现代微波测量技术课程报告

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1、Harbin Institute of Technology课程报告课程名称：报告题目：现代微波测量技术2. 4GHz ISM频段中的各种无线技术院系 班级 报告者 学号 任课教师 报告时间哈尔滨工业大学2.4GHz ISM 频段中的各种无线技术-它们会互相干扰吗？引言： 2.4GHz 作为全球共同的 ISM 频段，很多无线技术都不约而同的选择了 它作为自己的工作频率。那么这么多不同的无线技术都占用了这一个频段，它们 之间会互相干扰吗？会互相打架吗？答案是肯定的，广州地铁被Wi-Fi信号逼停 地事件中就可以看出它们之间的干扰，那么我们可以尽量的减小互相之间的干扰 吗？下面将先从各种工作于 2.

2、4GHz 频段的无线技术的介绍开始，探讨一下避免 和减小干扰的方法。1. ISM 频段ISM（Industrial Scientific Medical） 频 段 ， 是 由 ITU-R （ ITU Radiocommunication Sector，国际通信联盟无线电通信局）定义的。此频段主要 是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，属于Free License，无需授权许 可，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰 即可。ISM 频段如下：表 1 ISM 频段频率范围（Hz）中心频率（Hz）可行性6.765 - 6.795 MHz6.780 MHz取决于当地

3、13.55313.567 MHz13.560 MHz26.957-27.283 MHz27.120 MHz40.6640.70 MHz40.68 MHz433.05-434.79 MHz433.92 MHz902928 MHz915 MHz Region 2 only2.4002.500 GHz2.450 GHz5.7255.875 GHz5.800 GHz2424.25 GHz24.125 GHz61 -61.5 GHz61.25 GHz取决于当地122 - 123 GHz122.5 GHz取决于当地244246 GHz245 GHz2.4GHz频段为各国共同的ISM频段。因此无线局域网、蓝

4、牙、ZigBee等无 线网络，均可工作在2.4GHz频段上。随着越来越多的企业生产产品使用2.4GHz无线电频谱，人们不得不考虑来 自其他来源信号。由于标准规定了未授权频段状态，因此无线设备必须考虑到干 扰。在这些不利的条件下，如何才能使他2.4GHz设备性能最好呢？通常是产品 是实验室环境下进行测试的，但其性能由于实际中其他 2.4GHz 产品的干扰而使 性能大大下降。2. 2.4GHz 频段的几种技术2.4GHz频段现有的标准主要有Wi-Fi，蓝牙和ZigBee等。在本文中，我们 将介绍2.4GHz的主要标准技术：Wi-Fi，蓝牙（Bluetooth），无线USB （ WirelessUS

5、B）， ZigBee， 2.4GHz 无线技术。2.4GHz的ISM频段无线频率调制有两种：跳频扩频（FHSS）和直接序列扩 频（DSSS）。蓝牙使用 FHSS 而 WirelessUSB, 802.11b/g/a （般称为 Wi-Fi 的） 和802.15.4 （称为ZigBe的结合上网络层）利用DSSS。所有这些技术都在全球 范围内的ISM频段（2.400-2.483千兆赫）上实施（如图1）。图 1 2.4GHz 频段的无线技术分布2.1 Wi-FiWi-Fi是通常被用来连接计算机到本地局域网或间接到Internet。大多数Wi-Fi设备的笔记本电脑不是每日充电就是直接插入墙上的电源，因此

6、对电源要 求并不敏感。Wi-Fi使用DSSS系统，每个通道带宽22MHz，同时可允许使用多 达三个不互相重叠相同带宽的信道。每一个Wi-Fi接入点所使用的信道必须手动 配置；Wi-Fi客户端搜索可用接入点的所有信道。802.11使用11位的Barke伪随 机噪声（PN）码来为原始1和2Mbit/s数据传输速率的每一个信息比特进行编码。 为了实现更高的数据速率，802.11b使用补码键控（CCK） 6位信息比特编码到8 码片符号当中。用CCK算法有64个可能的符号，这就要求每个802.11b的无线 电具有64个分离的相关器（该设备负责把符号转化为信息比特），这增加了复杂 性和成本的电台，但使数据

