現(xiàn)代微波測(cè)量技術(shù)課程報(bào)告-2.4G技術(shù)

1、Harbin Institute of Technology課程報(bào)告課程名稱： 現(xiàn)代微波測(cè)量技術(shù) 報(bào)告題目： 2.4GHz ISM頻段中的各種無(wú)線技術(shù) 院 系： 班 級(jí)： 報(bào) 告 者： 學(xué) 號(hào)： 任課教師： 報(bào)告時(shí)間： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)6 / 7文檔可自由編輯打印2.4GHz ISM頻段中的各種無(wú)線技術(shù)-它們會(huì)互相干擾嗎？引言：2.4GHz作為全球共同的ISM頻段，很多無(wú)線技術(shù)都不約而同的選擇了它作為自己的工作頻率。那么這么多不同的無(wú)線技術(shù)都占用了這一個(gè)頻段，它們之間會(huì)互相干擾嗎？會(huì)互相打架嗎？答案是肯定的，廣州地鐵被Wi-Fi信號(hào)逼停地事件中就可以看出它們之間的干擾，那么我們可以盡量的減小互相

2、之間的干擾嗎？下面將先從各種工作于2.4GHz頻段的無(wú)線技術(shù)的介紹開(kāi)始，探討一下避免和減小干擾的方法。1. ISM頻段ISM(Industrial Scientific Medical)頻段，是由ITU-R （ITU Radiocommunication Sector，國(guó)際通信聯(lián)盟無(wú)線電通信局）定義的。此頻段主要是開(kāi)放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，屬于Free License，無(wú)需授權(quán)許可，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1W)，并且不要對(duì)其它頻段造成干擾即可。ISM 頻段如下：表1 ISM頻段頻率范圍（Hz）中心頻率（Hz）可行性6.7656.795 MHz6.780 MHz取決于當(dāng)

3、地13.55313.567 MHz13.560 MHz26.95727.283 MHz27.120 MHz40.6640.70 MHz40.68 MHz433.05434.79 MHz433.92 MHz902928 MHz915 MHz Region 2 only2.4002.500 GHz2.450 GHz5.7255.875 GHz5.800 GHz2424.25 GHz24.125 GHz6161.5 GHz61.25 GHz取決于當(dāng)?shù)?22123 GHz122.5 GHz取決于當(dāng)?shù)?44246 GHz245 GHz2.4GHz頻段為各國(guó)共同的ISM頻段。因此無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigB

4、ee等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，均可工作在2.4GHz頻段上。隨著越來(lái)越多的企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品使用2.4GHz無(wú)線電頻譜，人們不得不考慮來(lái)自其他來(lái)源信號(hào)。由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了未授權(quán)頻段狀態(tài)，因此無(wú)線設(shè)備必須考慮到干擾。在這些不利的條件下，如何才能使他2.4GHz設(shè)備性能最好呢？通常是產(chǎn)品是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試的，但其性能由于實(shí)際中其他2.4GHz產(chǎn)品的干擾而使性能大大下降。2. 2.4GHz頻段的幾種技術(shù)2.4GHz頻段現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)主要有Wi-Fi，藍(lán)牙和ZigBee等。在本文中，我們將介紹2.4GHz的主要標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)：Wi-Fi，藍(lán)牙（Bluetooth），無(wú)線USB（WirelessUSB），ZigBee，2.4GHz無(wú)

5、線技術(shù)。2.4GHz的ISM頻段無(wú)線頻率調(diào)制有兩種：跳頻擴(kuò)頻（FHSS）和直接序列擴(kuò)頻（DSSS）。藍(lán)牙使用FHSS而WirelessUSB，802.11b/g/a（一般稱為Wi-Fi的）和802.15.4（稱為ZigBe的結(jié)合上網(wǎng)絡(luò)層）利用DSSS。所有這些技術(shù)都在全球范圍內(nèi)的ISM頻段（2.400-2.483千兆赫）上實(shí)施（如圖1）。圖1 2.4GHz頻段的無(wú)線技術(shù)分布2.1 Wi-FiWi-Fi是通常被用來(lái)連接計(jì)算機(jī)到本地局域網(wǎng)或間接到Internet。大多數(shù)Wi-Fi設(shè)備的筆記本電腦不是每日充電就是直接插入墻上的電源，因此對(duì)電源要求并不敏感。Wi-Fi使用DSSS系統(tǒng)，每個(gè)通道帶寬22

