实现 2.4 GHz ISM 频带中的良好共存_2.4gism

2.4 GHz ISM 频带在全球的覆盖率保证了其在设备厂商中的知名度。除了即将部署的设备迅速增加之外，共享这一频带的射频技术与协议的数目也随之增加。当然，所有设备均运行良好并且在频带调节范围内运行是很重要的，但是即使是这样，该频带中设备之间发生射频干扰的机会也是相当多的（请参见图 1）。该干扰可导致数据包丢失、功耗增加以及网络性能下降。保持与该频带中其他设备良好共存的关键是就干扰而言的稳健性。适合该应用的频率捷变方案及良好的选择性，可以确保这一共存的实现。

图1 区域性频带调节概述

2.4 GHz 频带中的干扰源

2.4 GHz ISM 频带中的干扰源种类不断增加，其中包括 WiFi (IEEE 802.11b/g/n)、Bluetooth®、无绳电话、模拟视频以及微波炉。其传输能量的空间以及这些能量如何随着时间的变化在频带中分配因设备而异。国内环境下的典型状况如图 2 所示。

图 2 国内环境中的典型 RF 状况

干扰源可大致分为两种类型：驻波设备及跳频设备。驻波干扰源长期处于同一频率之上，有时会有效地阻断这一频率附近的其他通信信号。例如 WiFi、微波炉及直接序列展频 (DSSS) 无绳电话。另一方面，跳频干扰源会不断改变其运行通道。这些干扰源可引起整个频带干扰，而不会长时间地阻断任何单个频率信号。

DSSS 调制格式发送在频谱中传播的冗余信号，以提升在不良通信环境下重建接收机发射数据的机率。在 WiFi、ZigBee® 及其他 IEEE 802.15.4 网络中均采用了这种技术。IEEE 802.15.4 在数据传输速率为 250 Kbps 的通道中发送了两兆芯片数据。尽管这种调制格式具有很好的抗窄带干扰特性，但它却易受其他直接叠加 DSSS 信号的干扰。相反，相比其他窄带干扰，窄带跳频展频 (FHSS) 调制信号具有对 DSSS 信号更强的抗干扰性。在蓝牙及诸多专用系统中均采用了 FHSS。

共存性差的影响

如果一个 RF 链路易受干扰，则该数据包在接收时将会包含一些错误信号，而且常常会丢失数据包。许多诸如 IEEE 802.15.4 的双向 RF 协议均可保证在面临偶然性数据包丢失时的服务质量。它们需要接收机通过传输已知的 ACK（确认）数据包确认数据包的接收。如果发送器未接收到 ACK 数据包，则原始数据包就会被重复传输。这种重复传输会一直持续到 ACK 被正确接收或者发送器认为通信链路信号丢失为止。单向 RF 协议通常通过多次传输同一个数据包来解决数据包丢失问题，以提高该数据包完整到达接收机的概率。

由于干扰引起的数据包丢失主要有三方面影响：时延增加、功耗增加、数据吞吐能力下降。举例说明时延增加：在双向 ACK 系统中，首个数据包由于干扰而未被正确接收。发送器等待来自接收机的 ACK 数据包的同时必须有一段停止运行时间，随后方能假定原始数据包丢失，然后再次发送原数据包。在一个存在严重干扰的环境和一个易受干扰影响的系统中，像这样的重复传输可能需要重复多次方能实现通信成功，因此延迟会增加。用于画圈的无线鼠标就是一个典型例子，说明由共存性差造成的延迟增加对用户体验的影响程度。在图 3 中，两个 2.4GHz 无线鼠标解决方案受到计算机与距接收加密狗 (receiving dongle) 3 米远的路由器之间的WiFi文件传输干扰。左侧的解决方案明显存在断断续续的时延问题。通过假设在两个坐标之间存在一条直线与一个曲线运动就可在计算机中看到这些问题。右侧的解决方案具有良好的选择性，并运用自适应跳频算法，这样就使得圆圈未受干扰影响。

图 3 由干扰引起的无线鼠标时延问题的实例

这些图片摘自演示 TI RadioDeskTM 解决方案与其竞争产品之间干扰稳健性比较的视频文件。重复传输延长了发送器与接收机完成一次传输的运行时间。这就直接导致了网络功耗的增加。就诸如传感器网络等电池驱动的应用而言，这可能会导致电池使用寿命大大短于高干扰环境中预期的电池使用寿命。

频繁的重复传输也会降低高吞吐量网络的总吞吐量。例如，当通过一个 RF 链路传输音频时，如果干扰引起大部分数据包丢失，那么为避免出现滴答声必须降低最大数据传输率。

如何实现良好的共存

在某些环境中，在 2.4 GHz ISM 频带的某些部分可能会有显著干扰，而该频带的其他部分又有助于通信。跳频或频率捷变算法将保证网络不因严重干扰而阻塞，而且良好的选择性也可将通信受该频带其他部分的干扰降到最低。

选择性

选择性是接收机的一个硬件参数。RF 接收机在其试图接收的频率内受不必要信号的影响，同时某种程度上还受邻近频率信号传输的影响。如图 4 所示，当目标信号在一个与 WiFi 通道不发生叠加的通道内传输时，接收机仍会接收来自 WiFi传输时的干扰。

