Wi-Fi和zigbee/Thread托管共存日益增長(zhǎng)的需求

未經(jīng)許可的2.4 GHz頻段的無(wú)線共存研究和緩解技術(shù)已經(jīng)存在了至少20年。問(wèn)題在于，不同的 2.4 GHz 無(wú)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)出現(xiàn)明顯的性能下降。這篇由兩部分組成的文章討論了對(duì) Wi-Fi 和 zigbee/Thread 托管共存日益增長(zhǎng)的需求，并通過(guò)工業(yè)設(shè)計(jì)、共管理技術(shù)和 2.4 GHz 頻段中物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用的最佳實(shí)踐探討了共存技術(shù)。

將Wi-Fi無(wú)線電添加到家庭自動(dòng)化控制器中將成為互聯(lián)家庭中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備增長(zhǎng)的推動(dòng)力，因?yàn)檫@將提供從家庭設(shè)備到互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的連接。ABI Research 的預(yù)測(cè)表明，雖然 2017 年每個(gè)家用控制器平均出貨的設(shè)備不到 7 臺(tái)，但到 2020 年，這一數(shù)字將上升到平均每個(gè)家用控制器出貨近 10 臺(tái)設(shè)備［1］。ON World 報(bào)告考慮了更廣泛的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)（包括家庭自動(dòng)化），并預(yù)測(cè)，在預(yù)計(jì)將于 2020 年出貨的 20 億個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) （WSN） 設(shè)備中，七分之一將包含 Wi-Fi 無(wú)線電［2］。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與家庭控制器中Wi-Fi無(wú)線電的增長(zhǎng)以及家庭控制器與家庭網(wǎng)關(guān)/路由器的融合密切相關(guān)。

對(duì) Wi-Fi 共存策略的需求

預(yù)計(jì)終端設(shè)備與控制器的比率將增加（如圖1所示），這也意味著主控制器本身將變得更加繁忙RF流量，因?yàn)樗鼘⑻幚砀嗟慕K端節(jié)點(diǎn)（通過(guò)IEEE 802.15.4連接）和其他低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果是這些控制器上低功耗無(wú)線電的占空比增加。有效的共存策略必須確保Wi-Fi和其他無(wú)線電協(xié)議之間的干擾得到管理，并將其對(duì)整體系統(tǒng)性能的影響降至最低。

［圖1|智能家居控制器和智能家居設(shè)備之間的關(guān)系［1］。

過(guò)去，Wi-Fi與低功耗、低數(shù)據(jù)速率無(wú)線電（如家用控制器中的IEEE 802.15.4/zigbee）之間的共存策略并不是一個(gè)大問(wèn)題，而Thonet、Allard-Jacquin &colle等研究主要集中在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備之間的非托管共存，而不是并置在設(shè)備內(nèi)的無(wú)線電［3］。對(duì)于包含Wi-Fi無(wú)線電的有限數(shù)量的家庭控制器，簡(jiǎn)單的機(jī)制足以在一個(gè)無(wú)線電上停止傳輸而另一個(gè)無(wú)線電正在傳輸時(shí)。很容易看出為什么到目前為止，這是一個(gè)適當(dāng)?shù)姆椒ǎ?/p>

迄今為止，大多數(shù)家庭自動(dòng)化實(shí)施都是由家庭自動(dòng)化系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，與云的Wi-Fi或以太網(wǎng)連接是一項(xiàng)附加功能，而不是主要功能。

到目前為止，家庭網(wǎng)關(guān)在設(shè)計(jì)中通常只有一個(gè)低功耗無(wú)線電以及Wi-Fi。

部署的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)總量相對(duì)較低

隨著家庭自動(dòng)化變得越來(lái)越主流，更多的家庭網(wǎng)關(guān)和接入點(diǎn)制造商以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（ISP）將在其支持Wi-Fi的網(wǎng)關(guān)中引入低功耗無(wú)線電。此外，除了Wi-Fi之外，這些網(wǎng)關(guān)可能還包含多個(gè)低功耗無(wú)線電，并且在某些情況下，單個(gè)網(wǎng)關(guān)中可能具有多達(dá)三個(gè)或四個(gè)2.4 GHz無(wú)線電，從而允許藍(lán)牙和一個(gè)或兩個(gè)IEEE 802.15.4無(wú)線電（例如zigbee和Thread）。因此，需要托管共存策略來(lái)確保板上的所有無(wú)線電都能成功運(yùn)行。

