避免 2.4 GHz ISM 频段下的各种无线设备干扰的各种技术

避免冲突的技术

除了解每项技术的工作原理外，了解上述技术在同构及异构环境下的相互作用也很重要。

Wi-Fi的免冲突算法在发射前会侦听“安静”的通道，这样多个 Wi-Fi 客户端能有效地与单一 Wi-Fi 接入点通信。如果 Wi-Fi 通道噪声很大，则Wi-Fi 设备在再次聆听该通道前进行随机退避。如果通道噪声仍然较大，那么会重复此过程直至通道安静为止。一旦通道安静下来，Wi-Fi设备将开始发射。如果通道一直嘈杂，那么 Wi-Fi 设备就会寻找另条通道上的其他可用接入点。

使用相同或重叠通道的 Wi-Fi 网络通过免冲突算法可以实现共存，但每个网络的吞吐量会有所下降。如果同一区域使用多个网络，那么我们最好使用非重叠的通道，比如通道1、6 和 11，这能提高每个网络的吞吐量，因为无需与其他网络共用带宽。

由于蓝牙发射的跳频特性，故来自蓝牙的干扰最小。如果蓝牙设备在一个与 Wi-Fi 通道重叠的频率上发射，而Wi-Fi设备此时正在进行“发射前侦听”，则 Wi-Fi 设备会执行随机退避，在这期间，蓝牙设备会跳转到一个非重叠的通道，以允许 Wi-Fi 设备可开始发射。

即便无绳电话使用的是 FHSS 而不是 DSSS，来自 2.4 GHz 无绳电话的干扰也可完全中断 Wi-Fi 网络完全的工作，部分原因是因为与蓝牙(1MHz)相比其占用更宽的通道(5-10MHz)，以及无绳电话信号具有更高的功率。跳转到 Wi-Fi 通道中间的 FHSS 无绳电话信号能够破坏 Wi-Fi 发射，这就导致 Wi-Fi 设备要重复发射。2.4 GHz FHSS 无绳电话很可能会干扰邻近所有 Wi-Fi 设备，因此我们不建议在 Wi-Fi 网络附近使用这种电话。如果无绳电话使用 DSSS，那么无绳电话和 Wi-Fi接入点使用的通道可配置成互不重叠，以消除干扰。

解决蓝牙的干扰

在蓝牙中，来自其他蓝牙微网的干扰最小，因为每个微网都使用它自己的伪随机跳频模式。如果两个共处的微网被激活，则发生冲突的概率为 1/79。冲突的概率随共处的有效微网的数量呈线性增加。

蓝牙最初采用跳频算法来处理干扰，不过人们意识到，单个活动的 Wi-Fi 网络会对四分之一的蓝牙通道造成严重干扰。由于通道重叠导致的数据包丢失必须在空闲的通道上重新发射，这就大幅降低了蓝牙设备的吞吐量。

蓝牙规范 1.2 版通过定义自适应跳频(AFH)算法来解决上述问题，这种算法使蓝牙设备能将通道标为好、坏或未知三种状态。跳频模式中的坏通道可通过查询表由好通道来取代。蓝牙主设备会定期聆听坏通道，以确定干扰是否消失；如果干扰消失，那么就将通道标记为好通道并将其从查询表中删除。蓝牙从设备应主设备请求也能向主设备发送报告，告知其对通道质量的评估。举例来说，从设备可能侦听到主设备未聆听到的 Wi-Fi 网络。联邦通讯委员会(FCC)要求至少使用 15 个不同的通道。

AFH 算法使蓝牙能避免使用 Wi-Fi 和 WirelessUSB 等 DSSS 系统占用的通道。2.4 GHz FHSS 无绳电话仍可能会对蓝牙设备造成干扰，因为这两种系统都是在整个 2.4 GHz ISM 频段上以跳频方式工作，不过，由于蓝牙信号的带仅为1 MHz，因此 FHSS 无绳电话与蓝牙之间的冲突频率要远小于 Wi-Fi 和 FHSS 无绳电话之间的冲突频率。

蓝牙还支持三种不同的数据包长度，在给定信道上表现为具有不同的驻留时间。蓝牙还可通过缩短数据包长度，以提高数据吞吐量可靠性。在此情况下，最好是使较小数据包以较低的速率通过，这比以正常速率会丢失较大的数据包更为可取。

