ZigBee/蓝牙异构网络互扰特性研究

摘 要： 随着无线通信技术在实际生活中的普及，同处于2.4 GHz ISM开放频段上的不同种无线传输技术间的相互干扰问题变得日益突出。在此对多模异构系统中蓝牙信号与ZigBee信号间的干扰现象进行分析，并设计出基于马尔科夫链概念（Markov chain concept）的ZigBee传输网络的简易数学模型。通过数学模型来分析ZigBee设备受蓝牙同频异种信号干扰而导致的数据吞吐量和空闲信道评估（CCA）异常的情况。

关键词： 马尔科夫链； ZigBee； 蓝牙； 互扰

中图分类号： TN926?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）24?0104?03

Research on mutual Interference characteristics ofZigBee and

Bluetooth heterogeneous network

ZHOU Chen， FAN Yuqi， ZHANG Jinlong

（Nanjing Normal University， Nanjing 210000， China）

Abstract： With the popularity of wireless communications technology in actual life， the mutual interference among different kinds of wireless transmission technologies used in the same frequency band of 2.4 GHz is becoming more and more prominent. The interference between Bluetooth signal and ZigBee signal in multimode heterogeneous system is analyzed in this paper. A simple mathematical model of ZigBee transmission network based on Markov chain concept is designed. The ZigBee device’s abnormal conditions in the data throughout and CCA （clear channel assessment） caused by the interference of Bluetooth heterogeneous signals with same frequency are analyzed by means of the mathematical model.

Keywords： Markov chain； ZigBee； Bluetooth； mutual interference

0 引 言

近年来用户对于更便捷的使用公用频段的呼声尤其高涨，应声而来的是各种处于公用频段上的无线传输技术在现实应用中得到了极大的普及，如无线局域网（WiFi）、蓝牙（Bluetooth）、ZigBee[1]、无线USB（Wireless USB）等技术手段应用到了生活中的各行各业。在所有的这些WPAN技术中，企业和个人用户对于ZigBee[2]和蓝牙技术尤其青睐，这得益于它们的低成本和低能耗这两个特性。但是鉴于它们都是工作于2.4 GHz频段上的无线传输协议，因此它们之间存在互相干扰的问题。

麻省理工学院（MIT）的豪伊特（Dr.Howitt）和古铁雷斯博士（Dr.Gutierrez）曾通过实验分析了ZigBee和WLAN网络相互间干扰的特性，并定性的给出了其干扰区域。西科拉（Dr.Sikora）和格罗扎博士（Dr.Groza）也曾通过实验指出处于异构网络中的WLAN和蓝牙在传输数据时存在丢帧现象。因此本文对于处在同一网络中的ZigBee/蓝牙信号的忽扰现象的研究十分有必要。

1 ZigBee/蓝牙异构网络构成

多模异构无线数据传输系统在生活中的应用十分广泛，涉及医疗、强电、工业控制、安防等方方面面。不考虑每个系统特定的数据采集模块，一个稳定的多模系统至少包含三个主要模块：蓝牙模块、异构网关模块和ZigBee模块。

1.1 网关搭建

在多模异构无线网络中网关通常是担负转换责任的设备，在使用不同通信协议数据格式的多个系统间起到翻译作用，并通过对数据进行重新封装使得其能被另一个系统认知，来适应目标系统对于信息交互的要求，其协议交换结构图如图1所示。

无线网关需要对蓝牙和ZigBee两种通信协议栈进行桥接[3?4]，对设备来说，它是数据的通信接口，从用户角度来看它却是不存在的。本文中的无线网络仅包含蓝牙和ZigBee通信协议，因此服务于此系统的异构网关需要具有识别蓝牙和ZigBee协议的能力，不仅能和单一的模块进行数据通信，也能在两种模块间进行数据的翻译和重新封装，以实现数据互通的目的。如图2所示，在进行数据交互时，网关首先要对从源端接收的数据进行鉴别以确认其发送和接收设备，依据情况对原数据包的协议头部进行删除处理，对于超过接收端最大传输单元（MaximumTransfer Unit）的数据包要进行拆分整合处理，并最终加上能被受端识别的协议头部，最后再将数据发送到受端。

