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避免2.4GHz ISM頻段各種類型無線設備干擾的技術

上網時間: 2005年04月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:2.4-GHz ISM Band  2.4-GHz工業科學醫療頻段  FHSS  DSSS  跳頻擴頻與直接序列擴頻 

避免2.4GHz ISM頻段各種類型無線設備干擾的技術

每一種標準2.4GHz網路技術都進行了必要的設計折衷來減小干擾的影響或完全避免干擾。設計者可透過以下方法將其系統設計成具有頻率捷變性,即使用由正在實施的標準所提供的步驟、或採用本文所提到的方法並結合諸如RSSI的無線電特性來構建其自己的協議等,透過這些方法可使產品在當前惡劣的2.4GHz ISM頻段環境下良好地工作。

隨著越來越多的公司生產使用2.4GHz ISM頻段的產品,設計人員必須處理來自其他來源的更多訊號。管理免許可頻段的規章表明,您的設備必須考慮干擾問題。

設計人員如何使處於這種苛刻條件下的2.4-GHz解決方案獲得最大性能呢?產品往往在受控的實驗室環境下工作得很好,但在現場卻會由於受到其它2.4GHz解決方案的影響而使性能顯著下降。以現有的標準,如Wi-Fi、藍芽及ZigBee等,絕大多數產品是以標準制訂者所提供的方法來實現。但如果設計人員控制協議時,則存在一些可將外來干擾減至最小的方法和步驟。

2.4GHz網路技術原理分析

圖1:工作於2.4GHz IFM頻段無線系統的訊號比較。

1.Wi-Fi系統

跳頻擴頻(FHSS)與直接序列擴頻(DSSS)是兩種用於免許可2.4GHz ISM頻段中射頻調變的方法。藍芽採用FHSS,而無線USB 802.11b/g/a(常稱為Wi-Fi)及802.15.4(當與頂部網路層結合時稱為ZigBee)則採用DSSS。所有這些技術都工作於全球通用的ISM頻段(即2.400-2.483 GHz)。

採用Wi-Fi的主要推動因素是數據吞吐量。Wi-Fi一般用來將計算機與本地區域網路相連(以及直接與互聯網相連)。目前大多數Wi-Fi設備為可每天充電的筆記型電腦或用電源線供電的接入點,因此對供電問題並不敏感。

Wi-Fi採用DSSS,其每通道頻寬為22MHz,故允許同時採用三個分佈式通道而不會互相重疊。每個Wi-Fi接入點所使用的通道均需人工配置,Wi-Fi客戶會搜尋可用接入點的所有通道。

802.11採用一種稱為巴克碼的11位元偽隨機噪音(PN)編碼來對每一原始數據速率為1及2Mbps的資訊位元進行編碼。為達到更高的數據速率,802.11b利用補碼鍵控(CCK)將6個資訊位元編碼為8碼片符號。

這種CCK演算法可使用64個符號,要求每一個802.11b無線電均含有64個單獨的相關器(即用於將符號轉換為資訊位元的元件),這雖然會增加無線電的成本與複雜性,但可將數據速率提高至11Mbps。

2.藍芽系統

藍芽技術則側重於是蜂巢式手機、無線電話與PDA之間的互作業性。大多數藍芽設備均可定期充電。

藍芽採用FHSS並將2.4GHz ISM頻段劃分成79個1MHz的通道。藍芽設備以偽隨機碼方式在這79個通道間每秒鐘跳1,600次。所連接藍芽設備被分組到稱為微網的網路中:每一個微網均包含一個主設備及七個從設備。每個微網的通道跳頻序列源於主設備的時脈。所有從設備均必須保持與此時脈同步。

透過將數據封包頭中的每一位元發送三次,可對所有數據封包頭執行前向糾錯(FEC)。亦可將漢明碼用於某類數據封包數據載荷的前向糾錯。漢明碼雖會對每一個數據封包帶來50%的開銷,但能糾正所有單個15位元碼字(每個15位元碼字包含10位元資訊)中所有一位元錯誤並檢測兩位元錯誤。

3.無線USB

無線USB的目標是取代計算機輸入設備如滑鼠、鍵盤等,且其目標還瞄準無線感測器市場。無線USB設備無需定期充電,被設計成可使用鹼性電池工作數月。

無線USB採用類似於藍芽的無線電訊號,但是採用了DSSS而不是FHSS。每一個無線USB通道寬1MHz,故允許無線USB像藍芽那樣將2.4GHz ISM頻段分割成為79個1MHz通道。無線USB設備具有頻率捷變特性,換言之,它們雖採用‘固定’通道,但如果最初通道的鏈路品質變得不理想,則會動態地改變通道。

