徐鵬飛,朱 黎,譚建軍,鐘萬熊,黃定懿

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

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在WiFi干擾下的ZigBee網(wǎng)絡可靠性研究

徐鵬飛,朱 黎,譚建軍,鐘萬熊,黃定懿

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

WiFi系統(tǒng)和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)均主要工作在2.4 GHz的ISM頻段.同一區(qū)域同時部署兩種網(wǎng)絡的場景越來越多，如何有效地避免干擾，是目前亟待解決的問題.從理論上講，當兩者共存時，都會對彼此產(chǎn)生一定程度的干擾.主要研究WiFi網(wǎng)絡對ZigBee網(wǎng)絡的干擾.通過對兩者共存時的同頻干擾問題進行詳細地分析，搭建反映ZigBee和WiFi共存的網(wǎng)絡仿真模型，提出了一種在強干擾下的基于改進的頻率捷變的干擾避免方法，該方法檢測到干擾之后，自適應地將節(jié)點切換到安全信道上來避免WiFi干擾. ZigBee網(wǎng)絡在WiFi干擾下的網(wǎng)絡性能根據(jù)誤比特率BER和誤包率PER來進行評估.仿真結果表明所設計的方案能夠有效地減輕WiFi干擾的影響，進而能夠提高ZigBee網(wǎng)絡的性能.

無線傳感器網(wǎng)絡;同頻干擾;能量掃描;BER;PER

ZigBee技術是一種短距離、低成本、低功耗的無線通信技術.ZigBee的這一特性使其在住宅、商業(yè)和工業(yè)領域得到了非常廣泛的應用，但ZigBee技術不適宜傳輸數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)，如聲音、圖像等.WiFi很好地解決了這一問題，隨著應用市場的不斷增長，WiFi網(wǎng)絡和ZigBee網(wǎng)絡部署在同一場景中的情況越來越多.因二者的通信頻段一致，兩者共存將會產(chǎn)生同頻干擾問題.在干擾嚴重時可使ZigBee的丟包率達到90%以上[1]，嚴重影響到設備的性能.對于兩者之間共存時的干擾情況，國外研究學者Jung等[2]提出了兩者共存時的協(xié)作式抗干擾機制，此方法主要運用于同一設備中兩者共存的情況，而實際情況中ZigBee和WiFi常存在于不同的設備中.Peizhong Yi[3-4]提出了一種基于頻率捷變的抗干擾方法，此方法通過改變通信信道來避免干擾，通過尋找最空閑的信道，然后將整個網(wǎng)絡切換到此最優(yōu)信道上來避免干擾.基于以上的情況，提出一種基于誤比特率和誤包率的改進的頻率捷變的抗干擾方法，仿真結果表明該方法在網(wǎng)絡的共存方面能夠有效地提高ZigBee網(wǎng)絡的性能.

1 共存通信頻段對比

IEEE 802.11標準指定了WiFi的物理層和MAC層規(guī)范，其在2.4 GHz上定義了13個帶寬為22 MHz的相互重疊的通信頻段，其信道的中心頻率如下(1)式所示，其不發(fā)生重疊的信道最多只有3個，如下圖1(a)所示.

fWiFi=2 412+5(n-1)n=1,2,…,13

(1)

圖1 ZigBee和WiFi的信道分布Fig.1 The distribution of ZigBee and WiFi channel

IEEE 802.15.4標準定義了ZigBee的物理層和MAC層規(guī)范，其在2.4 GHz上定義了16個帶寬為5 MHz的通信頻段.其信道的中心頻率如下(2)式所示，其信道分布如圖1(b)所示.

fZigBee=2 405+5(n-1)n=11,12,…,26

(2)

由兩者的信道圖可以看出ZigBee只存在4個信道(n=15,16,21,22)與WiFi的信道不產(chǎn)生重疊.由此可見，當兩者的設備共存時，假定WiFi設備工作在任一信道上，則兩者信道重疊的概率為1/4.當信道產(chǎn)生重疊時，兩者的同頻干擾將會產(chǎn)生.相比較于WiFi，ZigBee的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率都較低，這將對ZigBee帶來非常大的干擾，嚴重影響ZigBee網(wǎng)絡的通信可靠性.

2 ZigBee誤比特率和誤包率的理論分析

搭建ZigBee的誤比特率和誤包率的分析模型，其中在誤包率的分析中不僅包括WiFi信號的干擾，也包括環(huán)境中的噪聲在內.

