曲灿武，陈雅丽，何 健

（国网河北省电力有限公司检修分公司，河北 石家庄 050070）

0 引 言

由于存在诸多局限与挑战，化石燃料厂的发电效率只有33%，且在传输过程中会损失将近8%的电量[1]。目前，电网还存在停电和供电中断的问题，每年至少造成上千亿美元的损失。因此，新一代电网应该解决能源效率和可靠性问题，并更加注重环保。

电力物联网要求电网应增加智能和双向数字通信，以解决困扰电网的效率、稳定性和灵活性问题。它促进了多种服务，包括大规模整合可再生能源、快速停电检测、实时定价反馈给客户以及涉及住宅和商业客户的需求响应计划。这些都强调通信基础设施和数据管理的重要性。这些基本成分可实现实时数据采集和分析，同时控制电气负荷，以降低峰均比和满足需求响应。

1 基于Zigbee的电力物联网能源监控系统

Zigbee是基于IEEE 802.15.4标准的简单、低成本、低功耗、短延时、高容量、高安全和低传输速率的无线技术，被大量公用事业公司首选为智能计量设备的通信平台。因为它提供了一个用于在智能计量设备和位于客户驻地的设备之间交换数据的标准化平台，而SEP为需求响应、高级计量支持、实时定价、文本消息传递、负荷控制和其他功能提供了支持。

然而，在免许可ISM频段上运行时，Zigbee受到了来自共享该频段的各种设备的干扰。这些设备包括IEEE 802.11无线局域网（WLAN）或Wi-Fi网络、蓝牙设备、婴儿监视器和微波炉。研究表明，Wi-Fi是2.4 GHz ISM频段内Zigbee最重要的干扰源。如何解决在普遍存在Wi-Fi的网络环境中的Zigbee和Wi-Fi的共存问题，成为这项工作的主要目的。

电力物联网能源监控系统利用先进无线技术进行实时系统监控、负载控制和降低、能源效率和楼宇自动化，采用Zigbee作为无线通信基础设施，用于能源使用监测、净计量和响应需求。

双向通信用于将Zigbee端节点读取的数据传输到数据采集和控制中心（DCCC），并将控制消息从DCCC传递到终端节点。每个终端节点能够通过分布式Zigbee路由节点将收集的数据中继到DCCC。Zigbee协调器将聚合接收到的数据进行显示和处理，并根据所选择的能源监控系统策略向终端节点发送控制信号。

2 Zigbee/IEEE 802.15.4和Wi-Fi/IEEE 802.11b概述

2.1 Zigbee/IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4定义了Zigbee协议的物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC），而Zigbee Alliance定义了网络层和应用层。802.15.4标准规定了ISM 2.4 GHz、915 MHz和868 MHz频段以及两个基于直接序列扩频（DSSS）的PHY方案的操作[2]。

Zigbee可分为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。FFD可以执行网络建立、路由和管理，而RFD出于简单而低成本的目的仅支持ZigBee设备功能的一部分。作为网络的根源和与其他网络的桥梁，协调器负责网络设置和管理。每个Zigbee网络只包含一个Zigbee协调器。路由器连接在协调器和其他节点之间。路由器和协调器可以与网络上的所有设备通信，并且通常由主电源供电。它们不会进入休眠，因此不会影响通过网络路由流量的能力。终端设备与路由器不能进行对等通信，往往由电池供电，大部分时间都在休眠模式下。他们定期唤醒，检查在他们父路由器上为其缓冲的任何消息，并读取其附带的传感器，传送测量数据，然后返回休眠模式。

ZigBee的目标市场是通用的、廉价的以及自组织的网状网络，用于能源管理、家庭自动化、楼宇自动化和工业自动化。Zigbee智能能源的最终目标是大幅度地激励人们了解、管理、提升自动化程度，并提高能源效率来促进社会变革。

2.2 Wi-Fi/IEEE 802.11b

IEEE 802.11标准规定了Wi-Fi的PHY层和MAC层。它在ISM 2.4 GHz频段中定义了13个重叠的22 MHz宽频率信道。只有2组3个不重叠的频道：美国的1、6和11信道，欧洲的1、7和13信道[3]。IEEE 802.11b有几个版本是最广泛部署的版本。IEEE 802.11b具有11 Mb/s的最大传输速率，且使用与原始IEEE 802.11标准中定义的相同的CSMA/CA媒体接入方法。802.11b PHY层集成了DSSS调制。从技术上讲，802.11b标准使用Barker编码和补码键控（CCK）作为其调制技术。与原始标准相比，CCK编码的修正使得数据传输速率大幅度提高。室内范围30.48 m时，数据传输速率为11 Mb/s；91.44 m时，数据传输速率为1 Mb/s。

2.3 IEEE 802.15.4的主干扰源

由于无线技术的多样性，各种使用2.4 GHz ISM频段的不同技术将以不同的方式干扰ZigBee。这些影响大部分都可以忽略，因为只有少数可能会严重影响ZigBee的性能。在理论上研究ZigBee在Wi-Fi和蓝牙下的性能，结果表明Wi-Fi比蓝牙的干扰要大得多。Zigbee和IEEE 802.11g之间的相互作用在吞吐量方面进行了经验性评估，结果表明Zigbee不会显著影响IEEE 802.11g。然而，当所选择的操作信道的频谱一致时，IEEE 802.11g对Zigbee吞吐量的影响是显著的。使用频率也是评估不同干扰程度的一个关键因素。大多数干扰都是由于IEEE 802.11发射机在住宅和公共环境中的广泛使用引起的。3个Wi-Fi信道几乎覆盖了Zigbee的整个频谱，更重要的是，Wi-Fi信号几乎比ZigBee信号强100倍。

