現(xiàn)代微波測量技術(shù)課程報告-2.4G技術(shù)

1、Harbin Institute of Technology課程報告課程名稱： 現(xiàn)代微波測量技術(shù) 報告題目： 2.4GHz ISM頻段中的各種無線技術(shù) 院 系： 班 級： 報 告 者： 學(xué) 號： 任課教師： 報告時間： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)6 / 7文檔可自由編輯打印2.4GHz ISM頻段中的各種無線技術(shù)-它們會互相干擾嗎？引言：2.4GHz作為全球共同的ISM頻段，很多無線技術(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線技術(shù)都占用了這一個頻段，它們之間會互相干擾嗎？會互相打架嗎？答案是肯定的，廣州地鐵被Wi-Fi信號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頻段的無線技術(shù)的介紹開始，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，國際通信聯(lián)盟無線電通信局）定義的。此頻段主要是開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個主要機構(gòu)使用，屬于Free License，無需授權(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

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?shù)?22123 GHz122.5 GHz取決于當?shù)?44246 GHz245 GHz2.4GHz頻段為各國共同的ISM頻段。因此無線局域網(wǎng)、藍牙、ZigB

4、ee等無線網(wǎng)絡(luò)，均可工作在2.4GHz頻段上。隨著越來越多的企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品使用2.4GHz無線電頻譜，人們不得不考慮來自其他來源信號。由于標準規(guī)定了未授權(quán)頻段狀態(tài)，因此無線設(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)品是實驗室環(huán)境下進行測試的，但其性能由于實際中其他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)有的標準主要有Wi-Fi，藍牙和ZigBee等。在本文中，我們將介紹2.4GHz的主要標準技術(shù)：Wi-Fi，藍牙（Bluetooth），無線USB（WirelessUSB），ZigBee，2.4GHz無

5、線技術(shù)。2.4GHz的ISM頻段無線頻率調(diào)制有兩種：跳頻擴頻（FHSS）和直接序列擴頻（DSSS）。藍牙使用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）上實施（如圖1）。圖1 2.4GHz頻段的無線技術(shù)分布2.1 Wi-FiWi-Fi是通常被用來連接計算機到本地局域網(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，因此對電源要求并不敏感。Wi-Fi使用DSSS系統(tǒng)，每個通道帶寬22

6、MHz，同時可允許使用多達三個不互相重疊相同帶寬的信道。每一個Wi-Fi接入點所使用的信道必須手動配置；Wi-Fi客戶端搜索可用接入點的所有信道。802.11使用11位的Barke偽隨機噪聲（PN）碼來為原始1和2Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率的每一個信息比特進行編碼。為了實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，802.11b使用補碼鍵控（CCK）6位信息比特編碼到8碼片符號當中。用CCK算法有64個可能的符號，這就要求每個802.11b的無線電具有64個分離的相關(guān)器（該設(shè)備負責把符號轉(zhuǎn)化為信息比特），這增加了復(fù)雜性和成本的電臺，但使數(shù)據(jù)速率提高到11Mbit/s。2.2藍牙藍牙的重點是手機，耳機和PDA之間的互操作性

7、。大部分藍牙設(shè)備需要經(jīng)常充電。藍牙使用FHSS技術(shù)，將2.4GHz的ISM頻段分割為791MHz的信道。藍牙設(shè)備之間在偽隨機模式下的每秒在79個信道中跳頻1600次。連接藍牙設(shè)備分組成被稱為piconets的網(wǎng)絡(luò)；每個piconet包含一個主和最多7個激活的從屬器。每個piconet信道的跳頻序列來自于主時鐘。所有的從屬設(shè)備必須保持時鐘同步。前向糾錯（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。漢明碼使每個數(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誤，并能夠檢測到每15位碼字中兩個錯誤（每15位碼字包含10位信息）。2.3無線USB（W

8、irelessUSB）已被設(shè)計為一個電纜的計算機輸入設(shè)備（鼠標，鍵盤等），也將目標瞄準了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。WirelessUSB設(shè)備不定期充電，通過堿性電池來保證其能夠運行幾個月。WirelessUSB與藍牙使用無線電信號的相似，但使用DSSS而不是FHSS。每個WirelessUSB信道為1MHz帶寬，像藍牙一樣把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，他們使用的“固定”信道，但如果原始信道質(zhì)量并非最優(yōu)，將動態(tài)變化信道。WirelessUSB采用偽噪聲（偽）碼來編碼每一個信息比特。大多數(shù)的WirelessUS