6、MHz，同時(shí)可允許使用多達(dá)三個(gè)不互相重疊相同帶寬的信道。每一個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)所使用的信道必須手動(dòng)配置；Wi-Fi客戶端搜索可用接入點(diǎn)的所有信道。802.11使用11位的Barke偽隨機(jī)噪聲（PN）碼來(lái)為原始1和2Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率的每一個(gè)信息比特進(jìn)行編碼。為了實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，802.11b使用補(bǔ)碼鍵控（CCK）6位信息比特編碼到8碼片符號(hào)當(dāng)中。用CCK算法有64個(gè)可能的符號(hào)，這就要求每個(gè)802.11b的無(wú)線電具有64個(gè)分離的相關(guān)器（該設(shè)備負(fù)責(zé)把符號(hào)轉(zhuǎn)化為信息比特），這增加了復(fù)雜性和成本的電臺(tái)，但使數(shù)據(jù)速率提高到11Mbit/s。2.2藍(lán)牙藍(lán)牙的重點(diǎn)是手機(jī)，耳機(jī)和PDA之間的互操作性

7、。大部分藍(lán)牙設(shè)備需要經(jīng)常充電。藍(lán)牙使用FHSS技術(shù)，將2.4GHz的ISM頻段分割為791MHz的信道。藍(lán)牙設(shè)備之間在偽隨機(jī)模式下的每秒在79個(gè)信道中跳頻1600次。連接藍(lán)牙設(shè)備分組成被稱為piconets的網(wǎng)絡(luò)；每個(gè)piconet包含一個(gè)主和最多7個(gè)激活的從屬器。每個(gè)piconet信道的跳頻序列來(lái)自于主時(shí)鐘。所有的從屬設(shè)備必須保持時(shí)鐘同步。前向糾錯(cuò)（FEC）是用在所有包頭，每比特在包頭中傳輸三次。漢明碼也用于某些類型數(shù)據(jù)有效載荷的前向糾錯(cuò)。漢明碼使每個(gè)數(shù)據(jù)包中引入了50的多余比特，但其能夠糾正所有單一錯(cuò)誤，并能夠檢測(cè)到每15位碼字中兩個(gè)錯(cuò)誤（每15位碼字包含10位信息）。2.3無(wú)線USB（W

8、irelessUSB）已被設(shè)計(jì)為一個(gè)電纜的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備（鼠標(biāo)，鍵盤(pán)等），也將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。WirelessUSB設(shè)備不定期充電，通過(guò)堿性電池來(lái)保證其能夠運(yùn)行幾個(gè)月。WirelessUSB與藍(lán)牙使用無(wú)線電信號(hào)的相似，但使用DSSS而不是FHSS。每個(gè)WirelessUSB信道為1MHz帶寬，像藍(lán)牙一樣把WirelessUSB 2.4GHz的ISM頻段分為1到79MHz的信道。WirelessUSB設(shè)備的頻率變換靈活，換句話說(shuō)，他們使用的“固定”信道，但如果原始信道質(zhì)量并非最優(yōu)，將動(dòng)態(tài)變化信道。WirelessUSB采用偽噪聲（偽）碼來(lái)編碼每一個(gè)信息比特。大多數(shù)的WirelessUS