2.4 GHz ISM 頻段支持無(wú)線 （IEEE 802.11b/g/n）、壓縮比和線程 （IEEE 802.15.4）、藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙。這些不同的 2.4 GHz 無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)協(xié)同工作可能會(huì)降低一個(gè)或多個(gè)無(wú)線電的性能。為了提高抗干擾能力，每個(gè) 2.4 GHz ISM 無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)都支持一定程度的沖突避免和/或報(bào)文重試功能。在低數(shù)據(jù)吞吐速率、低功耗水平和/或足夠的物理分離下，這些 2.4 GHz ISM 標(biāo)準(zhǔn)可以共存，而不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生重大影響。然而，最近的客戶趨勢(shì)使共存變得更加困難：

提高 Wi-Fi 發(fā)射功率水平，實(shí)現(xiàn)“擴(kuò)展范圍”

+30 dBm 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)現(xiàn)在很常見(jiàn)

提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)吞吐量

根據(jù)可實(shí)現(xiàn)的信噪比 （SNR），文件傳輸和/或視頻流的高吞吐量要求可能導(dǎo)致 2.4 GHz ISM 頻段內(nèi)的高 Wi-Fi 占空比

將 Wi-Fi、zigbee、Thread 和藍(lán)牙低功耗 （BLE） 集成到同一設(shè)備中以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能（家庭自動(dòng)化和安全應(yīng)用需要這種集成，并使用低功耗藍(lán)牙提供更輕松的終端節(jié)點(diǎn)調(diào)試）

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)銀河和線程的影響

在全球范圍內(nèi)，Wi-Fi 在 2.4 GHz ISM 頻段上支持多達(dá) 14 個(gè)重疊的 20/22 MHz 帶寬信道，發(fā)射功率水平高達(dá) +30 dBm。同樣，2.4 GHz zigbee 和 Thread 支持 16 個(gè)非重疊 2 MHz 帶寬通道，間隔為 5 MHz，發(fā)射功率高達(dá) +20 dBm。這些 Wi-Fi 和 zigbee/線程信道映射如圖 2 所示。

［圖 2 | 802.15.4 和 802.11b/g/n 信道映射（全球）。

實(shí)際可用頻道因國(guó)家/地區(qū)而異。例如，在美國(guó)，Wi-Fi 信道 1 至 11 可用，zigbee 信道 11 至 26 可用，盡管信道 25 和 26 需要降低發(fā)射功率水平才能滿足 FCC 要求。

為了更好地了解Wi-Fi對(duì)zigbee和Thread的影響，硅實(shí)驗(yàn)室測(cè)量了100%占空比IEEE 802.11n（MCS3，20 MHz帶寬）阻塞器在各種功率水平下傳輸?shù)挠绊懀瑫r(shí)接收以各種功率水平傳輸?shù)腎EEE 802.15.4消息。同通道、相鄰?fù)ǖ篮汀斑h(yuǎn)”通道的結(jié)果如下三個(gè)圖所示。所有 IEEE 802.11n 和 IEEE 802.15.4 功率級(jí)別均參考硅實(shí)驗(yàn)室無(wú)線壁虎 SoC （EFR32MG1） 射頻輸入。測(cè)試應(yīng)用程序是使用硅實(shí)驗(yàn)室的EmberZNet PRO（zigbee）堆棧開(kāi)發(fā)的，測(cè)試應(yīng)用程序（NodeTest）在基于EFR32MG的被測(cè)設(shè)備（DUT）上運(yùn)行，以及用于控制DUT和RF測(cè)試設(shè)備的測(cè)試腳本。由于這是一項(xiàng)以 IEEE 802.15.4 為重點(diǎn)的測(cè)試，因此 Wi-Fi 阻塞線程的結(jié)果完全相同。

［圖 3 | 100% 占空比 802.11n 阻滯劑，在 Co-Channel 上具有所需的 802.15.4。

［圖4|100%占空比802.11n阻斷器，相鄰?fù)ǖ郎暇哂兴璧?02.15.4。

［圖 5 | 100% 占空比 802.11n 阻塞器，在“遠(yuǎn)距離”通道上具有所需的 802.15.4。

從這三個(gè)數(shù)字，以及使用EM35x/ EM358x設(shè)備（未顯示）進(jìn)行的其他測(cè)量，關(guān)于Wi-Fi對(duì)zigbee /Thread的影響的關(guān)鍵觀察結(jié)果是：