2.1 在WiFi干擾下的ZigBee誤比特率分析

IEEE 802.15.4的物理層在2.4 GHz采用O-QPSK調制技術.對于一個加性高斯白噪聲信道，誤比特率可用如下式(3)表示:

(3)

其中：Eb/No代表信噪比，Q(x)是高斯分布的Q函數(shù)，如式(4)所示：

(4)

當ZigBee信道和WiFi信道重疊的時候，可以把WiFi信號當作ZigBee信號的部分頻帶干擾噪聲，信噪比則用信號和干擾加噪聲的比率代替，其定義如式(5)所示：

(5)

考慮到IEEE 802.11b的功率譜是ZigBee的11倍寬且不是均勻分布，一個修正參數(shù)的帶內功率因數(shù)r被引到干擾功率之中，因此可以修正為：

(6)

為了得到因數(shù)r,必須考慮IEEE 802.11b的功率譜密度和在WiFi和ZigBee的中心頻率之間的頻偏.因為功率集中在中心頻率范圍內，所以r隨著頻偏的降低而增大.

2.2 在WiFi干擾下的ZigBee誤包率分析

誤包率由誤比特率和沖突時間共同決定，TZ、TW分別為ZigBee、WiFi的包間隔時間，UZ、UW分別為ZigBee、WiFi的最小競爭窗口.

雖然ZigBee和WiFi都采用CSMA/CA(carrier sense multiple access with collsion avoidance)機制發(fā)送數(shù)據(jù)，但和WiFi不同的是，ZigBee成功退避時間UZ后，只通過CCA機制檢測信道的狀態(tài)2次.假設其退避時間在0和最小競爭窗口之間均勻分布，因此可以分別設定平均退避時間為各自最小競爭窗口的一半，則可以得出：

TZ=LZ+TSIFS,Z+TACK,Z+UZ+TCCA

(7)

TW=LW+TSIFS,W+TACK,W+TDIFS+UW

(8)

令x為WLAN包和ZigBee包之間的時間偏移量，則可得兩者平均沖突時間如下(9)式所示：

(9)

假設x在[0，TW]之間均勻分布將模型進行簡化，則可以得出平均沖突時間TC如下(10)式:

(10)

在WiFi的強干擾下，誤包率最能反應網(wǎng)絡的性能，其誤包率PER可表示為：

(11)

3 基于改進的頻率捷變方法的提出

根據(jù)所建立的理論模型，誤比特率決定于重疊信道內的干擾和噪聲的功率，干擾的功率主要取決于頻偏和距離的大小[6].如果ZigBee設備能夠檢測到干擾，找到安全的信道并將整個個域網(wǎng)都遷移到一個無干擾的信道，性能將會顯著地提高[7].基于改進的頻率捷變的方法不僅滿足節(jié)能的要求，還可以獲得高可靠性和可擴展性.此方法主要由干擾檢測和干擾避免兩部分組成.每個發(fā)送節(jié)點周期性地測量各自地誤包率，如果誤包率超過某個極限，發(fā)送端將要報告給路由器并檢查它的鏈路質量指示(LQI),如果LQI低于某個值，協(xié)調器通知網(wǎng)絡中的所有路由器進行干擾檢測找到可用的信道.干擾檢測通過在ZigBee協(xié)議里所定義的能量檢測掃描所獲得，最后將所有的網(wǎng)絡設備轉移到選定的安全信道上.

3.1 干擾檢測機制

在ZigBee網(wǎng)絡中采用基于PER-LQI的干擾檢測機制，在網(wǎng)絡中為了提高包的傳輸和網(wǎng)絡電池的壽命，使用常規(guī)的數(shù)據(jù)包來代替專用的信標進行干擾檢測[8].每個終端測量各自的誤包率，通過傳輸至少20個數(shù)據(jù)包.當誤包率超過25%時，其將干擾檢測報告給其上一級路由器.路由器檢測該路由器和終端設備間的LQI值，如果LQI值小于100，則認為其數(shù)據(jù)包丟失是由于鏈路質量差所造成的.在這種情況下，路由器將檢測報告給協(xié)調器，協(xié)調器啟動相關的干擾避免機制，然后開始轉移至一個安全的信道.

對于特殊的情況，當干擾很嚴重時，以至于終端和路由器的通信中斷，路由器仍然能夠檢測干擾，因為它定期地監(jiān)測它和所有孩子節(jié)點間的鏈路質量LQI，如果鏈路質量LQI在多個周期內很低，路由器接收不到任何來自孩子節(jié)點的消息，其將會自動地進行能量檢測掃描，并將結果報告給協(xié)調器.

