Wi-Fi和Zigbee/Thread的托管共存技術(shù)

未經(jīng)許可的 2.4 GHz 頻段的無線共存研究和緩解技術(shù)已經(jīng)存在至少 20 年。問題在于，不同的 2.4 GHz 無線技術(shù)滿足相同設(shè)備的不同需求，因此必須同時(shí)運(yùn)行而不會(huì)顯著降低性能。這篇由兩部分組成的文章討論了對(duì) Wi-Fi 和 Zigbee/Thread 托管共存的日益增長的需求，并通過工業(yè)設(shè)計(jì)、共同管理技術(shù)和 2.4 GHz 頻段物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用的最佳實(shí)踐探索了共存技術(shù)。在第一部分中，我們討論了非托管共存的要素。在第二部分中，我們將重點(diǎn)關(guān)注托管共存。

更高的 Wi-Fi 傳輸功率、更高的 Wi-Fi 吞吐量以及將 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 無線電集成到同一設(shè)備中的市場趨勢(shì)具有以下影響：

優(yōu)點(diǎn)：

主機(jī)可實(shí)現(xiàn)Wi-Fi和IEEE 802.15.4的頻率分離

共置 Wi-Fi 可以強(qiáng)制 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)達(dá)到 20 MHz 帶寬

Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 無線電可以在 2.4 GHz 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 傳輸和接收上進(jìn)行通信

缺點(diǎn)：

更高的 Wi-Fi 發(fā)射功率需要更大的天線隔離度

更高的 Wi-Fi 吞吐量導(dǎo)致更高的 Wi-Fi 占空比

天線隔離受設(shè)備尺寸限制（僅 15-20 dB 隔離并不罕見）

假設(shè)頻率分離實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)距離”信道的情況，并且 Wi-Fi 僅使用 20 MHz 帶寬，則在 100% 占空比下 +30 dBm Wi-Fi 發(fā)射功率電平需要 45 dB 天線隔離才能接收 -80 dBm IEEE 802.15。 4 條消息。這在具有共址 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 的小型設(shè)備中通常無法實(shí)現(xiàn)。

托管共存利用位于同一位置的 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 無線電之間的通信來協(xié)調(diào)每個(gè)無線電對(duì) 2.4 GHz ISM 頻帶的訪問以進(jìn)行傳輸和接收。Silicon Labs 為 EFR32 無線 SoC 實(shí)施了一種協(xié)調(diào)方案，該方案與支持?jǐn)?shù)據(jù)包流量仲裁 （PTA） ［1］ 的 Wi-Fi 設(shè)備兼容。這種基于 PTA 的協(xié)調(diào)允許 EFR32 在接收消息或想要傳輸消息時(shí)向 Wi-Fi 發(fā)出信號(hào)。當(dāng) Wi-Fi 設(shè)備意識(shí)到 EFR32 SoC 需要 2.4 GHz ISM 頻段時(shí)，任何 Wi-Fi 傳輸都可以延遲，從而提高 zigbee/Thread 消息的可靠性。

PTA 支持硬件選項(xiàng)

PTA 在 IEEE 802.15.2 （2003） 第 6 條中進(jìn)行了描述，是一種建議，而不是標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.2 最初解決了 IEEE 802.11b 和 IEEE 802.15.1（藍(lán)牙經(jīng)典）之間的共存問題，并且沒有描述確切的硬件配置。但是，IEEE 802.15.2 建議 PTA 實(shí)現(xiàn)考慮以下內(nèi)容（以大寫字母表示的 PTA 命令）：

