2.4G频段信道选择详解：Wi-Fi、Zigbee与蓝牙的共存之道
2.4G频段信道选择详解：Wi-Fi、Zigbee与蓝牙的共存之道
在无线通信领域，2.4G频段是一个重要的ISM频段，被广泛应用于Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等无线网络。本文将详细介绍2.4G频段的信道分配情况，以及Wi-Fi、Zigbee和蓝牙在该频段的使用特点，并介绍一种Wi-Fi信道选择算法。
频段
IEEE 802.11为ISM提供了免执照的2.4G频段，频率范围：2400 ~ 2483.5 MHz。2.4GHz为各国共同的ISM频段，因此无线局域网（IEEE 802.11b/IEEE 802.11g）、蓝牙、ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。
ISM频段：IndustrialScientificMedical Band，ISM频段就是各国挪出某一段频段主要开放给工业，科学和医学机构使用。应用这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。
Wi-Fi 频段
在802.11 b/g/n模式下，信道带宽通常为20MHz（其实也有40MHz），而且通道之间预留了2MHz的保护带宽，信道中心频率f=2412+(k-1)*5 MHz, k=1,…,14。因此，当同一无线空域内有两个发射器时，相邻信道就可能发生频率重叠。除了13和14信道的中心频率间隔为12 MHz，其他两个信道的间隔均为5 MHz。
Wi-Fi设备通常工作在固定的某个Channel上，工作在同一个Channel上的设备采用竞争的方式来使用该Channel。某个Wi-Fi Channel里的Wi-Fi信号可能是断断续续的，也可能是一直被挤占的。
信道 | 频宽(MHz) | 中心频率(MHz) | 20 MHz |
|---|---|---|---|
1 | 20 | 2412 | 2402~2422 |
2 | 20 | 2417 | 2407~2427 |
3 | 20 | 2422 | 2412~2432 |
4 | 20 | 2427 | 2417~2437 |
5 | 20 | 2432 | 2422~2442 |
6 | 20 | 2437 | 2427~2447 |
7 | 20 | 2442 | 2432~2452 |
8 | 20 | 2447 | 2437~2457 |
9 | 20 | 2452 | 2442~2462 |
10 | 20 | 2457 | 2447~2467 |
11 | 20 | 2462 | 2452~2472 |
12 | 20 | 2467 | 2457~2477 |
13 | 20 | 2472 | 2462~2482 |
14 | 20 | 2484 | / |
2.4G WiFi信道分布图（带宽：20 MHz）
从图中可以看到：1、6、11信道没有频段重叠部分，因此一般推荐用户使用这三个信道。
Zigbee 频段
ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信技术，其工作频段和信道分配如下：
工作频段：
- 2.4 GHz频段：这是ZigBee最常用且全球通用的频段。在这个频段上，ZigBee定义了16个物理信道(Channel)，每个信道的带宽为5MHz。
- 868 MHz频段：主要用于欧洲地区，该频段仅定义了一个物理信道。
- 915 MHz频段：主要用于美国和中国台湾地区，该频段定义了10个物理信道，每个信道的带宽为2MHz。
工作信道：
- 2.4 GHz频段：在2.4GHz频段中，ZigBee使用了16个无重叠的信道，这些信道分别是Channel 11至Channel 26，每个信道的中心频率间隔为5MHz。
- 868 MHz频段：在这个频段中，只定义了一个信道。
- 915 MHz频段：在这个频段中，定义了10个信道，具体为Channel 1至Channel 10，每个信道的中心频率间隔为2MHz。
信道 | 频宽(MHz) | 中心频率(MHz) | 5 MHz |
|---|---|---|---|
11 | 5 | 2405 | 2402.5~2407.5 |