图1 ZigBee/蓝牙异构无线网关协议结构示意图

图2 异构网关数据交互处理流程图

1.2 ZigBee/蓝牙模块特性分析

一个小型的ZigBee网络由全功能设备（Full?Function Devices，FFD）和精简功能设备（Reduced?Function Devices，RFD）所组成。至少一个FFD将作为个人局域网（PAN）协调器来保障整个网络的稳定运行，其网络拓扑结构分为星型和对等结构。为了保证测试环境的稳定性，本文将在一个星型拓扑结构网络中采用直接序列展频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）技术将ZigBee传输信道进行固定，并通过CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的协议来进行调节。

小型蓝牙网络是由两个及两个以上使用相同信道的蓝牙收发设备所组成的无线网络[5]，且其中一个蓝牙设备将作为此网络的主设备存在。蓝牙网络提供了点对点和点对多点的传输模式，其传输信道被划分为多个时隙，每个间隙的长度为625 μs。蓝牙共有79个工作于2.4 GHz ISM频带上的信道，其不同子节点间的数据交互通过跳频技术（Frequency?Hopping Spread Spectrum，FHSS）在信道上进行传输。与ZigBee不同，蓝牙设备的发送功率等级分为100 mW级（class1）、2.5 mW级（class2）和1 mW级（class3）三种。

本文所述的测试环境将主要采用功率等级为100 mW级（class1）和2.5 mW级（class2）的蓝牙设备来搭建干扰网络，由于所采用的蓝牙芯片发射功率为ZigBee芯片的上百倍，故将假设蓝牙信号对ZigBee信号传输起干扰作用，而ZigBee信号对蓝牙信号不起干扰作用，其干扰信号如图3所示。

图3 ZigBee/蓝牙信号互扰示意图

2 ZigBee网络在蓝牙网络信号干扰下的数学

模型建立

ZigBee设备的马尔科夫链模型如图4所示。

图4 ZigBee设备的马尔科夫链模型

如图4所示，当一马尔科夫链模型模拟一个ZigBee网络处在大功率的蓝牙网络中时，若其中一个ZigBee设备处在第i阶退避阶段，最大退避阶数为j时，设其状态为（i，j）；如果设备的退避计数器的值变为0，则设备进行第一次空闲信道评估（CCA）。若第一次CCA失败，则设备将退避阶数改为i+1，并重新选取一个退避计数器的值，若仍失败则循环上一步操作。最终将成功的空闲信道评估数据进行打包发送。

在马尔科夫链[6]模型中假设第一次和第二次CCA失败的概率是一样的，设为[α?ZB]；其退避阶数设为[β?ZB]，则信道间的单步跳频稳态概率推导公式如下所示：

[Pbi，jbi，j+1=1， i∈（0，m） and j∈（0，Wi-2）Pbi，-1bi，0=1-α?ZB， i∈（0，m）Pbi，-1bi-1，0=α?ZBWi， i∈（1，m） and j∈（0，Wi-1） Pbi，jbi-1，-1=β?ZBWi， i∈（1，m） and j∈（0，Wi-1）] [Pb0，jbi，-1=（1-β?ZB）Wi， i∈（1，m-1） and j∈（0，W0-1）Pb0，jbm，-1=α?ZBWi， j∈（0，W0-1）Pb0，jbm，-1=1W0， j∈（0，W0-1）]式中：bi，j，m和Wi分别表示在状态（i，j）时的稳态概率、最大退避阶数和在第i阶时的退避量；[τ?ZB]为从退避阶段回到CCA阶段的转移概率，其公式如下所示：

[τ?ZB=i=0mbi，ji=0mj=0Wi-1bi，j =21-a?ZB+β?ZB-a?ZBβ?ZBm+1i=0mW02min（i，BEmax-BEmin）+1a?ZB+β?ZB-a?ZBβ?ZBi =11-α?ZB+β?ZB-α?ZBβ?ZB] （1）

若要对ZigBee设备第一次和第二次CCA的失败概率进行数学建模则还需要考虑蓝牙网络对其的干扰因素。要确定其干扰区域需要从拥有n个传输节点的ZigBee网络中和拥有m个节点的蓝牙网络中分别随机选取第i和第j个节点，并监控其数据传输情况，其干扰区域如图5所示。

