基于线性调频再扩频的ZigBee网络中WiFi干扰避免方法*

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

基于线性调频再扩频的ZigBee网络中WiFi干扰避免方法*

朱 黎，谭建军**

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

针对ZigBee网络与WiFi网络共享2.4 GHz频段造成的信道干扰问题，提出了一种基于线性调频再扩频技术的ZigBee网络中WiFi干扰避免方法。该方法根据检测接收数据包中的链路质量指示值计算ZigBee网络链路通信质量，将链路通信质量作为判断WiFi网络干扰强弱的依据：当链路通信质量低于最低容忍阈值时，利用线性调频再扩频技术展宽ZigBee网络信道射频信号频谱，反之则保持原有射频信号频谱带宽传输数据。Matlab仿真结果表明，该方法能明显提升ZigBee网络抗击WiFi信号干扰的能力，具有较好的实际应用价值。

ZigBee网络；WiFi网络；同频干扰；线性调频再扩频;链路通信质量

1 引 言

ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4协议的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。近年来，随着物联网技术的快速发展，ZigBee技术已经被广泛应用于工业监控、楼宇自动化、智能家居、智慧医疗、智慧城市等领域。由于ZigBee网络和WiFi网络共享2.4 GHz的ISM(Industrial Scientific Medical)频段，且发射功率较小，同区域安装的WiFi网络会干扰ZigBee网络通信，使其通信质量下降，导致数据包丢失和延时，降低数据包接收率和网络吞吐量，严重影响ZigBee网络的通信性能。

当前解决WiFi网络干扰的策略可以分为避免和共存两种。MIN等[1]提出了一种基于动态簇网络拓扑结构的干扰感知多信道策略，张招亮等[2]提出了一种基于干扰强度和活跃比率干扰特征模型的信道分配机制，但这两种方法都只考虑了信道的全局特性，忽略了局部特征。LI等[3]提出了一种基于泰森多边形频率分配方法，将频谱空闲的区域利用泰森多边形分配给不同的节点；唐伟华等[4]提出了一种基于概率的CSMA(Carrier Sense Multiple Access)开启和关闭控制策略提高ZigBee网络的吞吐量；SHI等[5]提出了一种基于多信道的干扰避免方法，通过干扰评估、目的信道选择、连通性维护3个基本机制提高ZigBee网络通信性能，但当WiFi干扰强度较大时，以上方法的抗干扰效果还有待改善。

针对以上问题，本文提出一种基于ZigBee网络信道射频信号频谱带宽自适应扩展的干扰避免方法：当ZigBee网络受到WiFi信号较强干扰时，启用扩频功能，通过线性调频再扩频技术展宽ZigBee网络信道射频信号频谱，提升ZigBee网络的抗干扰能力。

2 同频抗干扰理论分析

2.1基于LQI的频带扩展机制

链路质量指示(Link Quality Indication，LQI)可以用来判断网络的运行质量[6-7]。本文提出的ZigBee网络信道信号频谱扩展及自适应切换方法通过计算网络接收端的LQI值来判断是否需要扩展频带，系统框图如图1所示。

图1 ZigBee网络频带自适应切换系统总体框图Fig.1 Overall diagram of anadaptive frequency switching ZigBee network

从图1可以看出，本方法主要通过判断ZigBee网络的LQI值与最低容忍阈值VTHmin的大小关系来切换网络信道射频信号的频谱模式。当检测到的LQI值小于所设定的最低容忍阈值VTHmin时，说明当前ZigBee网络丢包严重，链路连接质量下降严重，系统将通过线性调频再扩频技术对信道射频信号频谱进行扩展，增强网络抗干扰能力；当检测到的LQI值大于所设定的最低容忍阈值VTHmin时，ZigBee网络恢复常态通信模式。

本文测试了在不同的WiFi干扰强度下的ZigBee网络通信质量，表1为当WiFi干扰强度分别为-95 dBm、-40 dBm、-20 dBm时ZigBee网络的丢包率和LQI值，TX表示发送端数据包，RX表示接收端数据包。

表1 ZigBee网络丢包率测试表Tab.1 Packet loss rate test result of ZigBee network

从表1可以看出，当ZigBee网络遭受同频干扰时,随着WiFi干扰强度增强，ZigBee网络数据丢包率上升，LQI值下降，网络通信质量下降。测试数据表明，当WiFi干扰强度为-40 dBm时，ZigBee网络LQI值将小于10，网络通信稳定性下降，可靠性变差。因此，本文用于测试的最低容忍阈值VTHmin设为10。

2.2LQI值检测

通过将接收端数据包(RX)中获取的RSSI参数进行转换可得到链路质量指示LQI值。接收端数据包格式如图2所示。

图2 接收端数据包格式
Fig.2 The format of receiver packet

LQI值的计算公式如下：

(1)

