專利名稱：WiFi通信排除ZigBee干擾的優化方法
技術領域：
本發明涉及一種無線通信協議，具體的說，涉及一種WiFi通信排除ZigBee干擾的優化方法，屬于通信技術領域。
背景技術：
隨著科技的發展，相比較受限制于有線連接的傳統通信設備，更為方便、快捷、靈活的無線網絡得到了迅速的發展。WiFi (802.11)、ZigBee (802.15.4)等無線網絡通信技術在日常生活中得到越來越廣泛的應用。WiFi是基于IEEE802.11標準的無線網路技術，是目前日常應用場合中最為流行的網絡協議之一，在辦公、家庭、娛樂乃至城市室外區域都有部署。WiFi協議工作在2.4GHz ISM頻段，如附圖1，其一共有14個相互重疊頻段，每個頻段寬度為2MHz。Zigbee是基于IEEE802.15.4協議的短距離、低功耗、無限個人局域網協議，其中PHY層與MAC層均由802.15.4協議定義。其名稱ZigBee取自蜜蜂嗡嗡飛翔之意，也表征出了 ZigBee設備近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低成本等特點。正由于其低功耗的特點，ZigBee在傳感器網絡中被普遍使用。ZigBee在2.4GHz到2.4835GHz頻段范圍內定義了 16個信道，如圖2所示，單個信道頻寬2MHz，頻道間相隔3Mhz。由于上述協議均使用了ISM (Industrial Scientific Medical) 2.4Ghz 頻段，隨著無線設備使用量的逐漸增多，2.4GHz ISM頻段逐漸擁擠，相同頻段的信號間干擾也逐漸嚴重，無線設備同頻段間協同成為越來越不容忽視的問題。在無線通信中，基站A向基站B發送信息，基站C由于未偵測到A故也同時向B發送信息，此時A和C 一起將信號發送至B，引起信號沖突，導致數據丟失，從而造成隱藏終端問題。WiFi與ZigBee所使用的信道重疊，均工作在2.4GHz到2.4835GHz頻段，WiFi的802.1lb,802.1 Ig和802.1 In均與ZigBee的802.15.4共享頻段，這樣的頻段重合意味著當兩設備在相同空間同時工作時，會對彼此的通信過程造成干擾。同時，由于WiFi與ZigBee兩協議間相互不兼容，無線通信設備之間無法進行直接的信息交換。在一個WiFi與ZigBee同時存在的網絡環境中，當WiFi終端向周圍發出信號時，ZigBee設備只能知道信道中有信號，但無法將WiFi無線信號解碼而得到其中的內容和來源，同樣WiFi也無法正確解碼ZigBee信號，這使得不同通信間相互協同更加難以實現。當WiFi與ZigBee同時工作時，WiFi與ZigBee均會對信道情況進行檢測(CCA，c I ear channel assessment),當檢測到信道為空閑時，才會發送數據包。由于WiFi與ZigBee設計區別和在發射功率上的巨大差異，在WiFi發送端的CCA檢測不能測出zigbee對信道的占用，因而依然繼續發送數據包，因此，在WiFi發送端的ZigBee信號基本不會對WiFi通信造成明顯的干擾；而在WiFi接收端，經過傳播衰減后的WiFi信號則存在著極大的幾率與ZigBee信號混雜，造成WiFi數據包的丟失。通過實驗可以得到，如果ZigBee能夠檢測到WiFi信號傳輸，則WiFi的傳輸率將不會受到過大影響。而在WiFi遠距離傳輸中，隨著傳輸距離逐漸增大，ZigBee信號的干擾作用將逐漸增強。相同強度的ZigBee干擾信號在與WiFi接收端相同距離的情況下，根據其靠近發送端或者遠離發送端的不同，對WiFi的干擾程度也不相同，遠離WiFi發送端的ZigBee干擾信號會對WiFi通信產生更加明顯的干擾，這形成了一種跨協議的隱藏終端問題。當ZigBee不能感知到WiFi發送端的存在,它會在WiFi傳輸過程中依然發送802.15.4數據包，從而與WiFi通信發生沖突干擾。針對可能出現的隱藏終端問題，802.11協議中制定了 RTS/CTS機制作為解決手段，如圖3所示。根據RTS/CTS機制，當發送方A需要向接收方B發送信息時，發送方A會首先廣播RTS信息，使得A發送范圍內所有聽到A發送的RTS消息的WiFi設備停止發送，在B收到RTS信息后，再回復廣播一個CTS信息，以讓B發送范圍內所有聽到CTS信息的非發送端A的WiFi設備停止發送，當A正常收到B的CTS消息，此時信道即能確保空閑狀態，最終保證在AB通信過程中沒有第三方干擾。但在跨協議的隱藏終端問題中，由于ZigBee節點與WiFi設備之間“語言不通”，802.11協議用于解決隱藏終端問題的RTS/CTS機制無法按照設定實現，ZigBee無法得知CTS數據包中的信號是提醒自己讓出信道。由于ZigBee與W1-Fi的功率差別，現有技術大多研究了 ZigBee在信號WiFi干擾下的情況，而對WiFi受到ZigBee干擾情況少有研究。因此，本發明提出了 WiFi通信排除ZigBee干擾的優化方案。