聯(lián)合頻道：

EFR32MG1 可以接收 IEEE 802.15.4 信號(hào)，其亮度比總 Wi-Fi 發(fā)射功率（100% 占空比）低 6 dB

帶或不帶前端模塊 （FEM） 的 EM35x/EM358x 可增強(qiáng)信號(hào)，可接收 IEEE 802.15.4 信號(hào)，其亮度比 Wi-Fi 總發(fā)射功率（100% 占空比）低 6 dB。

IEEE 802.15.4 傳輸也可能被 Wi-Fi 發(fā)射功率觸發(fā) IEEE 802.15.4 -75 dBm 清除信道評(píng)估 （CCA） 閾值所阻止

相鄰頻道：

EFR32MG1 可以接收 -80 dBm 的 IEEE 802.15.4 信號(hào)，其 Wi-Fi 發(fā)射功率為 -35 dBm 或較弱（占空比為 100%）。

不帶 FEM 的 EM35x/EM358x 可以接收 -80 dBm 的 IEEE 802.15.4 信號(hào)，發(fā)射功率為 -38 dBm 或較弱 Wi-Fi 發(fā)射功率（占空比為 100%），啟用 Skyworks SE2432L 有限元低噪聲放大器 （LNA） 時(shí)，可接收 -43 dBm 或更弱的信號(hào)

“遠(yuǎn)方”頻道：

EFR32MG1 可以接收 -80 dBm 的 IEEE 802.15.4 信號(hào)，發(fā)射功率為 -15 dBm 或更弱 Wi-Fi 發(fā)射功率（占空比為 100%）

不帶 FEM 的 EM35x/EM358x 可以接收 -80 dBm 的 IEEE 802.15.4 信號(hào)，發(fā)射功率為 -22 dBm 或較弱的 Wi-Fi 發(fā)射功率（占空比為 100%），在啟用 Skyworks SE2432L 有限元有限元有限元時(shí)，可接收 -27 dBm 或更弱的信號(hào)

在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，Wi-Fi通常不是100%的占空比，只有在低Wi-Fi SNR條件下的文件傳輸或視頻流期間才接近100%。在前三個(gè)圖中，EFR32MG1 設(shè)備（或 EM35x/EM358x）的接收靈敏度隨著 Wi-Fi 阻止程序的打開(kāi)/關(guān)閉而變化。最終結(jié)果是，當(dāng) Wi-Fi 關(guān)閉時(shí)，能夠看到較弱的信號(hào)，但當(dāng)強(qiáng) Wi-Fi 打開(kāi)（主動(dòng)傳輸）時(shí)，則無(wú)法看到較弱的信號(hào)。

非托管共存

非托管共存依賴于無(wú)線協(xié)議、簡(jiǎn)單配置工具或網(wǎng)絡(luò)管理的固有特征。Wi-Fi 無(wú)線電和其他物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線電之間沒(méi)有特定的握手。以下非托管共存建議提供了有關(guān)在附近強(qiáng)大的 Wi-Fi 下最大限度地提高 EFR32MG1 或 EM35x/EM358x 消息成功的指導(dǎo)。

實(shí)現(xiàn)頻率分離

根據(jù)上一節(jié)中的觀察結(jié)果，IEEE 802.15.4 與 100% 占空比 Wi-Fi 的協(xié)同信道操作會(huì)阻止大多數(shù) IEEE 802.15.4 消息，必須避免。此外，EFR32MG1 在“遠(yuǎn)距離”信道情況下可承受比相鄰信道箱強(qiáng) 20 dB 的 Wi-Fi 信號(hào)。通過(guò)最大化 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)和 IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)之間的頻率分離，提高了 IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)性能。

如果Wi-Fi和IEEE 802.15.4無(wú)線電是使用公共主機(jī)（控制兩個(gè)無(wú)線電的MCU）實(shí)現(xiàn)的，則該主機(jī)應(yīng)嘗試最大化頻率分離。對(duì)于 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，接入點(diǎn) （AP） 建立初始信道，并且在自動(dòng)信道配置中，可以使用信道交換機(jī)公告（在 IEEE 802.11h 中引入）將網(wǎng)絡(luò)自由移動(dòng)到另一個(gè)信道，以安排信道更改。

