2.4 GHz WiFi 与Zigbee 在同一网关中的共存研究

徐 博

（峄城有线电视台，山东 枣庄 277300）

0 引 言

随着WiFi 无线技术的逐渐普及，市场对WiFi速率的需求越来越高。当一个WiFi 热点建立好信道并产生流量使用后，这个信道上的其他2.4 GHz设备基本很难再抢占资源。譬如在一个有限的空间内，如果Zigbee 设备和WiFi 在同一信道附近，当WiFi 进行大数据传输时，Zigbee 的传输会受到一定的影响。

目前，802.11b、802.11g 的工作频段在2.4 GHz频段的大致分布情况是，北美2.412 ～2.462 GHz共11 个信道、欧洲及中国2.412 ～2.472 GHz 共13个信道、日本2.412 ～2.48 4GHz 共14 个信道。为了避免同频信道的干扰，厂家一般都都选择信道1、信道6 及信道11 的默认配置，以最大效益地使用2.4 GHz 频率资源。但如果人们生活或办公的区域存在多于3 个以上的无线网络时，就不可避免地会出现信道重叠的影响，影响一些信道的数据传输[1]。

在Zigbee 和2.4 GHz WiFi 网关合一的产品中，二者都占据2.4 GHz 频段：Zigbee 工作在2.4 GHz频段，占用2 400 ～2 483 MHz 频段，分成16 个信道，从ch11 到ch26，每个信道间隔5 MHz；WiFi 2.4 GHz 的范围是2 400 ～2 473 MHz，分为13 个信道，从ch1 到ch14，按照20 MHz 带宽进行划分。

对于此类同频的装置，理论上说，如果二者的天线距离足够远，隔离度足够大（＞40 dBm）时，基本可以忽略同频带来的干扰。但实际在设备中，一方面受到结构限制，二者天线距离有限；另一方面，二者在同一个单板上，电路间也会产生一些同频干扰[2]。

在这种情况下，要想二者都能同时工作，且不影响其他用户的体验，需要通过其他方式来降低干扰。

本文主要讨论的是2.4 GHz WiFi，因此在下面的说明中，WiFi 均指的是2.4 GHz 频段。

1 干扰分析

相比Zigbee，WiFi 无论是在覆盖范围还是发射功率上都要远超Zigbee。从这个角度上来说，Zigbee 对WiFi 的干扰基本可以忽略不计。本文讨论的重点在WiFi 对Zigbee 的影响上。

1.1 WiFi 对Zigbee 接收的影响

为了获取WiFi 对Zigbee 的影响，分别测试了在WiFi 关闭 时，WiFi 工作在802.11b 模式以及WiFi 工作在802.11n（40 MHz）模式下，Zigbee 各个信道的接收灵敏度，所得结果如图1 所示。图1中WiFi 选择的是中间信道ch6，同时为了便于说明问题，接收灵敏度数值均取了绝对值。

从图1 可以看到，当WiFi 关闭时，Zigbee 的接收灵敏度绝对值接近100 左右。WiFi 打开后，在802.11b 模式和802.11n 模式下，Zigbee 的接收灵教度绝对值在50 到95 之间变化，与原值差距较大。这表示WiFi 对Zigbee 的影响是比较大的，尤其是在WiFi 802.11n 40 MHz 带宽情况下，对Zigbee 的接收指标影响更大，严重的情况下会导致Zigbee 无法正常工作。

从图1 还可以看出，无论是WIFi 802.11b，还是802.11n，ch6 对Zigbee 中间信道的影响比边缘信道都要大，WiFi ch6 的中心频点是2 437 MHz，Zigbee 中间信道（ch18）的中心频点是2 440 MHz，二者几乎重合[3]。

1.2 WiFi 信道对Zigbee 的影响

基于图1 的基础，分别测试了WiFi 在802.11b模式下，ch1 到ch13 信道工作时，Zigbee 的信道ch11，ch18 和ch26 的接收灵敏度，结果如图2 所示。

