20108031翻译

能与能与 WiFiWiFi 共存的共存的 ZigBeeZigBee 家庭自动化产品家庭自动化产品 译者 于北溟 学号 20108031 班级 计通 3 班 摘要 家庭自动化 HA 产品基于 IEEE802 15 4 和 ZigBee 技术 是低功耗的无线通信标准 已经开始在市场上出现 大多数这些产品使用的是 2 4GHz 的工业 科学和医疗 ISM 频 带 而这与其他几个常见的技术 设备 共享无线频谱 如蓝牙 无绳电话 微波炉烤箱 和 WiFi 这种情况带来了潜在的交叉干扰 因此对新的基于 IEEE 802 15 4 标准的 HA 产 品是一个迫在眉睫的威胁 我们为比利时市场开发了一个 ZigBee 家庭自动化的产品线 并 借此评估我们的产品在拥挤的 2 4GHz 频带 面对交叉干扰的的稳定性 我们在受控的实验 条件下不断提高 wifi 干扰水平以评估性能 本文总结了我们的研究结果 并对基于 ZigBee 产品的部署和在家里的安装设置 提出建议和方法来评估 以避免无线干扰 虽然 ZigBee 的产品能顺利承受微波炉和蓝牙设备的干扰 但他们仍然是易受干扰的高负载的 WiFi 通信 只要做一些基本的预防措施 ZigBee 的设备是可以在家庭环境中和 WiFi 共存 的 一 简介 家庭自动化 HA 是在寻常家庭事物和环境中使用内嵌式电子设备的自动化 典型的 例子是供暖 通风 和空调 HVAC 系统 自动车库门和入侵检测报警等设备 随着计算 设备变得越来越小和越来越便宜 更多的 HA 应用成为了可能 而由于消费市场的需求增加 新产品也激增 为了避免家庭布线的麻烦 大多数的 HA 解决方案在他们的产品中提供无线 连接 HA 产品通常利用 433MHz 868MHz 900MHz 和 2 4GHz 频段 所有这些频段具有一 定风险 因此 HA 产品设计师必须权衡大局做到心中有数 我们研究小组连同比利时行业的 合作伙伴基于本地消费市场 开发出一种 Window Shutter HA 系统 Window Shutter 系统 最初工作在 433MHz 的频段 修改后的 ZigBee 工作在 2 4 GHz 并拥有了几个新的功能 如实时窗口 快门电机 位置反馈 自动状态报告和遥控器 1 2 4 GHz 频段相比 433MHz 频段 提供更高的数据吞吐量和更好的全球范围内的工业 科学和医疗 ISM 频段的适用性 使用 2 4 GHz 频段是考虑使短距离和拥挤的几种无线技 术 设备 共存 我们选择 ZigBee 的原因是有大量的低成本系统芯片平台 能够快速进入 市场并得到第三方的支持 移植到 2 4GHz 遭遇了其他一些随处可见的技术 设备 的干扰 比如工作在相同频率的现代家庭无线网络 蓝牙 微波炉 无绳电话等等 在本文中 我 们试图通过实验来确定我们 HA 产品使用 2 4GHz ISM 频段所涉及的风险 我们评估我们的 ZigBee 产品与其它 2 4GHz 设备共存的影响 重点是基于 WiFi 技术 设备 的干扰 并定 义了一个简单测试方法来快速评估可能的干扰 我们的主要工作是在 WiFi 和一个 ZigBee HA 产品进行干扰分析和检验算法来检测嵌入式的 HA 产品的固件有害干扰 本文的其余部分安排如下 在第二节 我们提出了我们 HA 产品的简要设计和架构 在 第三节中 我们描述了 WiFi 干扰测试设置并进行实验 以评估干扰对我们的产品的影响 在第四节和第五节 我们介绍并分析得到的结果 测试方法来检测干扰 在第六节 我们 大胆的得出一些结论 并制定未来的改善方案 二 系统设计 百叶窗 HA 系统主要包括快门电机和远程控制 RC RCS 是连接到电机的 它的主要功 能是指挥快门打开或关闭 此外 该系统具有额外的功能 如 位置误差反馈 RCS 根据该模型 可以实时显示它控制快门的位置和状态 错误状 态如组件故障显示在 RCS 安全性 所有的无线通信是加密的 图图 1 1 该窗口最小快门的该窗口最小快门的 HAHA 系统设置只有一个系统设置只有一个 RCRC 墙和百叶窗 购买该系统可以扩大 墙和百叶窗 购买该系统可以扩大 与其他与其他 RCRC 模型和更多百叶窗组成更大的窗口 模型和更多百叶窗组成更大的窗口 1 1 可扩展性 系统支持增加新的功能和设备 并可以与第三方设备固件进行连接 图 1 描绘了一个百叶窗 HA 系统及其组成部分 包含了能够无线通信的快门电机与其 他 