3.2 干擾避免機制

考慮到多個ZigBee網(wǎng)絡共存的場景，讓存在嚴重干擾或優(yōu)先級較低的網(wǎng)絡通過信標請求的方式轉移到另外的信道，提出一種基于偽隨機序列的干擾避免機制.所有的設備轉移至基于預先定義的偽隨機序列的信道上來避免干擾.很顯然，這一機制增加了時延和能量消耗.通過實驗發(fā)現(xiàn)當ZigBee信道和WiFi的中心頻率之間的頻偏大于8MHz時,來自IEEE 802.11b的干擾可以忽略.當頻偏小于3MHz時，ZigBee遭受重度干擾.為了減少檢測時間和功率消耗，根據(jù)頻偏將ZigBee信道劃分為3級,如上圖1所示.第一級的頻偏大于12 MHz，包含15、20、25、26幾個信道，第二級頻偏大于7 MHz，小于12 MHz，包含11、14、16、19、21、24幾個信道，第三級頻偏小于3 MHz，包含12、13、17、18、22和23幾個信道.其中第一級優(yōu)先級最高，第三級優(yōu)先級最低.每個路由器根據(jù)優(yōu)先級、網(wǎng)絡協(xié)議和其所處的位置分配一個權值.那些靠近WiFi接入點或者擁有大量孩子節(jié)點的節(jié)點分配到大的權值.所采用的算法最小化了決策算法的復雜性，一旦完成能量監(jiān)測掃描，網(wǎng)絡中的所有路由器開始主動掃描所選擇的轉移信道.

使用NS2.34的基于IEEE 802.15.4標準的仿真模型如圖2所示：

圖2 IEEE 802.11b/IEEE 802.15.4共存仿真模型Fig.2 The coexistence simulation model based on IEEE 802.11b/IEEE 802.15.4 standard

4 仿真結果與性能分析

誤比特率BER和誤包率PER的仿真結果分別如下圖3、4所示，絕大多數(shù)信道都和WiFi信道有著重疊，其分別和WiFi信道有著2、3、7和8 MHz的頻偏[9]，因此仿真主要在以上4種情形中進行.從仿真結果可以看出，誤比特率和誤包率隨著頻偏的增加而下降很快,而當距離大于8 m時，誤比特率和誤包率都較低，可以不用考慮頻偏的大小而保證ZigBee網(wǎng)絡的可靠通信.由此可以得出距離和頻偏是使ZigBee網(wǎng)絡減輕WiFi干擾的兩個重要參數(shù).

圖3 不同距離和頻偏下的誤比特率Fig.3 The bit error rate(BER) of different distance and frequency offset

圖4 不同距離和頻偏下的誤包率Fig.4 The packet error rate(PER) of different distance and frequency offset

5 結論

ZigBee在WiFi干擾下的網(wǎng)絡性能通過網(wǎng)絡仿真器進行仿真，仿真模型反映了ZigBee和WiFi間的共存性能.仿真結果表明ZigBee可以受到WiFi的嚴重干擾，合適的距離和頻偏可以用來指導ZigBee網(wǎng)絡的部署.從仿真結果中可以得出，在兩者間的距離超過8 m時，可以不必考慮頻偏而能保證ZigBee網(wǎng)絡的可靠性能，同樣，當兩者間的頻偏超過8 MHz時，兩者間的距離只有2 m時，仍能保證可靠通信.可以看出，所提算法用在和WiFi網(wǎng)絡的共存方面，增強了ZigBee的網(wǎng)絡性能，從而能提供更可靠的服務.

[1] 張招亮,陳海明,黃庭培,等.無線傳感器網(wǎng)絡中一種抗無線局域網(wǎng)干擾的信道分配機制[J].計算機學報,2012(3):504-517.

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[4] YI Pei-zhong,IWAYEMI A,ZHOU Chi.Frequency agility in a ZigBee network for smart grid application[C]//Proc of IEEE Innovative Smart Grid Technologies.2010:1-6.

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[6] 晏政雙.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡與WLAN的共存研究[D].重慶：重慶大學,2013.

[7] 尹杰，楊世江，王韓瑞，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實驗樓宇照明及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].吉首大學學報(自然科學版)，2017，38(2)：42-46，60.

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責任編輯：時 凌

Study on the Reliability of ZigBee Network under Interference of WiFi

XU Pengfei,ZHU Li,TAN Jianjun,ZHONG Wanxiong,HUANG Dingyi

(School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

The systems of WiFi and WSN mainly work in the 2.4 GHz Industrial,Scientific, and Medical (ISM) band.How to effectively avoid the interference is the problem to be solved.In theory,when coexistence happens,it will have a certain degree of interference on each other.In this paper,we mainly research on reliabilities of ZigBee network under WiFi interference.By analyzing the problem of same frequency interference between WiFi and ZigBee in detail,a simulation model which reflects the ZigBee and WiFi coexistence has been introduced.And we have proposed an interference avoidance algorithm under strong interference based on modified frequency agility.The algorithm detects interference and adaptively switches nodes to safe channel to avoid WiFi interference.The performance of ZigBee under WiFi is evaluated in terms of the packet error rate (PER) and bit error rate (BER).The simulation results demonstrate that the design guideline can efficiently mitigate the effect of WiFi interference and enhance the performance of ZigBee networks.

WSN; same frequency interference; energy scan;BER;PER

2017-03-17.

國家自然科學基金項目(61661020)

徐鵬飛(1992-),男，碩士生，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡的研究；*

譚建軍(1960-)，男，教授，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡及應用的研究.

1008-8423(2017)02-0198-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.020

TN972

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