從 IEEE 802.11b 到 PTA 的 TX REQUEST 和從 IEEE 802.15.1 到 PTA 的 TX REQUEST

從 PTA 到 IEEE 802.11b 的 TX CONFIRM 和從 PTA 到 IEEE 802.15.1 的 TX CONFIRM

來自兩個(gè)無線電的狀態(tài)信息：

無線電狀態(tài) ［TX、RX 或空閑］

當(dāng)前和未來的 TX/RX 頻率

TX/RX 開始和持續(xù)時(shí)間的未來預(yù)期

數(shù)據(jù)包類型

優(yōu)先級(jí)（固定、隨機(jī)或基于 QoS）

在考慮無線電狀態(tài)、發(fā)送/接收和頻率時(shí)，IEEE 802.15.2 描述了干擾可能性，如表 1 所示。

［表 1 | IEEE 802.15.2 2.4 GHz ISM 共址無線電干擾可能性。］

從表 1 中可以看出，托管共存還需要針對(duì)非托管共存的頻率分離建議：

IEEE 802.15.2“帶內(nèi)”等同于同頻道（Wi-Fi 對(duì)同頻道 IEEE 802.15.4 的顯著影響）

IEEE 802.15.4“帶外”覆蓋相鄰和“遠(yuǎn)距離”通道（“遠(yuǎn)距離”通道與相鄰?fù)ǖ老啾忍岣呒s 20 dB）

因此，對(duì)于托管共存，Silicon Labs 建議繼續(xù)實(shí)施所有非托管共存建議：

頻率分離

以 20 MHz 帶寬運(yùn)行 Wi-Fi

天線隔離

zigbee/線程重試機(jī)制

旁路中的 FEM LNA

在審查現(xiàn)有 PTA 實(shí)施時(shí)，Silicon Labs 發(fā)現(xiàn) PTA 主實(shí)施已集成到許多制造商的許多 Wi-Fi 設(shè)備中，但并非所有 Wi-Fi 設(shè)備都支持 PTA 接口。圖 1 顯示了最常見的支持藍(lán)牙的 Wi-Fi/PTA 實(shí)施。

【圖1 | 典型的 Wi-Fi/藍(lán)牙 PTA 實(shí)施。］

3線PTA

常見 PTA 配置的一個(gè)示例是圖 1 中所示的 3 線配置。在這種情況下，PRIORITY 信號(hào)與 REQUEST 和 GRANT 一起使用，以表示正在接收或發(fā)送高優(yōu)先級(jí)或低優(yōu)先級(jí)消息。 當(dāng)收到請(qǐng)求時(shí)，Wi-Fi/PTA 設(shè)備會(huì)將此外部優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求與內(nèi)部 Wi-Fi 優(yōu)先級(jí)（可能是高/低或高/中/低）進(jìn)行比較，并且可以選擇 GRANT Bluetooth 或 Wi-Fi （注意：優(yōu)先級(jí)可以實(shí)現(xiàn)為靜態(tài)或分時(shí)（增強(qiáng)）優(yōu)先級(jí)）。

靜態(tài)：在為發(fā)送或接收操作置位的 REQUEST 期間，PRIORITY 為高或低

分時(shí)：在 REQUEST 置位后，PRIORITY 在典型的 20 μs 持續(xù)時(shí)間內(nèi)為高或低，但在接收操作期間切換為低，在發(fā)送操作期間切換為高

鑒于 IEEE 802.15.4 的射頻占空比相對(duì)較低，在 EFR32 PTA 在 2 線模式下運(yùn)行時(shí)，始終可以在 Wi-Fi/PTA 輸入處斷言靜態(tài)優(yōu)先級(jí)。這釋放了 EFR32 上的 GPIO 引腳并消除了電路板走線。

試驗(yàn)結(jié)果

Silicon Labs 使用多個(gè) Wi-Fi 芯片組對(duì) IEEE 802.15.4 的 PTA 實(shí)施進(jìn)行了廣泛的測試。總之，以下觀察基于測量結(jié)果：

活動(dòng) Wi-Fi 期間網(wǎng)絡(luò)形成成功

PTA 功能大大提高了 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)形式的成功率。在“遙遠(yuǎn)”的渠道案例中觀察到了最顯著的改進(jìn)。