9、B系統(tǒng)使用兩個(gè)32-碼片PN碼，允許兩個(gè)信息比特率編碼在每一個(gè)32-碼片符號(hào)中。這個(gè)方案每個(gè)符號(hào)可以糾正三個(gè)錯(cuò)誤，每個(gè)符號(hào)最多可以檢測(cè)10個(gè)碼片錯(cuò)誤。雖然使用32-碼片（有時(shí)是64）PN碼限制了WirelessUSB數(shù)據(jù)速率（62.5kbit/s），但數(shù)據(jù)的完整性大大高于藍(lán)牙，尤其是在嘈雜的環(huán)境。2.4 ZigBeeZigBee作為一個(gè)用于設(shè)計(jì)傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，大多數(shù)ZigBee設(shè)備對(duì)功耗很敏感（恒溫器，安全傳感器等），通常要求電池壽命達(dá)到幾年。ZigBee的還采用了在868MHz頻段（歐洲），915兆赫頻帶（北美），以及2.4GHz的ISM頻段的直接序列擴(kuò)頻無(wú)線電信號(hào)。定義了

10、在2.4GHz的ISM頻段16個(gè)信道；每個(gè)信道帶寬3MHz和每個(gè)信道中心頻率間隔為5MHz，一對(duì)信道之間有2MHz的保護(hù)帶寬。ZigBe采用11位PN碼，每個(gè)符號(hào)編碼4位信息比特，它的最高數(shù)據(jù)速率達(dá)到128Kbps。物理和MAC層是由IEEE 802.15.4工作組規(guī)定，與IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)共享許多相同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。2.5 2.4GHz無(wú)線技術(shù)2.4GHz的無(wú)線技術(shù)現(xiàn)在是使用的越來(lái)越普遍例如在無(wú)線耳機(jī)等無(wú)線音頻傳輸中。以無(wú)繩電話為例，2.4GHz的無(wú)繩電話正變得越來(lái)越普遍，其并不使用一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。有些電話使用DSSS；但最普遍使用FHSS。采用DSSS和其他使用固定通道算法的電

11、話通常有一個(gè)“頻道”按鈕，手機(jī)用戶可以手動(dòng)更改頻道。采用FHSS的電話沒(méi)有“通道”按鈕，因?yàn)樗鼈兪遣粩嘧兓男诺?。大多?shù)的2.4GHz無(wú)繩電話使用的信道帶寬為5到10MHz。3 避免沖突的技術(shù)3.1 Wi-Fi避免沖突的計(jì)算Wi-Fi的避免沖突算法在發(fā)射前會(huì)偵聽(tīng)“安靜”的通道，這樣多個(gè)Wi-Fi客戶端能有效地與單一Wi-Fi接入點(diǎn)通信。如果Wi-Fi通道噪聲很大，則Wi-Fi設(shè)備在再次聆聽(tīng)該通道前進(jìn)行隨機(jī)退避。如果通道噪聲仍然較大，那么會(huì)重復(fù)此過(guò)程直至通道安靜為止。一旦通道安靜下來(lái)，Wi-Fi設(shè)備將開(kāi)始發(fā)射。如果通道一直嘈雜，那么Wi-Fi設(shè)備就會(huì)尋找另?xiàng)l通道上的其他可用接入點(diǎn)。使用相同或重疊

12、通道的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通過(guò)免沖突算法可以實(shí)現(xiàn)共存，但每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會(huì)有所下降。如果同一區(qū)域使用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，那么我們最好使用非重疊的通道，比如通道1、6和11，這能提高每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因?yàn)闊o(wú)需與其他網(wǎng)絡(luò)共用帶寬。由于藍(lán)牙發(fā)射的跳頻特性，故來(lái)自藍(lán)牙的干擾最小。如果藍(lán)牙設(shè)備在一個(gè)與Wi-Fi通道重疊的頻率上發(fā)射，而Wi-Fi設(shè)備此時(shí)正在進(jìn)行“發(fā)射前偵聽(tīng)”，則Wi-Fi設(shè)備會(huì)執(zhí)行隨機(jī)退避，在這期間，藍(lán)牙設(shè)備會(huì)跳轉(zhuǎn)到一個(gè)非重疊的通道，以允許Wi-Fi設(shè)備可開(kāi)始發(fā)射。即便無(wú)繩電話使用的是FHSS而不是DSSS，來(lái)自2.4GHz無(wú)繩電話的干擾也可完全中斷Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)完全的工作，部分原因是因?yàn)榕c藍(lán)牙(1MH