RCS 墙上 RC 旨在控制一个窗口 正如它的名字所暗示的 是被放置在靠近窗口的墙上 的 多重 RC 是一款手持式的 RC 可控制多达 16 个百叶窗和一个屏幕上显示所有电机的实 时位置和并进行状态控制的 LCD 1 该系统的设计目标之一是 它可以拓展无线传感器 网络 WSN 不仅支持百叶窗 RC 应用程序 也可以支持烟雾传感器 环境监测 门锁等等 要做到这一点 本系统采用的 ZigBee PRO 的无线通信协议 所有的设备使用了德州仪器的 CC253x 系统芯片 其中包括工作在 2 4 GHz 的一个 IEEE 802 15 4 标准的广播 8051 8 位 微处理器和外围设备 如 AES 协处理器 USB 控制器等 2 为了扩大覆盖范围 RCS CC2591 RF 前端还配备了一些设备来放大 2 4 GHz 广播的输出功率和输入灵敏度 增加链 路预算 具体地说 只有快门电机和多重 RC 配备 CC2591 A 信道分配 ZigBee 规范定义了 27 个频率信道 1 个在 868 MHz 频段 10 个在 915 MHz 频段 16 在 2 4 GHz 频段 在 ZigBee PRO 系统里 如果一个信道存在网络干扰 可以跳到同一组 别内的不同通道 此功能被定义为迅捷响应 Frequency Agility 默认情况下 一个特 殊的 ZigBee 设备 ZigBee 协调器 负责安排网络内的变动 迅捷响应 Frequency Agility 的主要目的是为了避免同一频带中其他通信的干扰 支持此功能的代价是每一 个家庭都要安装 ZigBee 协调系统 而且由于成本和后勤方面的原因 我们的系统的最新 版本并未加入这一功能 图图 2 2 我们的系统采用我们的系统采用 ZigBeeZigBee 的信道的信道 2626 和易受干扰的和易受干扰的 wifiwifi 信道信道 1313 在欧洲 wifi 信道的范围从 1 到 13 与 ZigBee 的信道在 2 4 GHz 频段上有重叠 显 然 某些 WiFi 信道几乎从来没有使用过 因此 ZigBee 可以在 2 4GHz 频段的安全区上相 对无干扰的操作 然而 目前还没有明确的共识 这些安全区在哪 3 4 在实践中 不可能预先知道 WiFi 信道的附近 安全区 来使用我们的产品 所以我们假定没有安全 区来避免的 WiFi 干扰 我们选择通道 26 中心频率为 2480 MHz ISM 频段的分配的频率 来进行研究 三 测试方法 我们已经为 ZigBee 与其他技术如 WiFi 蓝牙 微波炉上和其他运行在 2 4 GHz ISM 频段的设备共存做了很多的努力 普遍的共识是 蓝牙 其他 ZigBee 网络以及微波炉 烤箱只对 ZigBee 网络产生微不足道的影响 5 6 然而 模拟和实验室研究表明 wifi 会对 ZigBee 网络的性能产生严重影响 在文献 7 中 作者提出尽可能完全避免与 WiFi 信道重叠或改变 MAC 层 以更好地抵御干扰 这是意料之中的 典型的 wifi 设备的 发送功率是一个典型的 ZigBee 设备的发送功率的 30 倍左右 由于这些原因 我们集中努 力去测试 WiFi 干扰的影响 然而 我们做了一些简单的测试 在我们的系统附近使用微波 炉和进行蓝牙文件传输 并确认 这对系统运作没有明显的负面影响 我们主要关心的是 在日常生活中产生的 WiFi 干扰具有破坏性影响时 我们的产品能够正确的运作 因此我 们主要的测试目标是 1 确认 WiFi 的干扰是否对我们的产品构成一个威胁 2 找到方法 以避免干扰 3 寻找一种简单的方法来测试 在产品安装过程中是否就已经存在破坏性的干扰 A 量化中断 简单的方法是限定一个分组交换链接从 A 发送尽可能多的数据包到 B 统计多少个数 据包到 B 收到的数据包和发送的数据包之间的比率是包接收率 PRR 是常见的用来量 化链路中断的高等级指标 7 8 为了测量 PRR 我们在所有快门电动机的固件里增 加了一个测试函数 快门电机设备计数的所有 ZigBee 数据包标记为测试数据包 RCS 拥 有每秒连发 1000 个测试数据包的能力 发送测试数据包要单播 MAC 层确认 PRR 是两个 ZigBee 设备之间的链路质量的衡量标准 但我们仍然需要一个更直接的措施 在实际的系 统中来针对我们的应用程序 我们称这个是度量系统反应 SR 它可以从用户的角度更 客观地衡量系统的性能 为了量化 