ZigBee抗幹擾的工作原理

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ZigBee抗幹擾的工作原理

工程師3 發表於 2018-04-27 16:31:00

ZigBee是一項新興的短距離無線通信技術（IEEE 802.15.4 標準），主要面向的應用領域是低速率無線個人區域網，主要特徵是近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率。其工作方式是：在數千個微小的傳感器之間以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，最後這些數據可進入計算機分析或者被另一種無線技術（如：WiMax）收集。工作頻段分為：2.4G——全球通用、868M——歐洲、915M——美國。由於和藍牙、Wi-Fi等其它短距離無線通信技術一樣選擇2.4GHZ（2.4～2.483GHz）ISM 頻段，因此，其抗幹擾性能尤為引人關注。摩爾實驗室（MORLAB）經過近段時間對ZigBee技術的研究及相關測試實踐總結出如下幾點，這也是ZigBee產品抗幹擾能力強的主要原因。

ZigBee抗幹擾特性主要是抗同頻幹擾，即來自共用相同頻段的其他技術的幹擾。主要特性如下：

1、 空閒信道評估（Clear Channel Assessment，CCA）：

判斷信道是否空閒。IEEE 802.15.4 物理層在碰撞避免機制中提供CCA的能力，即如果

信道被其他設備佔用，則允許傳輸退出而不必考慮採用該信道的通信協議。

現主要有3種空閒信道評估模式：（1）判斷信道的信號能量，若信號能量低於某一個門限量，則認為信道空閒；（2）判斷無線信道的特徵，這個特徵主要包括兩方面，即擴頻信號和載波頻率；（3）綜合前兩種模式，同時檢測信號強度和信號特徵，給出信道空閒判斷。

2、 動態信道選擇：

ZigBee 個人區域網（PAN）中的協調器（網絡的中心節點，負責網絡的組織和維護）。首先要掃描所有的信道，然後確認並加入一個合適的PAN（不需要創建一個新的PAN），減少同頻段PAN的數量，降低潛在的幹擾。如果幹擾源出現在重疊的信道上，協調器上層的軟體要應用信道算法選擇一個新的信道。

3、 信道算法：

在網絡初始化或者響應中斷時，ZigBee 設備都會先掃描一系列被列入信道表參數中的信道，以便進行動態信道選擇，按照上述空閒信道來設置信道表參數，以便加強網絡的共存性能。

在嚴重幹擾期間，ZigBee不改變信道，而是依靠其低佔空比、免衝突算法（每個設備在發送數據之前偵聽信道）來減小由於傳輸衝突所造成的數據丟失。

4、 直序擴頻技術（DSSS） 和頻率快變FA：

直接序列擴頻技術具有一定的抗幹擾效果（如下圖所示），在其他條件相同情況下傳輸距離要大於跳頻技術（發射功率為0dBm的情況下，Bluetooth有10m作用範圍，而ZigBee在室內能達到30——50m作用範圍）。所謂頻率快變是改變頻率、以避開一個已知幹擾源或信號源的影響。

由上圖可見，ZigBee的誤碼率在信噪比為4dB的情況下可達10 -9 ，要達到同樣誤碼率，Wi-Fi要達 10dB，藍牙高達16dB， ZIGBEE的抗幹擾性能明顯高於Wi-Fi和藍牙技術。

5、 應答重傳和幀緩存：

ZigBee的MAC層和應用層（APS部分）具有自動請求重傳ARQ和幀緩存功能。當傳送數據幀給設備時，如果接收設備處於忙或者休眠狀態而不能接收該幀，那麼網絡的主協調設備就暫時緩存該幀，直到接收端接收該幀。

雖然調製方式很簡單，但ZigBee在2.4GHz ISM頻段表現出了很好的抗幹擾性能，非常適合於低功耗、低數據傳輸的應用場合。目前ZiBee產品在CE認證中主要採用的測試標準為EN300328、而在FCC中則主要採用Part 15C的測試要。摩爾實驗室（MORLAB）在ZigBee產品測試過程中積累了一定的經驗，可完成ZigBee產品的各國認證也可幫助我們的客戶完善其的ZigBee產品，使其在設計中就考慮到各國指標的相關限制要求。

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