在WiFi干擾下的ZigBee網(wǎng)絡(luò)可靠性研究

徐鵬飛,朱 黎,譚建軍,鐘萬熊,黃定懿

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

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在WiFi干擾下的ZigBee網(wǎng)絡(luò)可靠性研究

徐鵬飛,朱 黎,譚建軍,鐘萬熊,黃定懿

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

WiFi系統(tǒng)和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)均主要工作在2.4 GHz的ISM頻段.同一區(qū)域同時(shí)部署兩種網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)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(dāng)兩者共存時(shí)，都會(huì)對(duì)彼此產(chǎn)生一定程度的干擾.主要研究WiFi網(wǎng)絡(luò)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的干擾.通過對(duì)兩者共存時(shí)的同頻干擾問題進(jìn)行詳細(xì)地分析，搭建反映ZigBee和WiFi共存的網(wǎng)絡(luò)仿真模型，提出了一種在強(qiáng)干擾下的基于改進(jìn)的頻率捷變的干擾避免方法，該方法檢測(cè)到干擾之后，自適應(yīng)地將節(jié)點(diǎn)切換到安全信道上來避免WiFi干擾. ZigBee網(wǎng)絡(luò)在WiFi干擾下的網(wǎng)絡(luò)性能根據(jù)誤比特率BER和誤包率PER來進(jìn)行評(píng)估.仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的方案能夠有效地減輕WiFi干擾的影響，進(jìn)而能夠提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的性能.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);同頻干擾;能量掃描;BER;PER

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低成本、低功耗的無線通信技術(shù).ZigBee的這一特性使其在住宅、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，但ZigBee技術(shù)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(yīng)用市場(chǎng)的不斷增長(zhǎng)，WiFi網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)部署在同一場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生同頻干擾問題.在干擾嚴(yán)重時(shí)可使ZigBee的丟包率達(dá)到90%以上[1]，嚴(yán)重影響到設(shè)備的性能.對(duì)于兩者之間共存時(shí)的干擾情況，國(guó)外研究學(xué)者Jung等[2]提出了兩者共存時(shí)的協(xié)作式抗干擾機(jī)制，此方法主要運(yùn)用于同一設(shè)備中兩者共存的情況，而實(shí)際情況中ZigBee和WiFi常存在于不同的設(shè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)的頻率捷變的抗干擾方法，仿真結(jié)果表明該方法在網(wǎng)絡(luò)的共存方面能夠有效地提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的性能.

1 共存通信頻段對(duì)比

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(gè)，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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(gè)信道(n=15,16,21,22)與WiFi的信道不產(chǎn)生重疊.由此可見，當(dāng)兩者的設(shè)備共存時(shí)，假定WiFi設(shè)備工作在任一信道上，則兩者信道重疊的概率為1/4.當(dāng)信道產(chǎn)生重疊時(shí)，兩者的同頻干擾將會(huì)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(duì)ZigBee帶來非常大的干擾，嚴(yán)重影響ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(hào)的干擾，也包括環(huán)境中的噪聲在內(nèi).

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(diào)制技術(shù).對(duì)于一個(gè)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(dāng)ZigBee信道和WiFi信道重疊的時(shí)候，可以把WiFi信號(hào)當(dāng)作ZigBee信號(hào)的部分頻帶干擾噪聲，信噪比則用信號(hào)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(gè)修正參數(shù)的帶內(nèi)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?yàn)楣β始性谥行念l率范圍內(nèi)，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(shí)間共同決定，TZ、TW分別為ZigBee、WiFi的包間隔時(shí)間，UZ、UW分別為ZigBee、WiFi的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口.

雖然ZigBee和WiFi都采用CSMA/CA(carrier sense multiple access with collsion avoidance)機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)，但和WiFi不同的是，ZigBee成功退避時(shí)間UZ后，只通過CCA機(jī)制檢測(cè)信道的狀態(tài)2次.假設(shè)其退避時(shí)間在0和最小競(jìng)爭(zhēng)窗口之間均勻分布，因此可以分別設(shè)定平均退避時(shí)間為各自最小競(jìng)爭(zhēng)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(shí)間偏移量，則可得兩者平均沖突時(shí)間如下(9)式所示：

(9)

假設(shè)x在[0，TW]之間均勻分布將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，則可以得出平均沖突時(shí)間TC如下(10)式:

(10)

在WiFi的強(qiáng)干擾下，誤包率最能反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的性能，其誤包率PER可表示為：

(11)

3 基于改進(jìn)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(nèi)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(shè)備能夠檢測(cè)到干擾，找到安全的信道并將整個(gè)個(gè)域網(wǎng)都遷移到一個(gè)無干擾的信道，性能將會(huì)顯著地提高[7].基于改進(jìn)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(kuò)展性.此方法主要由干擾檢測(cè)和干擾避免兩部分組成.每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)周期性地測(cè)量各自地誤包率，如果誤包率超過某個(gè)極限，發(fā)送端將要報(bào)告給路由器并檢查它的鏈路質(zhì)量指示(LQI),如果LQI低于某個(gè)值，協(xié)調(diào)器通知網(wǎng)絡(luò)中的所有路由器進(jìn)行干擾檢測(cè)找到可用的信道.干擾檢測(cè)通過在ZigBee協(xié)議里所定義的能量檢測(cè)掃描所獲得，最后將所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)移到選定的安全信道上.