SR 我们首先定义这个系统的用户的期望是什么 我 们的 HA 系统作为无线快门控制系统 优于或至少等同于有线版本的系统 因此 我们假 设用户预期 实时响应为 UP DOWN 和 STOP 命令 一个 RC 发送的命令必须在人类时间认知的阈值 前得到执行 大概 300 毫秒左右 在嵌入式多重 RC 快门移动时 液晶屏幕上位置反馈进行实时响应 符合这些参数的系统设备有 100 的 SR 完全没有响应的系统设备 有 0 SR 为了测量 SR 我们发出了 20 个动作指令给墙 RC 和 20 个多重 RC 对于每个命令中 我们记录快门响应是否在人类感觉阈值 大约 300 毫秒 内 具有明显的延迟回应或不回 应 鉴于 Cr 是在真实的时间内成功地执行命令的总数 Cd 是命令被虽然被成功的执行 但有明显的延迟的总数 Ct 的发送的命令的总数 每个测试 40 Fw 是 LCD 可视化的质量 的加权值 然后 使用式 1 计算的响应 SR 系统响应 0 5 多重 RC 分化拥有快门位置反馈的功能 这种功能将该产品与其他无线快门控制产品区 别开 因此 我们可以认为 这个功能是核心功能 对于每个测试中 我们根据表 1 给予 了反馈权重 fw 图图 3 3 在此实验室设置中的距离在此实验室设置中的距离 x x 和和 WiFiWiFi 流量速率流量速率 Y Y 反复地增加 以此衡量我们的反复地增加 以此衡量我们的 ZigBeeZigBee HAHA 产品受产品受 WiFiWiFi 干扰的影响干扰的影响 B 测试设置 我们构建了一个实验室设置 以尽可能的贴近真实的环境 以测试 WiFi 干扰的影响 我们采取的现实中的快门电机生产线 并把它放在一个金属窗框模拟设备作为客户端 检 测窗口和控制快门和 RCS 也取自生产线 在实验室设置中 我们使用的是 Linksys WRT54GL 和 D Link 的 DIR 6L5 接入点 以产生 WIFI 干扰 图 3 更详细的描述了实验室的 设置 PC a 以无线连接到无线接入点 而 PC B 通过以太网接口连接到无线接入点 我们 使用 ipelj 生成 UDP 测试流量并使用不同的 PC A 和 PC B 的便携式频谱分析仪 测试与 ZigBee 和无线网络嗅探器之间的传输速率 以确保有没有其他主要的干扰源 该测试配置 是基于 6 7 设置在图 3 检验的效果三个变量 干扰源的距离 X wifi 网络流量水平 Y 和无线信道 C 不同的干扰源的距离 X 从 50 厘米到 15 米 在 WiFi 网络的测试流量水平从 1 Mbps 到 10 Mbps 802 11g 和 802 11n 使用无载波的 OFDM 调制产生流量 以产生干扰 802 11 可以在空气中传播 达到最大流量 因此 Y 的变化不是模拟不同的可用带宽 而 是模拟不同的信道占用或 WiFi 负载水平 要注意到 iperj 生成的流量 可能不是相当于真 正用户所产生的 wifi 流量 我们做了一些实验 试图找到的等价的真实流量 我们测试中 使用的 Y 值如表 所示 并与信道占用大致相当 由于我们的系统工作在 ZigBee 的信道 26 中心频率 2480 所以我们测试了 802 11g 和 802 11n 信道 10 11 12 13 的干扰 由于 802 11g 和 802 11n 路由器 D Link 的 DIR 61S 是最常见的 WiFi 标准 所以我们决 定按这样的条件去进行测试 我们做了一些支持 802 11 b 标准的测试 发现结果没有大的 差异 对于每个组合的距离 X 流量 Y 和 wifi 网络信道 C 我们测试 PRR 和 SR 对于 PRR 来说 每次测试发送的测试包 3000 个数据包 是三个脉冲串 脉冲串之间的时间间隔为 2 分钟左右 然后查询快门电机接收的数据包的总数 快门电机收到的数据包和 RC 发送的 数据包之间的比率是当时 PRR 而 SR 测量 如上一节所述 四 结果 经过以上的 ISO 实验 300 PRR 和 SR 测量 我们发现了由 WiFi 产生的重大干扰 由 于 WiFi 信道 13 与 ZigBee 信道 26 图 重叠 因此 我们将可以衡量这个信道在 802 11g 模式下运行时的干扰 在 WiFi 信道 1 到 10 我们没有检测到干扰 但在频道 11 12 及 13 时测得显着干扰 在存在干扰的信道 13 工作在 802 l1n 模式下的路由器表现得更好 