为了减轻Wi-Fi引起的干扰，Zigbee标准在协议中增加了相应的功能。直接序列扩频（DSSS）是一种“扩展频谱”，其扩展信号比调制的信息信号占据更多的带宽。由于宽带宽，它可以与窄带信号共存，略有降低用于扩展频谱的频谱上的信噪比。在MAC子层中使用载波侦听多路访问/避免冲突（CSMA/CA）。CSMA采用监听策略，所以用户在信道闲置前不会发送。在Zigbee中使用特定按需距离向量（AODV）路由协议。这是一种纯粹的按需路由获取算法，且基于此路由算法，Zigbee可以自动构建单个集群网络或潜在较大的簇树网络。该网络基本上是自组织的，支持网络冗余，能够达到一定程度的容错性和自愈性。

虽然在ZigBee中使用了许多干扰缓解技术，但干扰问题仍然被认为是有争议的。因此，衡量干扰的影响并分析缓解技术如何改善Wi-Fi和ZigBee的共存问题是一项值得努力的工作。

3 Zigbee在Wi-Fi下的性能分析

误码率（BER）和分组错误率（PER）是评估数字通信技术的鲁棒性和可靠性的两个关键参数[2]。它们被定义为传输系统中错误发生的速率，且与信噪比成正比。

2.4 GHz IEEE 802.15.4物理层采用OQPSK调制。对于加性高斯白噪声（AWGN）信道，误码率为：

其中，Eb/N0是归一化信噪比（SNR），Q(x)是高斯分布的Q函数：

当ZigBee信道与Wi-Fi信道重叠时，可以考虑将Wi-Fi信号作为ZigBee信号的部分频段干扰噪声，将信噪比替换为信号与干扰加噪声比（SINR），定义为：

其中，Ps是Zigbee接收机所需信号的功率，Pn是噪声功率，Pi是来自Zigbee接收机的Wi-Fi信号的接收干扰功率。

路径损耗模型表示发射机和接收机之间的功率损耗，因此可以与传输功率一起使用，以实现Ps和Pi的计算。考虑到Zigbee和Wi-Fi在室内环境中的应用最为广泛，所以室内路径损耗模型最合适。

4 基于频率捷变的干扰避免方案

根据理论模型，误码率取决于重叠信道中的噪声电平和干扰功率[3]。距离和失调频率在干扰功率中起关键作用。如果ZigBee设备能够检测到干扰，找到“安全通道”，并将整个个人区域网络迁移到一个清晰的通道，其性能将得到显著改善。解决方案需要对现有的IEEE 802.15.4标准作微小调整，也可以通过软件升级实施。此外，任何提议的解决方案必须简单、节能。考虑到这些因素，对结合星形和网状拓扑结构的IEEE 802.15.4簇树网络来说，频率捷变算法是完美的选择，旨在实现高可靠性、高可扩展性和高能效。

该方案的主要内容是干扰检测和干扰抑制[3]。每个发送方节点定期测量其PER，如果PER超过某个阈值，则发送方将向其父路由器发送链路质量指示符（LQI）报告。如果LQI低于一定值，则协调器指示个人区域网络中的所有路由器对可用信道进行干扰检测。通过在Zigbee协议中定义的能量检测（ED）扫描来实现干扰检测，并且基于来自所有ED扫描的反馈，协调器选择具有较好质量且不被其他Zigbee个人区域网络占用的信道。最后是将所有个人区域网络设备迁移到这个“安全”信道。

在干扰非常严重、终端设备不能成功向路由器报告的特定情况下，由于路由器周期性地监控自身与其所有子节点之间的链路LQI，因此路由器仍然可以检测到干扰。如果LQI在多个周期内相当低，且路由器没有在配置的规定期限内收到来自其子节点的任何消息，路由器会自动执行能量检测扫描，并将结果报告给协调器。

5 结 论

Zigbee是一种低成本、短距离以及低能耗的无线通信技术，在许多环境中具有广泛的适用性，特别是在智能电网领域。它可以用于连接、监视和远程控制家庭、建筑物和工厂中的数据和设备。但是，它与Wi-Fi网络共享相同的免许可频段，于是文章对Wi-Fi干扰下的Zigbee性能进行了全面评估。使用数值分析和经验分析证实，Zigbee可能会受到Wi-Fi的严重影响，且可以识别“安全距离”和“安全偏移频率”以指导Zigbee部署。一般来说，当Wi-Fi干扰不显著时，Zigbee能提供令人满意的性能。而当Wi-Fi干扰很显著时，基于频率捷变的干扰缓解方案可以提供一种有效的手段。这种手段能够提供可靠的数据服务来提高Zigbee的性能，从而为Zigbee与Wi-Fi网络共存提供稳健可靠的服务。