解决WirelessUSB和ZigBee的干扰问题

在WirelessUSB中，每个网络在选择通道前都会检查其他WirelessUSB网络。因此，其他WirelessUSB网络造成的干扰极小。WirelessUSB至少每50 ms都会检查一下通道的噪声大小。Wi-Fi设备造成的干扰会导致持续的高噪声，这就会使WirelessUSB主设备选择新的通道。WirelessUSB能与多个Wi-Fi网络和平共处，因为WirelessUSB能发现Wi-Fi网络之间的安静通道(图2)。

图 2：WirelessUSB 设计方案的频率捷变性方框图。

蓝牙的干扰可能会引起 WirelessUSB 数据包的重发射。由于蓝牙的跳频特性，WirelessUSB 数据包的重发射不会与下一次蓝牙传输发生冲突，因为蓝牙设备会跳到另一个通道。蓝牙网络不会造成足够连续高的噪声电平来迫使无线USB主设备改变信道。

ZigBee 规定了一种类似于 802.11b 的免冲突算法；每个设备在发射数据之前都会侦听通道，从而使ZigBee 设备之间的冲突频率达到最小。ZigBee 在干扰严重的情况下不会改变通道，而是通过低占空比以及免冲突算法来尽可能减少冲突造成的数据丢损失。如果 ZigBee 使用的通道与一个频繁使用的 Wi-Fi 通道相重叠，则现场实验结果显示，由于数据包冲突的缘故，有五分之一的 ZigBee 数据包都需要重发射。

我们能采取什么措施？

在开发蓝牙、Wi-Fi 或 ZigBee 解决方案时，设计人员必须使用规范中所提供的方法。在开发一种基于802.15.4、WirelessUSB 或其他 2.4 GHz 无线电的专用系统时，设计人员可使用较低级的工具即可获得频率捷变性。

由于存在与其他 DSSS 系统相重叠的风险，DSSS 系统最可能发生工作失败的情况。不过 DSSS 系统也能通过一定方式实现与 FHSS 系统类似的频率捷变性，方法之一就是通过网络监视。如果 DSSS 系统使用轮询协议(所期望数据包以规定间隔出现)，那么主设备可在多次传输尝试失败或连续接收到损坏数据包情况下改变通道。

还有一种办法就是在无线电设备支持的情况下读取空中传输信号的功率等级。我们可用接收信号强度指示器 (RSSI)来预先测量空中传输通道的功率，如果功率等级在一定时期内过高，则会切换到另一个无干扰的通道。之所以考虑这一段时间是为了在 FHSS 系统通过的情况下不改变信道。

网络监视和 RSSI 读取都假设无线电均为可发射也可接收数据包的收发器。在一个一端为发射器而另一端为接收器 DSSS 系统中，我们可通过多重发射技术来实现频率捷变性。发射器使用多种频率发送同一个数据包，而接收器则以较低速度在接收通道中循环接收。当接收器连接到电源上并且电池供电发射器使用不频繁时，这种系统是可行的。无线遥控器就可以使用这种方法。

总结

每种标准的 2.4-GHz 网络技术都需要在设计过程中对不同因素加以折中取舍，从而降低干扰的影响，或彻底避免干扰问题。设计人员可通过现行标准所提供的方法，或根据本文介绍的有关方法设计自己的协议并配合使用 RSSI 等无线电特性，便可实现系统的频率捷变性。尽管我们不可能完全杜绝 2.4-GHz 系统的干扰问题，但设计人员可提高系统的频率捷变性，提高产品在目前非常拥挤的 2.4-GHz ISM 频带环境中抗干扰的生存能力。

关于作者

Mark Gerrior 是赛普拉斯半导体消费类与计算产品部的首席软件工程师。他毕业于马尔波罗学院(Marlboro College)，获得计算机科学学士学位，其电子邮件地址为：mgt@cypress.com。

Ryan Winfield Woodings 是赛普拉斯半导体消费类与计算产品部的系统工程师。他毕业于杨百翰大学 (Brigham Young University)，获得计算机科学学士和硕士学位，其电子邮件地址为：rww@cypress.com。