9、B系統(tǒng)使用兩個32-碼片PN碼，允許兩個信息比特率編碼在每一個32-碼片符號中。這個方案每個符號可以糾正三個錯誤，每個符號最多可以檢測10個碼片錯誤。雖然使用32-碼片（有時是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牙，尤其是在嘈雜的環(huán)境。2.4 ZigBeeZigBee作為一個用于設(shè)計傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)的標準化解決方案，大多數(shù)ZigBee設(shè)備對功耗很敏感（恒溫器，安全傳感器等），通常要求電池壽命達到幾年。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頻段的直接序列擴頻無線電信號。定義了

10、在2.4GHz的ISM頻段16個信道；每個信道帶寬3MHz和每個信道中心頻率間隔為5MHz，一對信道之間有2MHz的保護帶寬。ZigBe采用11位PN碼，每個符號編碼4位信息比特，它的最高數(shù)據(jù)速率達到128Kbps。物理和MAC層是由IEEE 802.15.4工作組規(guī)定，與IEEE 802.11b標準共享許多相同的設(shè)計特點。2.5 2.4GHz無線技術(shù)2.4GHz的無線技術(shù)現(xiàn)在是使用的越來越普遍例如在無線耳機等無線音頻傳輸中。以無繩電話為例，2.4GHz的無繩電話正變得越來越普遍，其并不使用一個統(tǒng)一標準網(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“頻道”按鈕，手機用戶可以手動更改頻道。采用FHSS的電話沒有“通道”按鈕，因為它們是不斷變化的信道。大多數(shù)的2.4GHz無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避免沖突的計算Wi-Fi的避免沖突算法在發(fā)射前會偵聽“安靜”的通道，這樣多個Wi-Fi客戶端能有效地與單一Wi-Fi接入點通信。如果Wi-Fi通道噪聲很大，則Wi-Fi設(shè)備在再次聆聽該通道前進行隨機退避。如果通道噪聲仍然較大，那么會重復(fù)此過程直至通道安靜為止。一旦通道安靜下來，Wi-Fi設(shè)備將開始發(fā)射。如果通道一直嘈雜，那么Wi-Fi設(shè)備就會尋找另條通道上的其他可用接入點。使用相同或重疊

12、通道的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通過免沖突算法可以實現(xiàn)共存，但每個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會有所下降。如果同一區(qū)域使用多個網(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，這能提高每個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因為無需與其他網(wǎng)絡(luò)共用帶寬。由于藍牙發(fā)射的跳頻特性，故來自藍牙的干擾最小。如果藍牙設(shè)備在一個與Wi-Fi通道重疊的頻率上發(fā)射，而Wi-Fi設(shè)備此時正在進行“發(fā)射前偵聽”，則Wi-Fi設(shè)備會執(zhí)行隨機退避，在這期間，藍牙設(shè)備會跳轉(zhuǎn)到一個非重疊的通道，以允許Wi-Fi設(shè)備可開始發(fā)射。即便無繩電話使用的是FHSS而不是DSSS，來自2.4GHz無繩電話的干擾也可完全中斷Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)完全的工作，部分原因是因為與藍牙(1MH

13、z)相比其占用更寬的通道(5-10MHz)，以及無繩電話信號具有更高的功率。跳轉(zhuǎn)到Wi-Fi通道中間的FHSS無繩電話信號能夠破壞Wi-Fi發(fā)射，這就導(dǎo)致Wi-Fi設(shè)備要重復(fù)發(fā)射。2.4GHzFHSS無繩電話很可能會干擾鄰近所有Wi-Fi，因此我們不建議在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)附近使用這種電話。如果無繩電話使用DSSS，那么無繩電話和Wi-Fi接入點使用的通道可配置成互不重疊，以消除干擾。3.2 解決藍牙的干擾技術(shù)在藍牙中，來自其他藍牙微網(wǎng)的干擾最小，因為每個微網(wǎng)都使用它自己的偽隨機跳頻模式。如果兩個共處的微網(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。藍牙最初采用

