一种zigbee网络跳信道方法的研究

[摘 要]随着无线网络的发展,无线网络的使用越来越广泛;由于各种无线技术的特点,将有多种无线技术在工业环境中使用,支持不同工业应用的通信。而ZigBee技术越来越多的用于感测与控制,所以研究ZigBee与其他无线技术之间的干扰问题也逐渐暴露出来。本文参考蓝牙的自适应跳频技术,将这种思想应用于ZigBee中,研究和分析几种可能的干扰,并提出有效的解决方法,并对此进行分析。

[关键词]跳信道技术 ZigBee IEEE 802.15.4 IEEE 802.11b

[中图分类号]TP[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0077-02

引言

自ZigBee规范问世以来[1],zigbee网络吸引了众多机构不断地投入人力物力对zigbee相关的芯片、协议栈和实际应用进行不断开发、完善和发展。在应用领域上,基于ZigBee的智能家居无线网络和楼宇自动化无线网络等方面都获得相当广泛的接受和认可。

在zigbee网络的实际应用中发现,空间中同时存在基于其他各种无线技术的设备。而大部分无线技术(如802.11系列、802.15系列、RFID、无线HART等)都工作在2.4GHz的ISM公共频段。这样就会出现空间中各种无线网络相互干扰的现象。所以,在各种无线技术共存的环境中为了使ZigBee设备能够具有更好的抗干扰性,本文提出一种自适应跳信道技术应用于zigbee网络。这种跳信道技术不仅提高了设备的抗干扰性能,同时也充分利用了2.4GHz频段内ZigBee的全部带宽。

1 ZigBee的跳信道原理

1.1 信道分类

ZigBee网络采用IEEE802.15.4[2]协议,工作在2.4GHz有16个信道。如图1所示,信道主要分为:

1.1.1 专用信道(15#,20#,25#,26#)

用于信标帧的广播:为了网络中的协调器在发送信标帧的时候不被功率较大的IEEE 802.11b系统干扰,信标帧发送时使用15#,20#,25#,26#这四个与IEEE 802.11b的工作信道不重合的信道。

1.1.2 一般信道(专用信道以外剩下的信道)

四个专用信道以外,其余信道都将与IEEE 802.11b的1#、6#、11#这三个工作信道重合,所以在可干扰范围内与IEEE 802.11b系统产生信道冲突的可能性相对较大。

2 基本原理

当ZigBee在全部信道范围内跳信道时,有一个IEEE 802.11b设备正通过它的一个信道(等于ZigBee设备的4个信道)进行通信,那么,必然会干扰ZigBee连续4个信道。这时,我们把受干扰的这4个信道从跳信道序列中去除掉,防止两种系统间的干扰。

当去除了干扰信道之后,必须用其它好信道去弥补它。弥补方法是,假设当前信道为扰信道,那么用扰信道的后一信道替代当前信道。如果序列是随机选出来的,那么很有可能后一信道也是受干扰的连续4个信道之中的一个。这个问题可以通过跳信道序列的合理选择来解决。

2.1 跳信道序列选择

前面讲过ZigBee的信道可以分为两种,一种是与IEEE 802.11b三个信道(1#、6#、11#)重合的部分;另一种是刚好在这三个信道之间的非重合区域信道。以这几个非重合信道为界限,将16个信道分为四个信道组:

11#、12#、13#、14#为一组;

16#、17#、18#、19#为一组;

21#、22#、23#、24#为一组;

最后26#信道作为一组。

如图三所示,选取信道是按以下步骤:从每组中的第一个信道依次选取,接着又是每组的第二个信道依次选取,这样一直选下去,最后只剩下中间三个信道15#、20#、25#,这三个信道依次放到序列的最后。

从选择好的跳信道序列可以看出,任何相邻两个信道都不属于同一个重合区域。所以,当用相邻的后一信道替换当前信道时,可以保证替代信道不属于同一受干扰区域。

这样选择序列的好处还存在以下两个优点:

(2)保证相邻信道之间相隔20MHz以上带宽

(2)保证相邻两个驻留周期不停留在同一组重合区域

3 zigbee跳信道技术抗干扰分析

3.1 对IEEE 802.11b系统的抗干扰分析

当系统被IEEE 802.11b系统干扰时,很显然,它会干扰到IEEE 802.15.4的连续4个信道,即我们在2.5节里面分的任意一组信道。本文所采用的躲避干扰的策略是:当某一信道受到干扰并要被去除次信道时,用它后面一个信道来替换这一信道。如图3所示。

3.2 混合抗干扰分析

混合抗干扰指的是,ZigBee系统既要抵抗IEEE 802.11b的干扰,同时也要抵抗来自相同系统的干扰。要避免这种干扰,在综合使用各自的抗干扰原理的同时还需做灵活的应变措施。前面提到,ZigBee系统抵抗来自ZigBee系统的干扰时,使用了采用不同起跳点的方法;避免来自IEEE 802.11b系统的干扰时,采用了用后一信道替换当前不可用信道的措施。但如果盲目的混合使用这两种方法会出现负负得正的情况。

分析混合抗干扰需要有一个表示起跳点间隔的参数,这个参数用n表示。可选择的起跳点数用k表示。n和k 都为整数,关系式如下:

,0

如图4所示,n=0时,k=16, 即有16个起跳点供每个系统选择。邻接的两个ZigBee系统,一个工作在起跳点为11#的序列;两外一个工作在起跳点为16#的序列。这时,有一个IEEE 802.11b系统加入,其干扰范围将这两个ZigBee系统全部覆盖进去。如果将上述两种方法综合利用,把IEEE 802.11b的工作信道去除掉,并以期后一信道替换时,重新得出的两个序列会出现部分重叠现象。

所以在一定区域内,合理选择n值是非常重要的。网络形成时,系统随机选择一个n值,根据网络的通信情况,增加或减少n值,直到网络达到最好的通信质量。

上图所示n=0时,一旦遇到网络非常密集,所有起跳点都被使用的情况下,面对抗干扰是非常脆弱的。而n=1时,用六边形覆盖原理分析其抗干扰性能。

如图5所示,正六边形表示星型网的覆盖区域,半径表示这个网络的最大传输距离。用不同的图案表示不同的起跳点。图中使用了7个起跳点。小圆的半径两倍于最大通信距离;大圆的半径四倍于最大通信距离。小圆覆盖了六边形区域里所有可能存在的节点的信号覆盖区域。每一个区域周围最多可以有6个邻接区域,这也是网络分布最为密集的情况。小圆没有超越周围任何一个邻接区域,这说明,在理想的情况下只需要7个起跳点就可以实现全网覆盖和抗干扰。而n=1时,实际上有8个起跳点可供选择,所以n=1时系统可以有效抗干扰是成立的。当网络并不非常密集,网络分布相对疏散的情况下,n可以取更大的值,系统的抗干扰能力也会相应提高。

4 结语

通过分析,文章提出的ZigBee网络跳信道方法对本系统和IEEE 802.11b有很好的抗干扰能力,原理也较为简单,降低了实现难度。只要ZigBee网络能够支持较好的时间同步,通过在MAC层添加跳信道信息和信道替换算法,可以实现带有抗干扰能力的ZigBee协议栈。

[参考文献]

[1] 蒋挺,赵成林.紫蜂技术及其应用.北京:北京邮电大学出版社[M].2006.

[2] 顾瑞红,张宏科.基于Zigbee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用,2005 (6):l-3

[3] 陈聪,冯玉林,施惠昌.ZigBee和WiFi的干扰和共存[J].计算机工程与设计,VO1.27NO.18Sept.2006.

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文