如图表中的信道 13 所示 在流量小于等于 1Mbps 的情况下 几乎没有检测到干扰 图图 4 4 信道和距离在信道和距离在 10Mbps10Mbps 流量的流量的 PRRPRR 情况 在少于情况 在少于 5 5 米的距离 系统实际上是无法米的距离 系统实际上是无法 访问的 而距离在访问的 而距离在 1515 米以外时就不存在干扰了 米以外时就不存在干扰了 图图 5 5 信道和距离在信道和距离在 10Mbps10Mbps 流量的流量的 SRSR 情况 在距离为情况 在距离为 5m5m 或更少时 或更少时 SRSR 是是 10 10 或更少 或更少 系统是完全不能正常工作的 系统是完全不能正常工作的 图 4 图 5 图 6 显示了在距离和流量的影响下 PRR 和 SR 的情况 这两个参数都清 楚地显示了当与干扰源的距离小于 5 米时 系统受到的影响 但 如图 6 所示 低流量对 系统性能有轻微的不利影响 PRR 和 SR 密切相关 图 7 显示了两个参数之间的关系 相关系数为 0 89 图图 6 6 信道和距离在信道和距离在 1Mbps1Mbps 流量的流量的 SRSR 情况 即使在这流量相对较低水平 我们发现了系情况 即使在这流量相对较低水平 我们发现了系 统响应出现了一个小但明显的下降 统响应出现了一个小但明显的下降 80 80 五 探讨 我们的研究结果证实 通常情况下 wifi 会对 ZigBee 系统造成有害干扰 6 7 9 11 我们的 HA 产品也不例外 干扰源的距离和 WiFi 流量是确定干扰程度的关键变量 我们发现 wifi 并不会被 ZigBee 干扰 尽管初步结论流量水平是高于 5 Mbps 的 但我们仍然相信 这些通信模式并不是 WiFi 网络的典型模式 持续占用 100 的 802 11g 和 802 11n 是一个极端的例子 事实上 我们很难产生真实的流量 我们在国会广场测试系统 那里满是使用笔记本和手持设备上网 的人 我们测量的 PRR 都是 100 A 干扰源的距离 结果表明 一般情况下 不考虑其他因素 15 米是一个安全的距离 可以避免有害的 干扰 如果我们认为典型的家庭是不会产生 10Mbps 的流量的话 那么 5 米的距离就可以 了 因此对于我们的 HA 系统来说 ZigBee 百叶窗和家庭无线路由器之间的最小距离为 5 米 是一个更为实际和可行的建议 B 信道间隔 事实上 远离我们的 ZigBee 信道的中心频率为 20MHz 的 wifi 频道 仍然可以造成严 重干扰 似乎可以在 4 中证明 要完全避免干扰 ZigBee 和 wifi 要存在至少 20 MHz 的 带隙 图图 7 7 PRRPRR 与与 SRSR 有有 0 890 89 的相关值 因此的相关值 因此 PRR PRR 能够用来预测 能够用来预测 HAHA 系统的性能 系统的性能 C 比较 802 11n 和 802 11g 使用 802 11n 标准能获得稍好的抗干扰能力 因为在相同的数据速率下 802 11n 比 802 11g 信道占用更少 802 11n 更快的比特率意味着 wifi 数据包在空气中的时间更短 产生更少的干扰 同样的现象 可以在 7 中得到佐证 然而 802 11n 使用通道绑定 两 个不相邻的 WiFi 信道 并占用 2 4 GHz 频段中的 40MHz 而不是 802 11b g 的 20MHz 12 只给 ZigBee 留下较少的可用频谱 D 比较 PRR 和 SR 由于 PRR 和 SR 之间的相关性较强 从家庭用户的角度来说 可以通过测量 PRR 给我们 一个准确的方法 去预测我们产品的预期性能 测量 PRR 比测量 SR 简单得多 只需要在固 件中插入几行额外的代码 再加上几分钟的测试就可以了 六 结论 我们仍然乐观地认为 ZigBee 如果采取预防措施 可以在一个典型的家庭环境中与 WiFi 共存 多媒体应用 例如 HDTV 和 3DTV 可能会提高网络的负担 当然 WiFi 标准的无 线家庭网络也将不断演变 以适应需要更高带宽的应用 事实上 新的标准 如 802 1LAC WirelessHD 和 WiGig 不会占据 2 4 GHz 频段 而是使用更高的频率 有更大的 可调制带宽 此外 由于 PRR 现场测量 安装系统时可以快速检测到可能存在的干扰 并使用正确 的建议去避免它 经过实验 为避免 wifi 干扰 我们的建议是保证所有的百叶窗系统和 