式中：RSSI指的是接收的信号强度指示[8]。

为检测ZigBee网络遭受WiFi信号干扰时的网络运行链路质量(LQI值)和网络丢包率，按图3所示流程进行测试。测试过程通过串口1发送测试数据包，并通过串口2接收数据包，根据收发数据包的数量统计值来计算丢包率；测试过程中还要将接收到的数据包(RX)中的RSSI值进行换算得到ZigBee网络的LQI值。

图3 丢包率和LQI测试流程Fig.3 Test flow of loss rate and LQI

3 线性调频再扩频调制

为解决WiFi场景中同频干扰的问题，本文利用一种线性调频再扩频技术(Linear Frequency Modulation and Direct Sequence Spread Spectrum, LFM-DS-SS)实现了扩展ZigBee网络信道射频信号频谱，扩频工作模式自适应切换。

3.1直序扩频(DS-SS)

直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum ,DS-SS)是高安全性高抗扰性的一种无线序列传输方式，通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，在接收端用相同的扩频码序列进行解扩[9-10]。最常用的二进制相移键控调制DS-SS发射机如图4所示。

图4 二进制相移键控调制DS-SS发射机原理图Fig.4 Principle diagram of DS-SS transmitter based on BPSK

在DS-SS系统发射机前端，由码片时钟的伪随机噪声生成器生成一个伪随机码p(t)，与待传输的数据信号m(t)经过一个加法器混合后经由基带传输；然后通过一个乘法器得到一个复合码，对频率为fc的载波进行调制，得到扩频后的信号SSS。SSS表达式为

(2)

待传输的数据信号相乘后被伪随机码打乱，增加了信源信号的保密性和信道的抗干扰能力。

3.2线性调频(LFM)

线性调频信号(Linear Frequency Modulation ,LFM)是一种瞬时频率与时间成正比的正弦波信号，具有很好的自相关性以及极低的互相关性等频域特性[11-13]。线性调频信号的突出优点是由于LFM的匹配滤波器是一种大时宽带宽积信号[14]，导致了其对回波信号的多普勒频移不敏感。

线性调频矩形脉冲信号的复数表达式为

(3)

式中：A为信号振幅，τ为脉冲宽度，μ为信号瞬时频率的变化斜率，w0为发射初始角频率。对公式(3)进行傅里叶变换可得到频域表达式H(ω)。

由于线性调频信号的瞬时频率是时间的线性函数(公式(4))，线性调频信号可以产生均匀的信号带宽[15]。

(4)

式中：f0为初始频率，k为频率增长斜率。

为了验证公式(3)和公式(4)所描述的特性，利用Matlab进行仿真。为了便于分析，对仿真环境参数设置进行了简化。设定仿真参数：振幅为1，起始频率100 Hz，终止频率4 000 Hz，扫频时间1 s。仿真后得到了图5所示的LFM的时域波形图和对应的频域频谱图。从LFM频谱图可以看出，在扫频区域内频谱比较平坦，保证了经过解扩后的信号能最大限度地准确译码。

(a)LFM的时域信号(Frame:826)

(b)LFM的频域频谱图(Frame:13)图5 LFM的时域波形图和频域频谱图Fig.5 The time domain signal and frequency domain signal of LFM

3.3线性调频再扩频(LFM-DS-SS)

使用直接序列扩频技术扩频后ZigBee网络信道通信虽然具有一定的抗干扰能力，但在WiFi强干扰场景中信道抗干扰容限容易达到饱和状态。为了避免这种情况出现，就需要在接收机解扩之前采用干扰抑制技术。

(5)

式中：SSS是经DS-SS扩频后的信号，ui(t)是经LFM调制后的信号，Y(t)是经LFM-DS-SS线性调频再扩频后的输出信号。

4 仿真结果分析

为了对LFM-DS-SS线性调频再扩频扩展ZigBee网络信道射频信号频谱的效果进行验证，本文通过Matlab分别对DS-SS和LFM-DS-SS两种机制进行了仿真分析。图6和图7分别为DS-SS和LFM-DS-SS仿真设计图。为了便于仿真分析，仿真环境参数的设定进行了一定的简化。仿真中Chirp调频信号源起始频率设定为1 000 Hz，终止频率设定为4 000 Hz，扫频时间设定1 s；Walsh Code信号源的Code length设定为64，Code index设定为60；PN Sequence信号源Generator polynomial设为“1000011”，Initial States设为“000001”；Sine Wave取值为100 kHz。

图6 DS-SS调制仿真Fig.6 DS-SS modulation simulation

图7 LFM-DS-SS调制仿真Fig.7 LFM-DS-SS modulation simulation

在图6中信号与伪随机码模2相加后经过基带滤波器再与载波信号乘法运算后输出，这是典型的DS-SS调制技术；图7中增加了线性调频发生器和一个乘法器，构成了LFM-DS-SS调制技术，通过接入示波器和频谱分析仪，可以非常直观地观察到系统的仿真运行结果。

