在WiFi干扰下的ZigBee网络可靠性研究

徐鹏飞,朱 黎,谭建军,钟万熊,黄定懿

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)



在WiFi干扰下的ZigBee网络可靠性研究

徐鹏飞,朱 黎,谭建军,钟万熊,黄定懿

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

WiFi系统和ZigBee无线传感器网络系统均主要工作在2.4 GHz的ISM频段.同一区域同时部署两种网络的场景越来越多，如何有效地避免干扰，是目前亟待解决的问题.从理论上讲，当两者共存时，都会对彼此产生一定程度的干扰.主要研究WiFi网络对ZigBee网络的干扰.通过对两者共存时的同频干扰问题进行详细地分析，搭建反映ZigBee和WiFi共存的网络仿真模型，提出了一种在强干扰下的基于改进的频率捷变的干扰避免方法，该方法检测到干扰之后，自适应地将节点切换到安全信道上来避免WiFi干扰. ZigBee网络在WiFi干扰下的网络性能根据误比特率BER和误包率PER来进行评估.仿真结果表明所设计的方案能够有效地减轻WiFi干扰的影响，进而能够提高ZigBee网络的性能.

无线传感器网络;同频干扰;能量扫描;BER;PER

ZigBee技术是一种短距离、低成本、低功耗的无线通信技术.ZigBee的这一特性使其在住宅、商业和工业领域得到了非常广泛的应用，但ZigBee技术不适宜传输数据量大的数据，如声音、图像等.WiFi很好地解决了这一问题，随着应用市场的不断增长，WiFi网络和ZigBee网络部署在同一场景中的情况越来越多.因二者的通信频段一致，两者共存将会产生同频干扰问题.在干扰严重时可使ZigBee的丢包率达到90%以上[1]，严重影响到设备的性能.对于两者之间共存时的干扰情况，国外研究学者Jung等[2]提出了两者共存时的协作式抗干扰机制，此方法主要运用于同一设备中两者共存的情况，而实际情况中ZigBee和WiFi常存在于不同的设备中.Peizhong Yi[3-4]提出了一种基于频率捷变的抗干扰方法，此方法通过改变通信信道来避免干扰，通过寻找最空闲的信道，然后将整个网络切换到此最优信道上来避免干扰.基于以上的情况，提出一种基于误比特率和误包率的改进的频率捷变的抗干扰方法，仿真结果表明该方法在网络的共存方面能够有效地提高ZigBee网络的性能.

1 共存通信频段对比

IEEE 802.11标准指定了WiFi的物理层和MAC层规范，其在2.4 GHz上定义了13个带宽为22 MHz的相互重叠的通信频段，其信道的中心频率如下(1)式所示，其不发生重叠的信道最多只有3个，如下图1(a)所示.

fWiFi=2 412+5(n-1)n=1,2,…,13

(1)

图1 ZigBee和WiFi的信道分布Fig.1 The distribution of ZigBee and WiFi channel

IEEE 802.15.4标准定义了ZigBee的物理层和MAC层规范，其在2.4 GHz上定义了16个带宽为5 MHz的通信频段.其信道的中心频率如下(2)式所示，其信道分布如图1(b)所示.

fZigBee=2 405+5(n-1)n=11,12,…,26

(2)

由两者的信道图可以看出ZigBee只存在4个信道(n=15,16,21,22)与WiFi的信道不产生重叠.由此可见，当两者的设备共存时，假定WiFi设备工作在任一信道上，则两者信道重叠的概率为1/4.当信道产生重叠时，两者的同频干扰将会产生.相比较于WiFi，ZigBee的发射功率和数据速率都较低，这将对ZigBee带来非常大的干扰，严重影响ZigBee网络的通信可靠性.

2 ZigBee误比特率和误包率的理论分析

搭建ZigBee的误比特率和误包率的分析模型，其中在误包率的分析中不仅包括WiFi信号的干扰，也包括环境中的噪声在内.