無線USB採用偽隨機噪音(PN)碼來編碼每一個資訊位元。大多數無線USB系統都使用32碼片PN編碼,以便在每一個32碼片符號中編碼兩位元資訊位元。這種方案可糾正3個碼片錯誤(每符號),並能檢測10個碼片錯誤(每符號)。儘管採用32碼片(有時甚至是64碼片)PN編碼會將無線USB的數據速率限制在62.5kbps上,但其數據完整性則要遠高於藍芽,尤其在噪音環境下。

4.ZigBee系統

ZigBee被設計成為一種用於感測器及控制網路的標準化解決方案。大多數ZigBee設備都對功率非常敏感(溫度調節器、安全感測器等),其電池壽命可以年來計算。

ZigBee可採用868MHz頻段(歐洲)、915MHz頻段(北美)及2.4GHz ISM頻段(全球)中的DSSS無線電訊號。在2.4GHz ISM頻段中定義了6個通道,每一通道寬3MHz,通道中心間隔為5MHz,使相鄰通道間留有2MHz的頻率間隔。

ZigBee採用11碼片PN碼,將4個資訊位元編碼到每一個符號中,使其具有128Kbps的最高數據速率。其實體及MAC層由EEE 802.15.4工作組定義,並擁有許多與IEEE 802.11b標準一樣的設計特徵。

5.2.4GHz無線電話

2.4GHz無線電話在北美越來越流行,且不採用標準聯網技術。雖然有些無線電話採用DSSS,但多數採用FHSS。採用DSSS及其他固定通道演算法的無線電話一般在電話上裝有‘通道’按鍵,使用戶能手動改變通道。FHSS電話則沒有‘通道’按鍵,因為它們經常改變通道。大多數2.4GHz無線電話均採用5至10MHz的通道寬度。

圖2:無線USB設計的頻率捷變示意圖。

避免衝突的技術

除了解每一項技術的工作原理外,了解上述技術在同構及異構環境下的相互作用也很重要。

Wi-Fi免衝突法在發射前偵聽‘安靜’的通道,這使得多個Wi-Fi客戶能有效地與單個Wi-Fi接入點通訊。如果Wi-Fi通道噪音很大,則Wi-Fi設備在又一次傾聽通道前會進行隨機退避。如果通道仍有噪音,則會重複此過程直至通道安靜為止。一旦通道變得安靜,Wi-Fi設備即會開始發射。如果通道永遠嘈雜,則Wi-Fi設備會搜索另條通道上的其他可用接入點。

由於有免衝突演算法,故採用相同或重疊通道的Wi-Fi網路可共處,但每一網路的吞吐量會有所下降。如果在同一地域使用多個網路,則最好能使用非重疊訊號,如通道1、6及11等。這能提高每個網路的吞吐量,因為無需與其他網路共用頻寬。

由於藍芽發送的跳頻特性,故來自藍芽的干擾很小。如果藍芽設備在一個與Wi-Fi通道重疊的頻率上發送,而Wi-Fi設備此時正在進行‘發送前偵聽’,則Wi-Fi設備會執行隨機退避,在這期間,藍芽設備會跳轉到一個非重疊的通道,以允許Wi-Fi設備可開始發送。

即使無線電話採用FHSS而不是DSSS,2.4GHz無線電話發出的干擾也可完全中斷一個Wi-Fi網路的工作。這部份是因為與藍芽(1MHz)相比它佔用更寬的通道(5-10MHz),以及無線電話訊號具有更高的功率。跳轉到Wi-Fi通道中間的FHSS無線電話可能會破壞Wi-Fi發送,從而導致Wi-Fi設備需要重複發送。2.4GHz FHSS無線電話很可能會干擾鄰近的所有Wi-Fi設備。故建議在Wi-Fi網路以外使用這些電話。如果無線電話採用DSSS,則可將無線電話與Wi-Fi接入點所使用的通道配置成互不重疊,以消除干擾。

處理藍芽的干擾

在藍芽中,來自其他藍芽微網的干擾很小,因為每個微網都使用它自己的偽隨機跳頻方案。如果兩個共處微網被啟動,則產生衝突的概率為1/79。衝突的概率隨共處有效微網的數量線性增加。

藍芽最初依賴其跳頻演算法來處理干擾,但人們意識到單個有效Wi-Fi網路可對25%的藍芽通道造成嚴重的干擾。由於通道重疊而引起的數據封包丟失必須在安靜的通道上重傳,因此會大大降低藍芽設備的吞吐量。