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種WiFi通信排除ZigBee干擾的優化方法，其通過對WiFi通信協議中RTS/CTS機制進行改進，使WiFi能夠在ZigBee干擾存在時達到更好的傳輸效果。本發明所采取的技術方案是:一種WiFi通信排除ZigBee干擾的優化方法，其對802.11協議中的RTS/CTS機制進行修改，使ZigBee節點感知到WiFi通信的存在并進行回退，以使WiFi在ZigBee干擾下獲得更好的傳輸性能。所述的優化方法包括以下具體步驟:I)指定WiFi通信的CCA檢測方式，使其工作在模式0:能量探測機制；2)填充WiFi的CTS幀結構，使之傳輸時長拓展至能夠被ZigBee信號感知的長度，ZigBee節點在檢測到WiFi的CTS幀時進行回退。所述CTS幀的傳輸時長增加到118比特。由于CTS幀全長為20Byte，802.1ln協議最低比特率為1.2Mpbs，因而CTS幀的傳輸時間僅為22微秒。ZigBee節點由于受到硬件條件制約，其CCA校驗時間需要消費128微秒，長度僅為16微秒的CTS幀平攤至128微秒，其能量強度不足以使ZigBee節點將信道判定為繁忙并進行回退。因此，本發明為滿足ZigBee節點的空閑信道檢測條件，將WiFi信號的CTS幀加長至ZigBee節點CCA長度的規模，使得ZigBee在無法感知到WiFi傳輸端信號時，可以通過接受端的CTS信號感知到WiFi傳輸狀態而正常回退。ZigBee節點正常回退時槽長度為320微秒，802.1Ib標準下最小長度幀時長僅為202微秒，因此調整WiFi的分片大小即可使得WiFi幀傳送在ZigBee回退時間內完成。與現有技術相比，本發明的有益效果是:當ZigBee與WiFi同時工作并相互干擾時，加長后的WiFi信號的CTS幀使ZigBee節點能夠正確感知到WiFi傳輸狀態而正常回退，WiFi幀傳送在ZigBee回退時間內完成， 從而使WiFi通信能夠在受到ZigBee干擾時保持較高的包接收率。
圖1為WiFi信號工作頻段的示意圖。圖2為ZigBee信號工作頻段的示意圖。圖3為RTS/CTS工作機制的示意圖。圖4為修改后的CTS幀結構的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作出說明。本發明所述WiFi通信排除ZigBee干擾的優化方法，其對802.11協議中的RTS/CTS機制進行修改，使ZigBee節點感知到WiFi通信的存在并進行回退，以使WiFi在ZigBee干擾下獲得更好的傳輸性能。所述的優化方法包括以下具體步驟:I)指定WiFi通信的CCA檢測方式，使其工作在模式0:能量探測機制。首先修改WiFi的CTS幀的發送機制。由于RTS/CTS機制原本只是為了解決WiFi協議內的隱藏終端問題，當接收端沒有收到來自其他WiFi節點的RTS/CTS信號并被NAV(networkallocation vector)標記，WiFi接收端均會返回CTS信號。現有的CCA檢測均采用模式1:直接序列擴頻物理一致性信號檢驗(DSSS PHY conformant signaldetection)。為了避免在ZigBee發送過程中發送CTS幀，WiFi接收端必須調整至CCA模式 0:能量探測機制(Energy detectionabove a threshold mechanism),以避免在 ZigBee數據幀傳輸過程中發送CTS幀。2)填充WiFi的CTS幀結構，使之傳輸時長拓展至能夠被ZigBee信號感知的長度，ZigBee節點在檢測到WiFi的CTS幀時進行回退。同時填充WiFi的CTS幀，使CTS幀的傳輸時長拓展至ZigBee信號可以感知的長度。在FCF，Duration，RA，TA塊后增加長度為98比特的填充字段，使CTS幀長度增加到118比特，如圖4所示。當CTS幀長度達到ZigBee節點可以感知的長度時，ZigBee節點即可感知到WiFi傳輸的存在并進行回退。其回退時槽長度為320微秒，802.1lb標準下最小長度幀時長僅為202微秒，此時調整WiFi的分片大小，即可使得WiFi幀傳送在ZigBee回退時間內完成，使WiFi通信能夠在受到ZigBee干擾時保持較高的包接收率，減少了數據的丟失。本發明提高了在ZigBee信號干擾下WiFi通信的數據包接收率和傳輸延遲，更能適用于復雜信號干擾下的WiFi通信。
權利要求
1.一種WiFi通信排除ZigBee干擾的優化方法，其特征在于:對802.11協議中的RTS/CTS機制進行修改，使ZigBee節點感知到WiFi通信的存在并進行回退，以使WiFi在ZigBee干擾下獲得更好的傳輸性能。
2.根據權利要求1所述的WiFi通信排除ZigBee干擾的優化方法，其特征在于:包括以下具體步驟: 1)指定WiFi通信的CCA檢測方式，使其工作在模式0:能量探測機制； 2)填充WiFi的CTS幀結構，使之傳輸時長拓展至能夠被ZigBee信號感知的長度，ZigBee節點在檢測到WiFi的CTS幀時進行回退。
3.根據權利要求2所述的WiFi通信排除ZigBee干擾的優化方法，其特征在于:所述CTS幀的傳輸時長增加到118比特。
全文摘要
本發明公開了一種WiFi通信排除ZigBee干擾的優化方法，其對802.11協議中的RTS/CTS機制進行修改，使ZigBee節點感知到WiFi通信的存在并進行回退，以使WiFi在ZigBee干擾下獲得更好的傳輸性能；其具體步驟為1)指定WiFi通信的CCA檢測方式，使其工作在模式0能量探測機制；2)填充WiFi的CTS幀結構，使之傳輸時長拓展至能夠被ZigBee信號感知的長度，ZigBee節點在檢測到WiFi的CTS幀時進行回退。本發明提高了在ZigBee信號干擾下WiFi通信的數據包接收率和傳輸延遲，更能適用于復雜信號干擾下的WiFi通信。
文檔編號H04W24/02GK103079222SQ201310009199
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月10日 優先權日2013年1月10日
發明者汪亦茂, 朱燕民 申請人:上海交通大學