2.1 在WiFi干扰下的ZigBee误比特率分析

IEEE 802.15.4的物理层在2.4 GHz采用O-QPSK调制技术.对于一个加性高斯白噪声信道，误比特率可用如下式(3)表示:

(3)

其中：Eb/No代表信噪比，Q(x)是高斯分布的Q函数，如式(4)所示：

(4)

当ZigBee信道和WiFi信道重叠的时候，可以把WiFi信号当作ZigBee信号的部分频带干扰噪声，信噪比则用信号和干扰加噪声的比率代替，其定义如式(5)所示：

(5)

考虑到IEEE 802.11b的功率谱是ZigBee的11倍宽且不是均匀分布，一个修正参数的带内功率因数r被引到干扰功率之中，因此可以修正为：

(6)

为了得到因数r,必须考虑IEEE 802.11b的功率谱密度和在WiFi和ZigBee的中心频率之间的频偏.因为功率集中在中心频率范围内，所以r随着频偏的降低而增大.

2.2 在WiFi干扰下的ZigBee误包率分析

误包率由误比特率和冲突时间共同决定，TZ、TW分别为ZigBee、WiFi的包间隔时间，UZ、UW分别为ZigBee、WiFi的最小竞争窗口.

虽然ZigBee和WiFi都采用CSMA/CA(carrier sense multiple access with collsion avoidance)机制发送数据，但和WiFi不同的是，ZigBee成功退避时间UZ后，只通过CCA机制检测信道的状态2次.假设其退避时间在0和最小竞争窗口之间均匀分布，因此可以分别设定平均退避时间为各自最小竞争窗口的一半，则可以得出：

TZ=LZ+TSIFS,Z+TACK,Z+UZ+TCCA

(7)

TW=LW+TSIFS,W+TACK,W+TDIFS+UW

(8)

令x为WLAN包和ZigBee包之间的时间偏移量，则可得两者平均冲突时间如下(9)式所示：

(9)

假设x在[0，TW]之间均匀分布将模型进行简化，则可以得出平均冲突时间TC如下(10)式:

(10)

在WiFi的强干扰下，误包率最能反应网络的性能，其误包率PER可表示为：

(11)

3 基于改进的频率捷变方法的提出

根据所建立的理论模型，误比特率决定于重叠信道内的干扰和噪声的功率，干扰的功率主要取决于频偏和距离的大小[6].如果ZigBee设备能够检测到干扰，找到安全的信道并将整个个域网都迁移到一个无干扰的信道，性能将会显著地提高[7].基于改进的频率捷变的方法不仅满足节能的要求，还可以获得高可靠性和可扩展性.此方法主要由干扰检测和干扰避免两部分组成.每个发送节点周期性地测量各自地误包率，如果误包率超过某个极限，发送端将要报告给路由器并检查它的链路质量指示(LQI),如果LQI低于某个值，协调器通知网络中的所有路由器进行干扰检测找到可用的信道.干扰检测通过在ZigBee协议里所定义的能量检测扫描所获得，最后将所有的网络设备转移到选定的安全信道上.

3.1 干扰检测机制

在ZigBee网络中采用基于PER-LQI的干扰检测机制，在网络中为了提高包的传输和网络电池的寿命，使用常规的数据包来代替专用的信标进行干扰检测[8].每个终端测量各自的误包率，通过传输至少20个数据包.当误包率超过25%时，其将干扰检测报告给其上一级路由器.路由器检测该路由器和终端设备间的LQI值，如果LQI值小于100，则认为其数据包丢失是由于链路质量差所造成的.在这种情况下，路由器将检测报告给协调器，协调器启动相关的干扰避免机制，然后开始转移至一个安全的信道.

对于特殊的情况，当干扰很严重时，以至于终端和路由器的通信中断，路由器仍然能够检测干扰，因为它定期地监测它和所有孩子节点间的链路质量LQI，如果链路质量LQI在多个周期内很低，路由器接收不到任何来自孩子节点的消息，其将会自动地进行能量检测扫描，并将结果报告给协调器.