图1 WiFi 对Zigbee 的接收影响图

从图2 可以看到，Zigbee 低信道ch11 的灵敏度随着WiFi ch1—ch13 增加，Zigbee 中信道ch18的灵敏度随着WiFi ch1—ch13 的灵敏度先降低后增加，Zigbee 高信道ch26 的接收灵敏度随着WiFi ch1—ch13 降低。

图2 WiFi 信道对Zigbee 信道影响图

这个数值可以进一步说明，WiFi 和Zigbee 两者信道距离越近，干扰就越大。换句话说，随着Zigbee 和WiFi 拉远，影响也会变小。

基于这个结论，可以考虑通过信道避让的方法来改善二者之间的干扰。这种方法称为动态信道调整。

1.3 WiFi 速率及信号强度的影响

在用户实际使用中，WiFi 通常是有速度的，且自身的信号强度也是有差异的。这两个因素也会影响Zigbee 的使用。这种影响可以用Zigbee 收包成功率这个指标来衡量。本文具体测试了WiFi ch1时不同速率以及不同信号强度下Zigbee 的收包成功率，结果分别如图3、图4 所示。

图3 WiFi 速率影响

从上述结果来看，WiFi 速率和WiFi 的信号强度，对Zigbee 收包率影响都比较大。WiFi 速率为50 Mb·s-1时，Zigbee 的收包成功率不足20%，WiFi信号强度较弱时，Zigbee 收包成功率有大幅提高。

基于这种数据，可以考虑在实际使用时，通过限制WiFi 最高速率以及压低信号强度的方式，来减小WiFi 对Zigbee 的影响。但是很明显，这种限制会影响WiFi 的性能，降低WIFi 的使用体验，所以也需要尽量避免。为了解决这种矛盾，考虑到Zigbee 通常数据量不大，时效要求也不是很高，为了不影响WiFi 的体验，经过处理可以做到在Zigbee有数据产生的情况下限制WiFi 速率或者强度，Zigbee 没有数据时不进行限制。

2 整体解决方案综述

根据上述大量测试结果，对于集2.4 GHz WiFi和Zigbee 于一体的网关产品，在降低二者互扰的问题上，可以采用的方法步骤如下。

首先是尽量增大二者的隔离度，从外在条件上避免干扰，这也是最有效的方法。例如，在类似图5造型的网关设备中，在单板上保证将WiFi 和Zigbee距离最远，同时尽量拉远二者之间的天线距离，减少板上干扰和空间干扰[4]。

图5 网关设备的造型示例

其次是从软件上尽量减少WiFi 对Zigbee 的影响。需要说明的是，这些方法都会部分牺牲WiFi或者Zigbee 的性能，主要包括：

（1）动态信道调整，根据测试接收灵教度，大致摸出信道规避算法，一般情况下，先确定WiFi 的信道，再根据此算法选择相应的Zigbee 信道；

（2）动态调整WiFi 速率和功率，根据Zigbee 工作的时间以及信号强度，调整WiFi 的最高速率和发射功率。

最后，对于这种同频互扰，也可以仿照蓝牙和WiFi 的共存机制，在底层进行分时处理，即当Zigbee 有数据传输的时候，让WiFi 暂停发送，Zigbee 传输完毕后，WiFi 继续传输。这种机制在一些芯片中已经集成，从原理上来说，这个机制也会降低WiFi 的传输速率，只是Zigbee 所占时隙比较短且在底层处理，对用户的影响不大[5]。还需要说明的是，这种机制仅在Zigbee 网关发送链路中起到很大作用，能够保证信息顺利到达，但对于接收，还是不能从根上解决，文中提到的方法和预防措施也是有意义的。

3 结 语

Zigbee 和WiFi 两种无线通信技术的应用满足了人们生活的不同需求，但相互间的干扰抑制了两种设备同时应用的发展空间，因此控制干扰有着重要的意义。随着共存解决办法的提出，相信不久的将来，人们可以自由地同时享用两种无线技术带来的便利。