7、速率提高到 11Mbit/s。2.2 蓝牙蓝牙的重点是手机，耳机和 PDA 之间的互操作性。大部分蓝牙设备需要经 常充电。蓝牙使用FHSS技术，将2.4GHz的ISM频段分割为791MHz的信道。 蓝牙设备之间在伪随机模式下的每秒在79个信道中跳频1600次。连接蓝牙设备 分组成被称为 piconets 的网络；每个 piconet 包含一个主和最多 7 个激活的从属 器。每个 piconet 信道的跳频序列来自于主时钟。所有的从属设备必须保持时钟 同步。前向纠错（FEC ）是用在所有包头，每比特在包头中传输三次。汉明码也 用于某些类型数据有效载荷的前向纠错。汉明码使每个数据包中引入了 50的

8、 多余比特，但其能够纠正所有单一错误，并能够检测到每15位码字中两个错误 （每 15 位码字包含 10 位信息）。2.3 无线 USB（WirelessUSB）已被设计为一个电缆的计算机输入设备（鼠标，键盘等），也将目标瞄准了 无线传感器网络。 WirelessUSB 设备不定期充电，通过碱性电池来保证其能够运 行几个月。 WirelessUSB 与蓝牙使用无线电信号的相似，但使用 DSSS 而不是 FHSS。每个 WirelessUSB 信道为 1MHz 带宽，像蓝牙一样把 WirelessUSB 2.4GHz 的 ISM 频段分为 1 到 79MHz 的信道。 WirelessUSB 设备

9、的频率变换灵活，换句 话说，他们使用的“固定”信道，但如果原始信道质量并非最优，将动态变化信 道。 WirelessUSB 采用伪噪声（伪）码来编码每一个信息比特。大多数的 WirelessUSB 系统使用两个 32-码片 PN 码，允许两个信息比特率编码在每一个 32-码片符号中。这个方案每个符号可以纠正三个错误，每个符号最多可以检测 10个码片错误。虽然使用32-码片（有时是64）PN码限制了 WirelessUSB数据 速率（62.5kbit/s）,但数据的完整性大大高于蓝牙，尤其是在嘈杂的环境。2.4 ZigBeeZigBee 作为一个用于设计传感器和控制网络的标准化解决方案，大多数

10、ZigBee设备对功耗很敏感（恒温器，安全传感器等），通常要求电池寿命达到几 年。 ZigBee 的还采用了在 868MHz 频段（欧洲）， 915 兆赫频带（北美），以及 2.4GHz的ISM频段的直接序列扩频无线电信号。定义了在2.4GHz的ISM频段 16个信道；每个信道带宽3MHz和每个信道中心频率间隔为5MHz，一对信道 之间有2MHz的保护带宽oZigBe采用11位PN码,每个符号编码4位信息比特， 它的最高数据速率达到128Kbps。物理和MAC层是由IEEE 802.15.4工作组规定， 与IEEE 802.11b标准共享许多相同的设计特点。2.5 2.4GHz 无线技术2.4

11、GHz 的无线技术现在是使用的越来越普遍例如在无线耳机等无线音频传 输中。以无绳电话为例， 2.4GHz 的无绳电话正变得越来越普遍，其并不使用一 个统一标准网络技术。有些电话使用DSSS；但最普遍使用FHSS。采用DSSS 和其他使用固定通道算法的电话通常有一个“频道”按钮，手机用户可以手动更 改频道。采用 FHSS 的电话没有“通道”按钮，因为它们是不断变化的信道。大 多数的2.4GHz无绳电话使用的信道带宽为5到10MHz。3 避免冲突的技术3.1 Wi-Fi避免冲突的计算Wi-Fi的避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

12、。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-F

13、i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2.4GHz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。2.4GHzFHSS无绳电话很可能会干扰邻 近所有Wi-Fi，因此我们不建议在Wi-Fi网络附近使用这种电话。如果

14、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。3.2 解决蓝牙的干扰技术在蓝牙中，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

15、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WirelessUS 等DSSS系统占用的通道2.4GHzFHSS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 2.4GHzISM 频段上以跳频方式工作，不过，由于蓝 牙信号的

16、带仅为1MHz，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。3.3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