3.2 干扰避免机制

考虑到多个ZigBee网络共存的场景，让存在严重干扰或优先级较低的网络通过信标请求的方式转移到另外的信道，提出一种基于伪随机序列的干扰避免机制.所有的设备转移至基于预先定义的伪随机序列的信道上来避免干扰.很显然，这一机制增加了时延和能量消耗.通过实验发现当ZigBee信道和WiFi的中心频率之间的频偏大于8MHz时,来自IEEE 802.11b的干扰可以忽略.当频偏小于3MHz时，ZigBee遭受重度干扰.为了减少检测时间和功率消耗，根据频偏将ZigBee信道划分为3级,如上图1所示.第一级的频偏大于12 MHz，包含15、20、25、26几个信道，第二级频偏大于7 MHz，小于12 MHz，包含11、14、16、19、21、24几个信道，第三级频偏小于3 MHz，包含12、13、17、18、22和23几个信道.其中第一级优先级最高，第三级优先级最低.每个路由器根据优先级、网络协议和其所处的位置分配一个权值.那些靠近WiFi接入点或者拥有大量孩子节点的节点分配到大的权值.所采用的算法最小化了决策算法的复杂性，一旦完成能量监测扫描，网络中的所有路由器开始主动扫描所选择的转移信道.

使用NS2.34的基于IEEE 802.15.4标准的仿真模型如图2所示：

图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 仿真结果与性能分析

误比特率BER和误包率PER的仿真结果分别如下图3、4所示，绝大多数信道都和WiFi信道有着重叠，其分别和WiFi信道有着2、3、7和8 MHz的频偏[9]，因此仿真主要在以上4种情形中进行.从仿真结果可以看出，误比特率和误包率随着频偏的增加而下降很快,而当距离大于8 m时，误比特率和误包率都较低，可以不用考虑频偏的大小而保证ZigBee网络的可靠通信.由此可以得出距离和频偏是使ZigBee网络减轻WiFi干扰的两个重要参数.

图3 不同距离和频偏下的误比特率Fig.3 The bit error rate(BER) of different distance and frequency offset

图4 不同距离和频偏下的误包率Fig.4 The packet error rate(PER) of different distance and frequency offset

5 结论

ZigBee在WiFi干扰下的网络性能通过网络仿真器进行仿真，仿真模型反映了ZigBee和WiFi间的共存性能.仿真结果表明ZigBee可以受到WiFi的严重干扰，合适的距离和频偏可以用来指导ZigBee网络的部署.从仿真结果中可以得出，在两者间的距离超过8 m时，可以不必考虑频偏而能保证ZigBee网络的可靠性能，同样，当两者间的频偏超过8 MHz时，两者间的距离只有2 m时，仍能保证可靠通信.可以看出，所提算法用在和WiFi网络的共存方面，增强了ZigBee的网络性能，从而能提供更可靠的服务.

[1] 张招亮,陈海明,黄庭培,等.无线传感器网络中一种抗无线局域网干扰的信道分配机制[J].计算机学报,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.

[3] YI Pei-zhong,IWAYEMI A,ZHOU Chi.Developing ZigBee deployment guideline under WiFi interference for smart grid applications[J].IEEE Trans on Smart Grid,2011,2(1):110-220.

[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] 黄仁,晏政双.空闲信道评估对ZigBee与Wi-Fi共存的影响研究[J].计算机应用研究,2013(9):2843-2845.

[6] 晏政双.ZigBee无线传感器网络与WLAN的共存研究[D].重庆：重庆大学,2013.

[7] 尹杰，杨世江，王韩瑞，等.基于物联网的智能实验楼宇照明及环境监控系统[J].吉首大学学报(自然科学版)，2017，38(2)：42-46，60.

[8] 吴琼,袁建英.一种新的分布式自适应抗同频干扰技术研究与实现[J].计算机应用研究,2014(8):2437-2440.

[9] 曲金帅，陈楠，范菁，等.基于ZigBee-WiFi的异构无线传感网实时数据融合机制研究[J].云南民族大学学报(自然科学版)，2014，23(5)：365-368.

责任编辑：时 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.

国家自然科学基金项目(61661020)

徐鹏飞(1992-),男，硕士生，主要从事无线传感器网络的研究；*

谭建军(1960-)，男，教授，主要从事无线传感器网络及应用的研究.

1008-8423(2017)02-0198-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.020

TN972

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