以 20 MHz 的帶寬運(yùn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

由于 Wi-Fi/IEEE 802.11n 使用 OFDM 子載波，因此來(lái)自這些子載波的三階失真產(chǎn)物在 Wi-Fi 信道的任一側(cè)擴(kuò)展了一個(gè)帶寬。IEEE 802.11n 可在 20 MHz 或 40 MHz 模式下工作。如果在 40 MHz 模式下工作，則 80 MHz ISM 頻段的 40 MHz 頻率段將由 Wi-Fi 信道占用。但是，每側(cè)的額外40 MHz可能會(huì)受到三階失真產(chǎn)物的影響。這些三階產(chǎn)品可能會(huì)阻塞IEEE 802.15.4接收器，并且是相鄰信道性能比“遠(yuǎn)距離”信道性能差20 dB的主要原因。

在為IEEE 802.11n提出40 MHz模式時(shí)，Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)當(dāng)Wi-Fi在40 MHz模式下運(yùn)行時(shí)，其他2.4 GHz ISM設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在關(guān)聯(lián)期間，任何 Wi-Fi 站都可以在 HT 功能信息中設(shè)置“四十 MHz 不耐受”位。此位通知 Wi-Fi 接入點(diǎn)存在其他 2.4 GHz ISM 設(shè)備，從而強(qiáng)制整個(gè) Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入 20 MHz 模式。

如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 無(wú)線電是使用公共主機(jī)實(shí)現(xiàn)的，則該主機(jī)應(yīng)在關(guān)聯(lián)期間將 Wi-Fi 無(wú)線電設(shè)置為“四十 MHz 不容許”位，以強(qiáng)制 Wi-Fi 達(dá)到 20 MHz 模式，從而提高 IEEE 802.15.4 性能。

如果應(yīng)用要求 Wi-Fi 在 40 MHz 模式下工作，則必須通過(guò)將 Wi-Fi 信道和 IEEE 802.15.4 信道放置在 2.4 GHz ISM 頻段的兩端來(lái)最大化頻率分離。

提高天線隔離度

根據(jù)上一節(jié)中的觀察，最小化IEEE 802.15.4 RF輸入看到的Wi-Fi能量可以改善802.15.4接收范圍。例如，在 Wi-Fi 占空比為 100% 的“遠(yuǎn)距離”信道情況下，當(dāng) EFR32MG1 輸入端的 Wi-Fi 能量為 -15 dBm 或更低時(shí)，可以接收到 -80 dBm IEEE 802.15.4 消息。如果 Wi-Fi 發(fā)射功率電平為 +10 dBm，則 Wi-Fi 發(fā)射器與 IEEE 802.15.4 RF 輸入之間 25 dB 或更高的天線隔離足以始終接收 -80 dBm 802.15.4 信號(hào)、Wi-Fi 開(kāi)啟或關(guān)閉。

通過(guò)以下方式可以提高天線隔離度：

增加天線之間的距離 – 在開(kāi)放空間中，接收到的遠(yuǎn)場(chǎng)功率與1/R2成正比，其中R是天線之間的距離

利用天線方向性 –單極天線沿天線軸提供零點(diǎn)，該零點(diǎn)可指向 Wi-Fi 天線

使用 zigbee/線程重試機(jī)制

IEEE 802.15.4 規(guī)范要求在 MAC 層重試。為了進(jìn)一步提高消息傳遞的穩(wěn)健性，硅實(shí)驗(yàn)室的余燼網(wǎng) PRO 堆棧還實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò) （NWK） 重試，包裝了 MAC 重試。用戶應(yīng)用程序還可以利用 APS 重試，包裝 NWK 重試。

移除有限元轉(zhuǎn)換器（或在旁路操作有限元線性噪聲）

EFR32MG1 SoC等器件可提供近+20 dBm的發(fā)射功率，并且無(wú)需外部有限元即可提供出色的接收器靈敏度。但是，許多其他IEEE 802.15.4無(wú)線電使用外部FEM將發(fā)射功率增加到+20 dBm以增加范圍（在允許這樣做的地區(qū)（例如美洲））。額外的FEM LNA接收增益也提高了靈敏度，但在存在強(qiáng)Wi-Fi的情況下會(huì)降低線性度性能。

為了在存在強(qiáng) Wi-Fi 阻止程序的情況下獲得最佳接收靈敏度，請(qǐng)消除 FEM，或在旁路模式下操作 FEM LNA。此建議是一種權(quán)衡，因?yàn)閱⒂?FEM LNA 增益后，沒(méi)有 Wi-Fi 阻塞器的接收靈敏度會(huì)得到提高。

審核編輯：郭婷