1.2版藍芽規範透過定義一種自適應跳頻(AFH)演算法來解決此問題。該演算法允許藍芽設備將通道分別標記為好、壞及未知,然後再透過一個查找表來用好通道替換跳頻模式中的壞通道。藍芽主設備可透過定期偵聽壞通道來確定干擾是否消失。如果干擾消失,則將通道標記為好通道並將其從查找表中刪除。當藍芽主設備查詢從設備時,後者也可向主設備發送一個報告來向主設備通告其對通道品質的評價。例如,從用戶設備端可能可以偵聽到一個Wi-Fi網路,而主設備卻不能。聯邦通訊委員會(FCC)要求至少使用15個不同的通道。

AFH演算法使藍芽設備能避免使用被Wi-Fi網路及無線USB等DSSS系統所佔用的通道。2.4GHz FHSS無線電話仍可能干擾藍芽設備,因為這兩種系統均在整個2.4GHz ISM頻段上以跳頻方式工作。但由於藍芽訊號只有1MHz寬,故FHSS無線電話與藍芽訊號之間的頻率衝突遠小於Wi-Fi與FHSS無線電話之間的頻率衝突。

藍芽還具有三種不同的數據封包長度,在給定通道上表現為具有不同的駐留時間。藍芽還具有一個透過減小數據封包長度以提高數據吞吐量可靠性的選項。在這種情況下,最好是使較小數據封包以較低的速率通過,這比以正常速率會丟失較大的數據封包更為可取。

解決無線USB、ZigBee的干擾

在無線USB中,每個網路在選擇通道前均檢查其他無線USB網路,故可減少來自其他無線USB網路的干擾。無線USB至少每50毫秒檢查一次通道的噪音程度。Wi-Fi設備的干擾會引起連續的高噪音數據讀取,從而迫使無線USB主設備選擇一個新通道。無線USB可與多個Wi-Fi網路和平共處,因為無線USB能找到Wi-Fi網路中的安靜通道(見圖2)。

藍芽的干擾可能會引起無線USB數據封包的重傳。由於藍芽的跳頻天性,無線USB數據封包的重傳不會與下一次藍芽傳輸產生衝突,因為藍芽設備會跳到另一個通道上。藍芽網路不會造成足夠連續高的噪音電平來迫使無線USB主設備改變通道。

ZigBee規定了一種類似802.11b的免衝突演算法;每個設備在發送數據之前偵聽通道,以減小ZigBee設備之間的頻率衝突。在嚴重干擾期間,ZigBee不改變通道;相反,它依靠其低佔空比及免衝突演算法來減小由於傳輸衝突所造成的數據丟失。如果ZigBee使用的通道與一個頻繁使用的Wi-Fi通道相重疊,則現場實驗表明,有多達20%的ZigBee數據封包會由於封包衝突而重傳。

補充措施

在開發藍芽、Wi-Fi或ZigBee時,設計者可使用規範中所提供的方法。而當開發一種基於802.15.4、無線USB和其他2.4GHz無線電的專用系統時,設計者無需使用高級工具即可獲得頻率捷變性。

由於存在與其他DSSS系統相重疊的風險,故DSSS系統最可能產生數據丟失。但DSSS系統可採用一些補救措施來獲得FHSS系統的頻率捷變,其中一種方法便是網路監視。如果DSSS系統使用輪詢協議(其中所期望數據封包以規定間隔出現),則在一定數量的發送嘗試失敗或接收到錯誤數據封包以後,主設備可切換通道。

另一種方法是讀取空中傳輸訊號的功率電平(如果無線電設備具有這種能力)。可使用接收通道強度指標(RSSI)來預先測量空中傳輸通道的功率,如果功率電平在一段時間內過高,則會切換到另一個更乾淨的通道上。之所以考慮這一段時間是為了在FHSS系統通過的情況下不改變通道。

網路監視與RSSI讀數方法假設了無線電均為可發送及接收數據封包的收發器。在一個一端是收發器而另一端是接收器的DSSS系統中,可採用多發送的方法來獲得頻率捷變性。發送器使用多個頻率來發送相同的數據封包,接收器則以非常低的速率在接收通道間循環接收。當接收器連接到電源上以及當電池供電發送器使用不頻繁時,這種系統是可行的。無線遙控可採用此種方法。

作者:Ryan Winfield Wooding


系統工程師


Email: rww@cypress.com


Mark Gerrior


首席軟體工程師


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Cypress半導體公司消費與計算產品部門





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