3.1 干擾檢測(cè)機(jī)制

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用基于PER-LQI的干擾檢測(cè)機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)中為了提高包的傳輸和網(wǎng)絡(luò)電池的壽命，使用常規(guī)的數(shù)據(jù)包來代替專用的信標(biāo)進(jìn)行干擾檢測(cè)[8].每個(gè)終端測(cè)量各自的誤包率，通過傳輸至少20個(gè)數(shù)據(jù)包.當(dāng)誤包率超過25%時(shí)，其將干擾檢測(cè)報(bào)告給其上一級(jí)路由器.路由器檢測(cè)該路由器和終端設(shè)備間的LQI值，如果LQI值小于100，則認(rèn)為其數(shù)據(jù)包丟失是由于鏈路質(zhì)量差所造成的.在這種情況下，路由器將檢測(cè)報(bào)告給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器啟動(dòng)相關(guān)的干擾避免機(jī)制，然后開始轉(zhuǎn)移至一個(gè)安全的信道.

對(duì)于特殊的情況，當(dāng)干擾很嚴(yán)重時(shí)，以至于終端和路由器的通信中斷，路由器仍然能夠檢測(cè)干擾，因?yàn)樗ㄆ诘乇O(jiān)測(cè)它和所有孩子節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量LQI，如果鏈路質(zhì)量LQI在多個(gè)周期內(nèi)很低，路由器接收不到任何來自孩子節(jié)點(diǎn)的消息，其將會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行能量檢測(cè)掃描，并將結(jié)果報(bào)告給協(xié)調(diào)器.

3.2 干擾避免機(jī)制

考慮到多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)共存的場(chǎng)景，讓存在嚴(yán)重干擾或優(yōu)先級(jí)較低的網(wǎng)絡(luò)通過信標(biāo)請(qǐng)求的方式轉(zhuǎn)移到另外的信道，提出一種基于偽隨機(jī)序列的干擾避免機(jī)制.所有的設(shè)備轉(zhuǎn)移至基于預(yù)先定義的偽隨機(jī)序列的信道上來避免干擾.很顯然，這一機(jī)制增加了時(shí)延和能量消耗.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)ZigBee信道和WiFi的中心頻率之間的頻偏大于8MHz時(shí),來自IEEE 802.11b的干擾可以忽略.當(dāng)頻偏小于3MHz時(shí)，ZigBee遭受重度干擾.為了減少檢測(cè)時(shí)間和功率消耗，根據(jù)頻偏將ZigBee信道劃分為3級(jí),如上圖1所示.第一級(jí)的頻偏大于12 MHz，包含15、20、25、26幾個(gè)信道，第二級(jí)頻偏大于7 MHz，小于12 MHz，包含11、14、16、19、21、24幾個(gè)信道，第三級(jí)頻偏小于3 MHz，包含12、13、17、18、22和23幾個(gè)信道.其中第一級(jí)優(yōu)先級(jí)最高，第三級(jí)優(yōu)先級(jí)最低.每個(gè)路由器根據(jù)優(yōu)先級(jí)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和其所處的位置分配一個(gè)權(quán)值.那些靠近WiFi接入點(diǎn)或者擁有大量孩子節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)分配到大的權(quán)值.所采用的算法最小化了決策算法的復(fù)雜性，一旦完成能量監(jiān)測(cè)掃描，網(wǎng)絡(luò)中的所有路由器開始主動(dòng)掃描所選擇的轉(zhuǎn)移信道.

使用NS2.34的基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果與性能分析

誤比特率BER和誤包率PER的仿真結(jié)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(jìn)行.從仿真結(jié)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(dāng)距離大于8 m時(shí)，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(luò)的可靠通信.由此可以得出距離和頻偏是使ZigBee網(wǎng)絡(luò)減輕WiFi干擾的兩個(gè)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(jié)論

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

[1] 張招亮,陳海明,黃庭培,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種抗無線局域網(wǎng)干擾的信道分配機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2012(3):504-517.

[2] JUNG B H,CHONG J W,JUNG Chang-young,et al.Interference mediation for coexistence of WLAN and ZigBee networks[C]//Proc of the 19th IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications.2008.

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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.

[5] 黃仁,晏政雙.空閑信道評(píng)估對(duì)ZigBee與Wi-Fi共存的影響研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2013(9):2843-2845.

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[7] 尹杰，楊世江，王韓瑞，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實(shí)驗(yàn)樓宇照明及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2017，38(2)：42-46，60.

[8] 吳瓊,袁建英.一種新的分布式自適應(yīng)抗同頻干擾技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2014(8):2437-2440.

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責(zé)任編輯：時(shí) 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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61661020)

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

譚建軍(1960-)，男，教授，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)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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