13、z)相比其占用更寬的通道(5-10MHz)，以及無(wú)繩電話信號(hào)具有更高的功率。跳轉(zhuǎn)到Wi-Fi通道中間的FHSS無(wú)繩電話信號(hào)能夠破壞Wi-Fi發(fā)射，這就導(dǎo)致Wi-Fi設(shè)備要重復(fù)發(fā)射。2.4GHzFHSS無(wú)繩電話很可能會(huì)干擾鄰近所有Wi-Fi，因此我們不建議在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)附近使用這種電話。如果無(wú)繩電話使用DSSS，那么無(wú)繩電話和Wi-Fi接入點(diǎn)使用的通道可配置成互不重疊，以消除干擾。3.2 解決藍(lán)牙的干擾技術(shù)在藍(lán)牙中，來(lái)自其他藍(lán)牙微網(wǎng)的干擾最小，因?yàn)槊總€(gè)微網(wǎng)都使用它自己的偽隨機(jī)跳頻模式。如果兩個(gè)共處的微網(wǎng)被激活，則發(fā)生沖突的概率為1/79。沖突的概率隨共處的有效微網(wǎng)的數(shù)量呈線性增加。藍(lán)牙最初采用

14、跳頻算法來(lái)處理干擾，不過(guò)人們意識(shí)到，單個(gè)活動(dòng)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)四分之一的藍(lán)牙通道造成嚴(yán)重干擾。由于通道重疊導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失必須在空閑的通道上重新發(fā)射，這就大幅降低了藍(lán)牙設(shè)備的吞吐量。藍(lán)牙規(guī)范1.2版通過(guò)定義自適應(yīng)跳頻(AFH)算法來(lái)解決上述問(wèn)題，這種算法使藍(lán)牙設(shè)備能將通道標(biāo)為好、壞或未知三種狀態(tài)。跳頻模式中的壞通道可通過(guò)查詢表由好通道來(lái)取代。藍(lán)牙主設(shè)備會(huì)定期聆聽(tīng)壞通道，以確定干擾是否消失；如果干擾消失，那么就將通道標(biāo)記為好通道并將其從查詢表中刪除。藍(lán)牙從設(shè)備應(yīng)主設(shè)備請(qǐng)求也能向主設(shè)備發(fā)送報(bào)告，告知其對(duì)通道質(zhì)量的評(píng)估。舉例來(lái)說(shuō)，從設(shè)備可能偵聽(tīng)到主設(shè)備未聆聽(tīng)到的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FC

15、C)要求至少使用15個(gè)不同的通道AFH算法使藍(lán)牙能避免使用Wi-Fi和WirelessUS等DSSS系統(tǒng)占用的通道。2.4GHz FHSS無(wú)繩電話仍可能會(huì)對(duì)藍(lán)牙設(shè)備造成干擾，因?yàn)檫@兩種系統(tǒng)都是在整個(gè)2.4GHz ISM頻段上以跳頻方式工作，不過(guò)，由于藍(lán)牙信號(hào)的帶僅為1MHz，因此FHSS無(wú)繩電話與藍(lán)牙之間的沖突頻率要遠(yuǎn)小于Wi-Fi;和FHSS無(wú)繩電話之間的沖突頻率。藍(lán)牙還支持三種不同的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，在給定信道上表現(xiàn)為具有不同的駐留時(shí)間。藍(lán)牙還可通過(guò)縮短數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，以提高數(shù)據(jù)吞吐量可靠性。在此情況下，最好是使較小數(shù)據(jù)包以較低的速率通過(guò)，這比以正常速率會(huì)丟失較大的數(shù)據(jù)包更為可取。3.3解決Wire

