CN103079222B - WiFi通信排除ZigBee干扰的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种WiFi通信排除ZigBee干扰的优化方法，其对802.11协议中的RTS/CTS机制进行修改，使ZigBee节点感知到WiFi通信的存在并进行回退，以使WiFi在ZigBee干扰下获得更好的传输性能；其具体步骤为：1)指定WiFi通信的CCA检测方式，使其工作在模式0：能量探测机制；2)填充WiFi的CTS帧结构，使之传输时长拓展至能够被ZigBee信号感知的长度，ZigBee节点在检测到WiFi的CTS帧时进行回退。本发明提高了在ZigBee信号干扰下WiFi通信的数据包接收率和传输延迟，更能适用于复杂信号干扰下的WiFi通信。

Description

WiFi通信排除ZigBee干扰的优化方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信协议，具体的说，涉及一种WiFi通信排除ZigBee干扰的优化方法，属于通信技术领域。

背景技术

随着科技的发展，相比较受限制于有线连接的传统通信设备，更为方便、快捷、灵活的无线网络得到了迅速的发展。WiFi(802.11)、ZigBee(802.15.4)等无线网络通信技术在日常生活中得到越来越广泛的应用。WiFi是基于IEEE802.11标准的无线网路技术，是目前日常应用场合中最为流行的网络协议之一，在办公、家庭、娱乐乃至城市室外区域都有部署。WiFi协议工作在2.4GHz ISM频段，如附图1，其一共有14个相互重叠频段，每个频段宽度为2MHz。Zigbee是基于IEEE802.15.4协议的短距离、低功耗、无限个人局域网协议，其中PHY层与MAC层均由802.15.4协议定义。其名称ZigBee取自蜜蜂嗡嗡飞翔之意，也表征出了ZigBee设备近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低成本等特点。正由于其低功耗的特点，ZigBee在传感器网络中被普遍使用。ZigBee在2.4GHz到2.4835GHz频段范围内定义了16个信道，如图2所示，单个信道频宽2MHz，频道间相隔3Mhz。

由于上述协议均使用了ISM(Industrial Scientific Medical)2.4Ghz频段，随着无线设备使用量的逐渐增多，2.4GHz ISM频段逐渐拥挤，相同频段的信号间干扰也逐渐严重，无线设备同频段间协同成为越来越不容忽视的问题。在无线通信中，基站A向基站B发送信息，基站C由于未侦测到A故也同时向B发送信息，此时A和C一起将信号发送至B，引起信号冲突，导致数据丢失，从而造成隐藏终端问题。

WiFi与ZigBee所使用的信道重叠，均工作在2.4GHz到2.4835GHz频段，WiFi的802.11b、802.11g和802.11n均与ZigBee的802.15.4共享频段，这样的频段重合意味着当两设备在相同空间同时工作时，会对彼此的通信过程造成干扰。同时，由于WiFi与ZigBee两协议间相互不兼容，无线通信设备之间无法进行直接的信息交换。在一个WiFi与ZigBee同时存在的网络环境中，当WiFi终端向周围发出信号时，ZigBee设备只能知道信道中有信号，但无法将WiFi无线信号解码而得到其中的内容和来源，同样WiFi也无法正确解码ZigBee信号，这使得不同通信间相互协同更加难以实现。

当WiFi与ZigBee同时工作时，WiFi与ZigBee均会对信道情况进行检测(CCA，clearchannel assessment)，当检测到信道为空闲时，才会发送数据包。由于WiFi与ZigBee设计区别和在发射功率上的巨大差异，在WiFi发送端的CCA检测不能测出zigbee对信道的占用，因而依然继续发送数据包，因此，在WiFi发送端的ZigBee信号基本不会对WiFi通信造成明显的干扰；而在WiFi接收端，经过传播衰减后的WiFi信号则存在着极大的几率与ZigBee信号混杂，造成WiFi数据包的丢失。通过实验可以得到，如果ZigBee能够检测到WiFi信号传输，则WiFi的传输率将不会受到过大影响。而在WiFi远距离传输中，随着传输距离逐渐增大，ZigBee信号的干扰作用将逐渐增强。相同强度的ZigBee干扰信号在与WiFi接收端相同距离的情况下，根据其靠近发送端或者远离发送端的不同，对WiFi的干扰程度也不相同，远离WiFi发送端的ZigBee干扰信号会对WiFi通信产生更加明显的干扰，这形成了一种跨协议的隐藏终端问题。当ZigBee不能感知到WiFi发送端的存在，它会在WiFi传输过程中依然发送802.15.4数据包，从而与WiFi通信发生冲突干扰。

针对可能出现的隐藏终端问题，802.11协议中制定了RTS/CTS机制作为解决手段，如图3所示。根据RTS/CTS机制，当发送方A需要向接收方B发送信息时，发送方A会首先广播RTS信息，使得A发送范围内所有听到A发送的RTS消息的WiFi设备停止发送，在B收到RTS信息后，再回复广播一个CTS信息，以让B发送范围内所有听到CTS信息的非发送端A的WiFi设备停止发送，当A正常收到B的CTS消息，此时信道即能确保空闲状态，最终保证在AB通信过程中没有第三方干扰。但在跨协议的隐藏终端问题中，由于ZigBee节点与WiFi设备之间“语言不通”，802.11协议用于解决隐藏终端问题的RTS/CTS机制无法按照设定实现，ZigBee无法得知CTS数据包中的信号是提醒自己让出信道。