14、跳頻算法來處理干擾，不過人們意識到，單個活動的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)會對四分之一的藍牙通道造成嚴重干擾。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，這就大幅降低了藍牙設(shè)備的吞吐量。藍牙規(guī)范1.2版通過定義自適應(yīng)跳頻(AFH)算法來解決上述問題，這種算法使藍牙設(shè)備能將通道標為好、壞或未知三種狀態(tài)。跳頻模式中的壞通道可通過查詢表由好通道來取代。藍牙主設(shè)備會定期聆聽壞通道，以確定干擾是否消失；如果干擾消失，那么就將通道標記為好通道并將其從查詢表中刪除。藍牙從設(shè)備應(yīng)主設(shè)備請求也能向主設(shè)備發(fā)送報告，告知其對通道質(zhì)量的評估。舉例來說，從設(shè)備可能偵聽到主設(shè)備未聆聽到的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)邦通訊委員會(FC

15、C)要求至少使用15個不同的通道AFH算法使藍牙能避免使用Wi-Fi和WirelessUS等DSSS系統(tǒng)占用的通道。2.4GHz FHSS無繩電話仍可能會對藍牙設(shè)備造成干擾，因為這兩種系統(tǒng)都是在整個2.4GHz ISM頻段上以跳頻方式工作，不過，由于藍牙信號的帶僅為1MHz，因此FHSS無繩電話與藍牙之間的沖突頻率要遠小于Wi-Fi;和FHSS無繩電話之間的沖突頻率。藍牙還支持三種不同的數(shù)據(jù)包長度，在給定信道上表現(xiàn)為具有不同的駐留時間。藍牙還可通過縮短數(shù)據(jù)包長度，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，這比以正常速率會丟失較大的數(shù)據(jù)包更為可取。3.3解決Wire

16、lessUSB和ZigBee的干擾問題在WirelessUSB中，每個網(wǎng)絡(luò)在選擇通道前都會檢查其他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都會檢查一下通道的噪聲大小。Wi-Fi設(shè)備造成的干擾會導(dǎo)致持續(xù)的高噪聲，這就會使WirelessUSB主設(shè)備選擇新的通道。WirelessUSB能與多個Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和平共處，因為WirelessUSB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牙的干擾可能會引起WirelessUSB數(shù)據(jù)包的重發(fā)射。由于藍牙的跳頻特性

17、，WirelessUSB數(shù)據(jù)包的重發(fā)射不會與下一次藍牙傳輸發(fā)生沖突，因為藍牙設(shè)備會跳到另一個通道。藍牙網(wǎng)絡(luò)不會造成足夠連續(xù)高的噪聲電平來迫使無線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；每個設(shè)備在發(fā)射數(shù)據(jù)之前都會偵聽通道，從而使ZigBee設(shè)備之間的沖突頻率達到最小。ZigBee在干擾嚴重的情況下不會改變通道，而是通過低占空比以及免沖突算法來盡可能減少沖突造成的數(shù)據(jù)丟損失。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(xiàn)場實驗結(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？在開發(fā)藍牙、Wi-Fi或Zig

18、Bee解決方案時，設(shè)計人員必須使用規(guī)范中所提供的方法。在開發(fā)一種基于802.15.4、WirelessUSB或其他2.4GHz無線電的專用系統(tǒng)時，設(shè)計人員可使用較低級的工具即可獲得頻率捷變性。由于存在與其他DSSS系統(tǒng)相重疊的風險，DSSS系統(tǒng)最可能發(fā)生工作失敗的情況。不過DSSS系統(tǒng)也能通過一定方式實現(xiàn)與FHSS系統(tǒng)類似的頻率捷變性，方法之一就是通過網(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線電設(shè)備支持的情況下讀取空中傳輸信號的功率等級。我們可用接收信號強度指示器(RSSI)來預(yù)先測量空中傳輸通道的功率，如果功率等級在一定時期內(nèi)過高，則會切換到另一個無干擾的通道。之所以考慮這一段時間是為了在FHSS系統(tǒng)通過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，我們可通過多重發(fā)射技術(shù)來實現(xiàn)