16、lessUSB和ZigBee的干擾問(wèn)題在WirelessUSB中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)在選擇通道前都會(huì)檢查其他WirelessUSB網(wǎng)絡(luò)。因此，其他WirelessUSB網(wǎng)絡(luò)造成的干擾極小。WirelessUSB至少每50 ms都會(huì)檢查一下通道的噪聲大小。Wi-Fi設(shè)備造成的干擾會(huì)導(dǎo)致持續(xù)的高噪聲，這就會(huì)使WirelessUSB主設(shè)備選擇新的通道。WirelessUSB能與多個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和平共處，因?yàn)閃irelessUSB能發(fā)現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間的安靜通道(圖2)。圖2 WirelessUSB頻率捷變性方框圖藍(lán)牙的干擾可能會(huì)引起WirelessUSB數(shù)據(jù)包的重發(fā)射。由于藍(lán)牙的跳頻特性

17、，WirelessUSB數(shù)據(jù)包的重發(fā)射不會(huì)與下一次藍(lán)牙傳輸發(fā)生沖突，因?yàn)樗{(lán)牙設(shè)備會(huì)跳到另一個(gè)通道。藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)不會(huì)造成足夠連續(xù)高的噪聲電平來(lái)迫使無(wú)線USB主設(shè)備改變信道。規(guī)定了一種類似于802.11b的免沖突算法；每個(gè)設(shè)備在發(fā)射數(shù)據(jù)之前都會(huì)偵聽(tīng)通道，從而使ZigBee設(shè)備之間的沖突頻率達(dá)到最小。ZigBee在干擾嚴(yán)重的情況下不會(huì)改變通道，而是通過(guò)低占空比以及免沖突算法來(lái)盡可能減少?zèng)_突造成的數(shù)據(jù)丟損失。如果ZigBee使用的通道與一個(gè)頻繁使用的Wi-Fi通道相重疊，則現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，由于數(shù)據(jù)包沖突的緣故，有五分之一的ZigBee數(shù)據(jù)包都需要重發(fā)射。我們能采取什么措施？在開(kāi)發(fā)藍(lán)牙、Wi-Fi或Zig

18、Bee解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須使用規(guī)范中所提供的方法。在開(kāi)發(fā)一種基于802.15.4、WirelessUSB或其他2.4GHz無(wú)線電的專用系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可使用較低級(jí)的工具即可獲得頻率捷變性。由于存在與其他DSSS系統(tǒng)相重疊的風(fēng)險(xiǎn)，DSSS系統(tǒng)最可能發(fā)生工作失敗的情況。不過(guò)DSSS系統(tǒng)也能通過(guò)一定方式實(shí)現(xiàn)與FHSS系統(tǒng)類似的頻率捷變性，方法之一就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視。如果DSSS系統(tǒng)使用輪詢協(xié)議(所期望數(shù)據(jù)包以規(guī)定間隔出現(xiàn))，那么主設(shè)備可在多次傳輸嘗試失敗或連續(xù)接收到損壞數(shù)據(jù)包情況下改變通道。還有一種辦法就是在無(wú)線電設(shè)備支持的情況下讀取空中傳輸信號(hào)的功率等級(jí)。我們可用接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)來(lái)預(yù)先測(cè)量空中傳輸通道的功率，如果功率等級(jí)在一定時(shí)期內(nèi)過(guò)高，則會(huì)切換到另一個(gè)無(wú)干擾的通道。之所以考慮這一段時(shí)間是為了在FHSS系統(tǒng)通過(guò)的情況下不改變信道。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和RSSI讀取都假設(shè)無(wú)線電均為可發(fā)射也可接收數(shù)據(jù)包的收發(fā)器。在一個(gè)一端為發(fā)射器而另一端為接收器DSSS系統(tǒng)中，我們可通過(guò)多重發(fā)射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)