即使啟用了 PTA 功能，網(wǎng)絡(luò)形成也成功：

由于網(wǎng)絡(luò)形式使用廣播、非 ACK 消息，因此不如吞吐量流量健壯。

最適合“遠(yuǎn)距離”頻道，但在與 Wi-Fi 同頻道或相鄰頻道時(shí)會(huì)降級(jí)。

當(dāng) CoEx Wi-Fi 主要以高 Wi-Fi RF 占空比傳輸時(shí)受影響最大。

MAC 在活動(dòng) Wi-Fi 期間重試

PTA 功能大大減少了 802.15.4 MAC 重試；CoEx zigbee 傳輸時(shí)幾乎消除了重試。

即使啟用了 PTA 功能，MAC 也會(huì)重試：

在“遠(yuǎn)距離”信道上降低最多，但在同信道或相鄰信道到 Wi-Fi 時(shí)降級(jí)。

當(dāng) CoEx zigbee 主要以高 Wi-Fi RF 占空比接收時(shí)受影響最大。

活動(dòng) Wi-Fi 期間消息失敗

PTA 功能大大減少了 802.15.4 消息失敗。當(dāng) CoEx zigbee 正在傳輸而不是同信道到 Wi-Fi 時(shí)，消息故障幾乎被消除。

即使啟用了 PTA 功能，消息丟失：

在“遠(yuǎn)距離”頻道上減少最多，但在同頻道或相鄰頻道到 Wi-Fi 時(shí)會(huì)降級(jí)。

當(dāng) CoEx zigbee 主要以高 Wi-Fi RF 占空比接收時(shí)受影響最大。

圖 2 顯示了 Silicon Labs 進(jìn)行的一項(xiàng)測試的結(jié)果，并強(qiáng)調(diào)了 PTA 在啟用時(shí)對(duì)存在 Wi-Fi 時(shí)的 zigbee 消息失敗率的積極影響。通過重新啟用 APS 重試（在下面的圖 2 所示的測試中禁用）可以進(jìn)一步減少消息失敗。

【圖2 | 消息失?。ò俜直龋篊oEx Wi-Fi 流 =》 遠(yuǎn)程 Wi-Fi 和遠(yuǎn)程 zigbee =》 CoEx zigbee RX 流。］

結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的擴(kuò)展和發(fā)展，越來越多的支持 Wi-Fi 的網(wǎng)關(guān)將添加藍(lán)牙、zigbee、Thread 和其他無線協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)與家庭和建筑物中的連接設(shè)備的通信。此外，隨著家庭和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)越來越多地添加云連接，越來越多的家庭控制器將在其現(xiàn)有的低功耗無線電中添加 Wi-Fi。因此，包含 Wi-Fi 和其他 2.4 GHz 無線電和協(xié)議（包括藍(lán)牙低功耗 （BLE） 和基于 IEEE 802.15.4 的 zigbee 和 Thread）的網(wǎng)關(guān)/控制器類型設(shè)備的數(shù)量將大幅增長。

位于同一地點(diǎn)的強(qiáng)大 Wi-Fi 會(huì)對(duì) IEEE 802.15.4 性能產(chǎn)生重大影響。IEEE 802.15.4 與共址 Wi-Fi 的性能可以通過非托管和托管共存技術(shù)得到改進(jìn)。非托管共存建議包括：

實(shí)現(xiàn)頻率分離

以 20 MHz 帶寬運(yùn)行 Wi-Fi

增加天線隔離度

使用 zigbee/Thread 重試機(jī)制

移除 FEM（或在旁路中操作 FEM LNA）。

隨著更高 Wi-Fi TX 功率、更高 Wi-Fi 吞吐量以及將 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 無線電集成到同一設(shè)備中的市場趨勢(shì)，單獨(dú)的非托管技術(shù)可能證明是不夠的，因此托管共存解決方案變得必要。即使使用托管共存解決方案，仍然需要所有非托管共存建議。

Wi-Fi/IEEE 802.15.4 共存測試結(jié)果表明，使用 PTA 時(shí) IEEE 802.15.4 性能有顯著提升：

改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)形成成功：

然而，網(wǎng)絡(luò)形成利用廣播消息，這些消息不會(huì)重試

如果可能，可以通過在設(shè)備加入 IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)期間暫時(shí)減少 Wi-Fi 流量來進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)組建成功率

大幅減少 MAC 重試次數(shù)：

減少消息延遲

提高終端節(jié)點(diǎn)電池壽命

頻率分離仍然很重要，因?yàn)樽罴压芾淼墓泊嫘阅苓m用于“遠(yuǎn)距離”信道

大大減少了消息失?。?/p>

即使在高 Wi-Fi 占空比期間，IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)仍可正常運(yùn)行。

作者：Terry Dickey，David Egan

審核編輯：郭婷