WiFi 路由器的 距离不得小于 5 米 并至少在 ZigBee 和 WiFi 之间保留 20MHz 的频率偏移 这印证了大多 数的研究结果 Schneider 建议保证 25 MHz 偏移量和 2 米的距离 4 我们的这项研究使 用了一个实际的 ZigBee 消费类产品 大多数已发表的研究是使用可扩展微粒 然而 其 他的因素 如流量类型 11 也可能影响系统在 wifi 干扰下的性能 如果要更深入的研究 应该考虑到这些因素 并使用真实的用户流量 而不是使用合成的流量和 Frequency Agility 频率捷变 功能的 ZigBee PRO 鸣谢 笔者要感谢 VUE Federico Dominguez 奖学金补助 INNOVIRIS Jelmer Tiete 奖学金 和 Eureka ISN 项目资金 参考书目 1 F Dominguez A Touhafi J Tiete M GUier and K Steenhaut Migration from a Legacy Wireless Technology to ZigBee for a Home Automation Market Ready System in Proceedings of the 9th International Conference on Networked Sensing Systems Antwerpen 2012 pp 1 4 2 Texas Instruments A True System on Chip Solution for 2 4 GHz IEEE 802 15 4 and ZigBee Applications Texas Instruments DaUas Texas Tech Rep April 2009 2011 Online Available 3 D Networks Getting Started with ZigBee and IEEE 802 15 4 Daintree Networks Mountain View CA USA Tech Rep 2008 4 G Thonet P AUard Jacquin and P Colle ZigBee WiFi Coexistence White Paper and Test Report Schneider Electric Tech Rep 38 2008 5 L L Bello and E Toscano Coexistence issues of multiple co located ieee 802 15 4 zigbee networks running on adjacent radio channels in industrial environments Industrial lriformatics IEEE vol 5 no 2 pp 157 167 2009 Online Available http ieeexplore ieee org xpls abs all jsp amumber 4895702 6 A Sikora and Y Groza Coexistence of IEEE802 15 4 with other Systems in the 2 4 GHz ISM Band in Instrumentation and Measurement Technology Conference 2005 IMTC 2005 Proceedings of the IEEE vol 3 no May Ottawa Canada IEEE 2005 pp 1786 1791 Online Available http ieeexplore ieee org xpis abs all jsp amumber 1604479 7 C Liang N Priyantha 1 Liu and A Terzis Surviving wifi interference in low power zigbee networks in Proceedings of the 8th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems ACM 2010 pp 309 322 Online Available http IIdl acm org