tǒng)類似的頻率捷變性，方法之一就是通過(guò)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(wú)線電設(shè)備支持的情況下讀取空中傳輸信號(hào)的功率等級(jí)。我們可用接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 (RSSI)來(lái)預(yù)先測(cè)量空中傳輸通道的功率，如果功率等級(jí)在一定時(shí)期內(nèi)過(guò)高，則會(huì)切換到另一個(gè)無(wú)干擾的通道。之所以考慮這一段時(shí)間是為了在 FHSS 系統(tǒng)通過(guò)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(wú)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(gè)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(guò)多重發(fā)射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率捷變性。發(fā)射器使用多種頻率發(fā)送同一個(gè)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(shí)，這種系統(tǒng)是可行的。無(wú)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(jì)過(guò)程中對(duì)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(wèn)題。設(shè)計(jì)人員可通過(guò)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(jì)自己的協(xié)議并配合使用 RSSI 等無(wú)線電特性，便可實(shí)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(wèn)題，但設(shè)計(jì)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(fèi)類與計(jì)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(jì)算機(jī)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(fèi)類與計(jì)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(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，其電子郵件地址為：rww@cypress.com。