由于ZigBee与Wi-Fi的功率差别，现有技术大多研究了ZigBee在信号WiFi干扰下的情况，而对WiFi受到ZigBee干扰情况少有研究。因此，本发明提出了WiFi通信排除ZigBee干扰的优化方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种WiFi通信排除ZigBee干扰的优化方法，其通过对WiFi通信协议中RTS/CTS机制进行改进，使WiFi能够在ZigBee干扰存在时达到更好的传输效果。

本发明所采取的技术方案是：

一种WiFi通信排除ZigBee干扰的优化方法，其对802.11协议中的RTS/CTS机制进行修改，使ZigBee节点感知到WiFi通信的存在并进行回退，以使WiFi在ZigBee干扰下获得更好的传输性能。

所述的优化方法包括以下具体步骤：

1)指定WiFi通信的CCA检测方式，使其工作在模式0：能量探测机制；

2)填充WiFi的CTS帧结构，使之传输时长拓展至能够被ZigBee信号感知的长度，ZigBee节点在检测到WiFi的CTS帧时进行回退。

所述CTS帧的传输时长增加到118比特。

由于CTS帧全长为20Byte，802.11n协议最低比特率为7.2Mpbs，因而CTS帧的传输时间仅为22微秒。ZigBee节点由于受到硬件条件制约，其CCA校验时间需要消费128微秒，长度仅为16微秒的CTS帧平摊至128微秒，其能量强度不足以使ZigBee节点将信道判定为繁忙并进行回退。因此，本发明为满足ZigBee节点的空闲信道检测条件，将WiFi信号的CTS帧加长至ZigBee节点CCA长度的规模，使得ZigBee在无法感知到WiFi传输端信号时，可以通过接受端的CTS信号感知到WiFi传输状态而正常回退。ZigBee节点正常回退时槽长度为320微秒，802.11b标准下最小长度帧时长仅为202微秒，因此调整WiFi的分片大小即可使得WiFi帧传送在ZigBee回退时间内完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

当ZigBee与WiFi同时工作并相互干扰时，加长后的WiFi信号的CTS帧使ZigBee节点能够正确感知到WiFi传输状态而正常回退，WiFi帧传送在ZigBee回退时间内完成，从而使WiFi通信能够在受到ZigBee干扰时保持较高的包接收率。

附图说明

图1为WiFi信号工作频段的示意图。

图2为ZigBee信号工作频段的示意图。

图3为RTS/CTS工作机制的示意图。

图4为修改后的CTS帧结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出说明。

本发明所述WiFi通信排除ZigBee干扰的优化方法，其对802.11协议中的RTS/CTS机制进行修改，使ZigBee节点感知到WiFi通信的存在并进行回退，以使WiFi在ZigBee干扰下获得更好的传输性能。

所述的优化方法包括以下具体步骤：

1)指定WiFi通信的CCA检测方式，使其工作在模式0：能量探测机制。

首先修改WiFi的CTS帧的发送机制。由于RTS/CTS机制原本只是为了解决WiFi协议内的隐藏终端问题，当接收端没有收到来自其他WiFi节点的RTS/CTS信号并被NAV(networkallocation vector)标记，WiFi接收端均会返回CTS信号。现有的CCA检测均采用模式1：直接序列扩频物理一致性信号检验(DSSS PHY conformant signal detection)。为了避免在ZigBee发送过程中发送CTS帧，WiFi接收端必须调整至CCA模式0：能量探测机制(Energy detectionabove a threshold mechanism)，以避免在ZigBee数据帧传输过程中发送CTS帧。

2)填充WiFi的CTS帧结构，使之传输时长拓展至能够被ZigBee信号感知的长度，ZigBee节点在检测到WiFi的CTS帧时进行回退。

同时填充WiFi的CTS帧，使CTS帧的传输时长拓展至ZigBee信号可以感知的长度。在FCF，Duration，RA，TA块后增加长度为98比特的填充字段，使CTS帧长度增加到118比特，如图4所示。

当CTS帧长度达到ZigBee节点可以感知的长度时，ZigBee节点即可感知到WiFi传输的存在并进行回退。其回退时槽长度为320微秒，802.11b标准下最小长度帧时长仅为202微秒，此时调整WiFi的分片大小，即可使得WiFi帧传送在ZigBee回退时间内完成，使WiFi通信能够在受到ZigBee干扰时保持较高的包接收率，减少了数据的丢失。

本发明提高了在ZigBee信号干扰下WiFi通信的数据包接收率和传输延迟，更能适用于复杂信号干扰下的WiFi通信。

Claims (2)

1.一种WiFi通信排除ZigBee干扰的优化方法，其特征在于：对802.11协议中的RTS/CTS机制进行修改，使ZigBee节点感知到WiFi通信的存在并进行回退，以使WiFi在ZigBee干扰下获得更好的传输性能；所述优化方法包括以下具体步骤：

1)指定WiFi通信的CCA检测方式，使其工作在模式0：能量探测机制；

2)填充WiFi的CTS帧结构，使之传输时长拓展至能够被ZigBee信号感知的长度，ZigBee节点在检测到WiFi的CTS帧时进行回退。

2.根据权利要求1所述的WiFi通信排除ZigBee干扰的优化方法，其特征在于：所述CTS帧的传输时长增加到118比特。