12 | 5 | 2410 | 2407.5~2412.5 |
13 | 5 | 2415 | 2412.5~2417.5 |
14 | 5 | 2420 | 2417.5~2422.5 |
15 | 5 | 2425 | 2422.5~2427.5 |
16 | 5 | 2430 | 2427.5~2432.5 |
17 | 5 | 2435 | 2432.5~2437.5 |
18 | 5 | 2440 | 2437.5~2442.5 |
19 | 5 | 2445 | 2442.5~2447.5 |
20 | 5 | 2450 | 2447.5~2452.5 |
21 | 5 | 2455 | 2452.5~2457.5 |
22 | 5 | 2460 | 2457.5~2462.5 |
23 | 5 | 2465 | 2462.5~2467.5 |
24 | 5 | 2470 | 2467.5~2472.5 |
25 | 5 | 2475 | 2472.5~2477.5 |
26 | 5 | 2480 | 2477.5~2482.5 |
注意：以上带宽是5MHz，且没有为信道提供保护带宽。
2.4 GHz Zigbee信道频谱：
在环境中存在Wi-Fi的情况下，Zigbee工作就会收到干扰。
蓝牙频段
在经典蓝牙（BR/EDR）中，ISM频段被划分为79个1 MHz带宽的信道（从2402 MHz到2480 MHz），信道中心频率f=2402+k MHz, k=0,…,78。
对于蓝牙低能耗（BLE, Bluetooth Low Energy）技术，频段同样是2.4 GHz ISM频段，但它仅使用了其中的40个信道，每个信道的带宽为2 MHz，信道中心频率f=2402+k*2 MHz, k=0,…,39。BLE的信道划分是为了优化功耗和提高效率，同时保持与经典蓝牙技术的共存。对于信道的分配如下：
- 广播信道：3个，固定在37、38、39信道
- 数据信道：37个，自适应调频
无线数据：1Mbps、2Mbps
Bluetooth采用的是跳频技术，按照约定好的随机序列从一个Channel以每秒1600跳的频率到另一个Channel。Bluetooth设备在固定的时间里(625us)在一个Channel收发数据，接着跳到另一个Channel，这里可能会用到所有的Bluetooth Channel。
显然，从上面Wi-Fi和Bluetooth的技术实现来看，相邻的Wi-Fi和Bluetooth设备有可能会出现信号重叠情况，也就是说可能会出现干扰。由于Bluetooth使用跳频技术，它的信号并不会长时间停留在某个Wi-Fi Channel内，因此这里的相互影响并不会持续很久。另外，Bluetooth还提供AFH (Adaptive Frequency Hopping，自适应跳频)技术，当某些Bluetooth Channel在一定时间内受到的干扰比较严重时，它可能会把这些Channel剔出跳频序列。
信道选择算法
首先需要说明的一点，市面上没有所谓的“最优信道选择算法标准”，不同的路由器厂家实现的算法可能不同。这里仅参考谷歌学术的技术发明专利的实现：
- 方法1：一种检测各个信道wifi信号质量的方法
- 方法2：一种基于wlan无线信道评分机制的信道选择方法及其系统
方法1
背景描述：同一信道内的设备越多，干扰越大，相近两个信道内设备的数量越多，影响比同一信道的影响次要一些，以此类推。
关键步骤如下：
- 收集指定路由器周围的WiFi信息，WiFi信息包括每个信道的热点个数和信号强度；
- 根据公式计算每个信道的拥挤指数；
- 将指定路由器置于拥挤指数最小的信道。
公式：
$$
{\alpha_n} = (200 * {X_n} + 0.2 * {Y_n}) + 1/2 (200 * {X_(n-1)} + 0.2 * {Y_(n-1)}) + 1/4 (200 * {X_(n-2)} + 0.2 * {Y_(n-2)})
$$
$$
{\alpha_n} ：信道n拥堵指数
{X_n}：信道n热点个数
{Y_n}：信道n所有信号强度之和
$$
参考链接
- 乐鑫 ESP8266 Wi-Fi 信道选择指南
- List of WLAN channels
- ZigBee 与 Wi-Fi 共存
- ISM频段