图8(a)和图8(b)分别为DS-SS和LFM-DS-SS仿真得到的时域波形图。从图8(a)中可以清晰看到典型的码片调幅波，而图8(b)中LFM-DS-SS仿真时域波形经过线性调频扩频后已看不到码片波形。

(a)DS-SS扩频后信号时域波形图(Frame:565)

(b)LFM-DS-SS扩频后信号时域波形图(Frame:214)图8 DS-SS和LFM-DS-SS扩频后信号时域波形图Fig.8 Time domain waveform of DS-SS and LFM-DS-SS signal

图9(a)和图9(b)分别为DS-SS和LFM-DS-SS的频谱能量分布图。图9(a)谱图显示DS-SS的信号能量较集中分布在载频的两边很小的范围内，非常容易被WiFi频谱覆盖；图9(b)谱图显示LFM-DS-SS信号的能量几乎是均匀分布在很宽的频带上，WiFi的谱能量不足以覆盖。因此，基于LFM-DS-SS的ZigBee网络在有WiFi干扰的场景中，其抗干扰的能力有了很大的提高。

(a)DS-SS信号频域能量分布(Frame:442)

(b)LFM-DS-SS扩频后信号频域能量分布(Frame:168)图9 DS-SS信号和LFM-DS-SS扩频后信号频域能量分布Fig.9 Frequency domain energy distribution of DS-SS signal and LFM-DS-SS signal

5 结 论

本文基于ZigBee网络现有资源，通过软件编程来实现扩频。由于再扩频后系统代码运行量及射频信号能量的增加，会导致系统耗电量及频带资源占用量增大，因此本文通过对LQI值的判定，根据 WiFi信号干扰强度确定是否启动线性调频再扩频，实现了工作模式的自适应切换。

基于LFM-DS-SS扩展ZigBee信号频谱提高抗干扰的方法不仅有效地增强了ZigBee网络抗干扰能力，同时因其自适应工作模式，相对于常态工作于再扩频状态，在一定程度上节省了频带资源和电池供电电能，具有实际应用价值。

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WiFiInterferenceAvoidanceinZigBeeNetworksBasedonLinearFrequencyModulationandDirectSequenceSpreadSpectrum

ZHU Li, TAN Jianjun, HUANG Shuanglin, HU Tao,XU Pengfei

(School of Information Engineering, Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

To solve the channel interference problem caused by WiFi network at 2.4 GHz in ZigBee networks, an interference avoidance method based on Linear Frequency Modulation and Direct Sequence Spread Spectrum(LFM-DS-SS) is proposed. Link communication quality is employed to determine the strength of WiFi networks interference, which is calculated based on

signal strength indication(RSSI). The radio frequency signal spectrum of ZigBee networks will be expanded based on LFM-DS-SS when the link communication quality is smaller than the preset tolerance threshold. On the contrary, the radio frequency signal spectrum will be held. Experimental result based on Matlab shows that the method can significantly improve the anti-interference ability of ZigBee network against WiFi signal interference.Keywords：ZigBee network；WiFi network；co-channel interference；LFM-DS-SS;link communication quality

2017-06-09；

：2017-08-23 Received date:2017-06-09；Revised date：2017-08-23

国家自然科学基金资助项目(61461018，61771188)；2016年恩施州科技计划项目(XYJ2016000155)

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.09.016

朱黎，谭建军，黄双林，等.基于线性调频再扩频的ZigBee网络中WiFi干扰避免方法[J].电讯技术，2017,57(9):1071-1076.[ZHU Li,TAN Jianjun,HUANG Shuanglin,et al.WiFi interference avoidance in ZigBee networks based on linear frequency modulation and direct sequence spread spectrum[J].Telecommunication Engineering,2017,57(9):1071-1076.]

TP393

：A

：1001-893X(2017)09-1071-06

朱黎(1984—)，女，湖北咸丰人，2009年于中国地质大学获硕士学位，现为讲师，主要研究方向为无线传感器网络；

Email:lier_zhu@163.com

谭建军(1960—)，男，湖北利川人，教授、硕士生导师，主要研究方向为无线传感器网络；

Email：es_tjj@qq.com

黄双林(1975— )，男，湖北应城人，副教授、硕士生导师，主要研究方向为无线通信和协同通信；

胡涛(1984—)，男，湖北来凤人，讲师，主要研究方向为无线传感器网络；

徐鹏飞(1990—)，男，湖北公安人，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络。

**通信作者：es_tjj@qq.com Corresponding author：es_tjj@qq.com，黄双林，胡 涛，徐鹏飞