图5 ZigBee/蓝牙网络随机节点分时互扰示意

当处于时隙4时，ZigBee节点和蓝牙节点都处于数据收发状态[7?9]，而数据跟踪显示出ZigBee节点的CCA有明显扰现象，说明当给定的两节点同时处于工作状态时大功率的蓝牙设备可以干扰ZigBee设备，反之则不行。通过分析可以得出导致给定的ZigBee节点CCA失败的原因有两点：

（1） 当两设备同处于时隙2、时隙4时，蓝牙节点的信道占用干扰了ZigBee节点的CCA。

（2） 当处于时隙3时，ZigBee网络中其他同源节点的数据收发干扰了给定节点的CCA。

由此可见给定ZigBee节点只有处于时隙1时，即信道被闲置时，其CCA才能成功。CCA的成功概率[α?ZB]可以进一步表达为：

[α?ZB=1-（1-αBTZB）（1-αZBZB）] （2）

式中：[αBTZB]和[αZBZB]分别表示因为蓝牙电波的干扰和ZigBee网络节点电波的干扰所引起的CCA失败的概率。单独给定的ZigBee设备在运行过程中不会改变自己的载波频率，而蓝牙设备会在每个时隙（625 μs）内在自己的79个信道内跳频，考虑到ZigBee信号的退避时隙长度为320 μs，当假设ZigBee信号的波长为蓝牙信号波长的两倍且他们为同步状态，则可推出[αZBZB]为[279]（如图6所示）。可进一步导出ZigBee设备受蓝牙信号影响的CCA失败概率[αBTZB]为：

[αBTZB=1-7779m] （3）

式中m为蓝牙网络中活跃的设备数量。由此可见当一个ZigBee/蓝牙异构网络中蓝牙节点的个数越多时，ZigBee设备的数据吞吐量越小，且发送成功率更低。

图6 ZigBee设备受单个蓝牙设备干扰示意图

3 结 语

本文首先设计了ZigBee/蓝牙异构网关来验证此二种通信模式在同一网络中并存的可行性，而后加强网络中蓝牙设备的发送功率使之达到ZigBee设备功率的上百倍来让实验结果更直观，并且针对ZigBee设备建立简单的Markov模型，最后通过模型对ZigBee/蓝牙异构网络的两项参数（数据吞吐量和数据传输成功率）进行研究。此次实验结果只能作为理论依据。下一步的任务是深入分析网络结构，优化传输协议，使得异构无线网络的应用更为广泛[10]。

参考文献

[1] 彭燕.基于ZigBee的无线传感器网络研究[J].现代电子技术，2011，34（5）：49?51.

[2] 林丽萍.基于ZigBee的无线传感器网络组网研究[D].上海：复旦大学，2008.

[3] Texas Instruments. CC2430 data sheet（rev 2.1）SW RS036F [R]. US： Texas Instruments， 2008.

[4] MENG Qianqian， BAO Kejin. Security analysis for wireless network based on ZigBee [C]// Proceedings of the 2009 International Forum on Information Technology and Applications. [S.l.]： IFITA， 2009： 158?160.

[5] 陆波.ZigBee技术在电力物联网中的应用[J].计算机光盘软件与应用，2011，30（15）：31?32.

[6] MATTINGLY R B. Solving Markov chains using bounded on a massively parallel processor [C]// Proceedings of the Fifth IEEE Symposium on Parallel and Distributed Processing. Dallas， TX： IEEE， 1993： 128?133.

[7] 廖义奎.Cortex?M3之STM32嵌入式系统设计[M].北京：中国电力出版社，2012.

[8] 涂淞.基于Blue Core蓝牙芯片的USB和UART接口设计与实现[J].电子技术，2003（7）：36?39.

[9] 黄布毅.基于ZigBee技术家庭网关的设计与实现[J].通信技术，2009，42（6）：71?73.

[10] 许翠苹，博通.让蓝牙与WiFi从对立走向互补[J].通讯世界， 2010（6）：59?60.