图 4 接收机不仅仅只接收有用信号

选择性是测定接收机在接收到数据包无误时能忍受干扰源在邻近通道传输时干扰的强度。选择性或干扰阻抗通常是指产品说明书中的邻近通道或相间通道抑制，以 dB 为单位表示。图 5 显示的就是两个邻近通道的干扰源。邻近通道与相间通道中的干扰源均极其接近，会严重干扰接收机，最终导致数据包错误。

图 5 选择性通常以邻近通道和相间通道抑制衡量

选择性也可以衡量在未降低灵敏度的情况下接收机位置与干扰发射机距离的邻近程度。根据经验，每增加 6dB 的选择性，便可在未降低灵敏度情况下将接收机与干扰发射机的距离缩短两倍。例如，假设为自由空间且目标信号频率为 +10MHz 时的干扰发射机峰值功耗为 +10 dBm，那么接收机在开始受到干扰之前的最短距离为：

55dB 选择性：0.69 米（干扰发射机信号为：–82 + 55 = –27dBm)
28 dB 选择性：15.4 米（干扰发射机信号为：–82 + 28 = –54dBm)

诸如 IEEE 802.15.4 的无线标准设置了接收机选择性的最低要求。如果要想获得一个稳健的系统就应当超过这些最低要求。ZigBee 联盟最近发表了一份关于 ZigBee 与WiFi 共存的白皮书，强调了 IEEE 802.15.4 对选择性要求的重要性。

对于干扰常见的错误认识在于，增加链路预算可对选择性加以补偿，这是错误的做法。我们可以使用鸡尾酒会中一个相类似的例子来说明上述问题：如果一个人无法选择（良好的选择性）听什么，那么叫喊的声音再大（高 TX 功耗）或听力绝好（高灵敏度）都对他无济于事。喊声太大（高 TX 功耗）则可能会因为由此带来的噪音（干扰）而导致人们听不到彼此在说些什么。

静态跳频

跳频是让您不断变换网络通道一种方法。跳频算法的一个例子就是蓝牙 1.0 与蓝牙 1.1技术的实施。主设备会产生一个通道伪随机序列，将其用于随后的时隙中，并将其分配给网络成员。然后网络成员就可在预定的通道之间进行同步跳跃。这一方案的优点在于，网络在单一通道停留的时间短，因此如果在一条通道内存在严重干扰，并且通信信号全部丢失，那么就可在下一个时隙中在另一通道上再试。缺点在于，网络必须同步，因为如果网络转入一个全部通信信号因干扰而丢失的通道中时，网络成员将全部同时决定转移至下一个通道。除通道列表分配之外，这样就会增加软件复杂性和网络流量的总开销。这一算法的缺点在于，如果像 WiFi 网络这样的干扰源造成四分之一 2.4 GHz 频带可用通道受到干扰时，网络的吞吐量就会降低四分之一。如果相继选择了几个受严重干扰的通道，那么时延就会很高。

图 6 静态跳频

自适应跳频

自适应跳频是对静态跳频算法的一种增强算法。该算法可以使系统主设备记住未受干扰的通道，并更频繁地使用这些通道。主设备保留着一张数据表，上面有对各通道的打分记录。该表会根据通道的通信质量不断更新升级。一般经过确定性选择哪些通道需要跳至下一个通道，或运用基于表中分值的随机加权值进行选择。下一步即将采用的通道列表将分配给各网络设备。对于诸如键盘/鼠标、遥控和音频等许多同步运行应用来说，一种自适应跳频算法可在减少干扰中发挥有效的作用，蓝牙 1.2 和 RadioDesk 就采用了这一系统。

图 7 自适应跳频

频率捷变

频率捷变是一种极其缓慢的跳频算法。数据包错误率 (PER) 高于特定阈值之前，网络会一直停留在同一通道上。在实际应用中，当其发现一个受干扰极少的通道时，它就会停留在那里直至发生新的干扰。这一方案被用于赛普拉斯 (Cypress) 的 WirelessUSB 标准中，并作为未来 ZigBee 2007 标准的可选方案。频率捷变的优点在于，当干扰模式发生极小变化时，开销极小，而且吞吐量大；但是当受到像蓝牙这样的跳频干扰源干扰时，一般不愿意变换通道，这是频率捷变系统面临的一个挑战。该系统应有足够的耐心去等待跳频干扰源转移至下一个通道，并且当一个新的静态干扰源干扰系统时它可以继续迅速传输。频率捷变的缺点在于，当检测到不能接受的干扰、必须改变频率时，主设备就没有可靠的渠道通知网络成员频率发生改变。相反，必须使用超时功能，例如，变频引起的时延可能不会被用户界面系统接受。

图 8 频率捷变

结论

由于干扰源数量大，任何旨在 2.4 GHz ISM 频带中工作的 RF 网络都必须考虑到共存问题。获得良好共存的关键在于，必须以一个具有良好选择性的射频信号开始，以便将网络受到的邻近通道干扰影响降到最小。根据不同的应用需求，应当实施跳频或频率捷变算法，以确保网络通信不被阻断在有严重干扰源的通道上。通过采取这些措施，就可以设计出针对 2.4 GHz 频带、满足大多数应用对于时延、吞吐量及功耗等方面要求的 RF 网络。

参考文献

[1] ZigBee 联盟：ZigBee 和无线射频共存： http://www.zigbee.org/en/resources/whitepapers1.asp
[2] 如欲了解 TI 低功耗无线与 RadioDesk 解决方案的更多详情，敬请访问： www.ti.com.cn/lpw。