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2.4 GHz無線共存已經(jīng)存在至少20年了。真正的問題在于，不同的2.4 GHz無線技術(shù)滿足了同一設(shè)備的不同需求，因此必須要在同時運行而不會出現(xiàn)明顯的性能退化。本文針對對WiFi，zigbee和thread，通過工業(yè)設(shè)計、協(xié)同管理以及2.4 GHz頻段物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最佳實踐，嘗試探索共存技術(shù)。 在家庭自動化控制器中添加WiFi有助于家庭物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增長，WiFi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)測表明，平均而言，2017年的每個家庭控制器有不到7個設(shè)備的出貨量，但到2020年，這個數(shù)字將上升到每個家庭控制器平均控制10個設(shè)備[1]。 報告認為更廣泛的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場(包括家庭自動化) ，在預(yù)計2020年將發(fā)布的20億無線傳感器節(jié)點(WSN)中，七分之一的無線傳感器節(jié)點將包含WiFi[2]。 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與在家庭控制器中加入WiFi以及將家庭控制器與家庭網(wǎng)關(guān)/路由器的協(xié)作密切相關(guān)。 對WiFi共存策略的需求圖1 | 智能家居控制器與設(shè)備之間的關(guān)系 如圖1所示，預(yù)計終端設(shè)備與控制器的比例將增加，這也意味著主控制器本身在 RF流量方面會變得更加忙碌，因為它將處理更多的端點(通過IEEE 802.15.4連接)和其他低功耗無線網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)果是，這些控制器上低功率無線電的任務(wù)周期在不斷增加。有效的共存戰(zhàn)略必須確保對WiFi和其他無線電協(xié)議之間的干擾進行管理，并盡量減少其對整個系統(tǒng)性能的影響。 過去，在家庭控制器中，WiFi和低功耗、低數(shù)據(jù)率無線電之間的共存策略，例如IEEE 802.15.4和zigbee，并不是一個很大的問題，研究集中在無線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備之間的非托管共存，而不是設(shè)備內(nèi)部的無線搭配，如圖3所示。 對于數(shù)量有限的家庭控制器，一種簡單的機制就是讓一臺無線電發(fā)射時停止在另一臺無線電上的傳輸，很容易看出為什么這是到目前為止一個適用的方法:
隨著家居自動化變得越來越主流化，更多的家庭網(wǎng)關(guān)和接入點把低功耗無線電引入到WiFi網(wǎng)關(guān)。此外，除了WiFi之外，這些網(wǎng)關(guān)還可能有一個以上的低功耗無線電，并且在某些情況下，可以在一個網(wǎng)關(guān)中有多達3或4個2.4 GHz的無線電，使用藍牙和一個或兩個IEEE 802.15.4無線電(如 zigbee 和 Thread)。 因此，需要有管理的共存戰(zhàn)略，以確保所有無線電都能成功運作。 2.4 GHz的ISM標準支持WiFi(IEEE 802.11 b/g/n)，zigbee和 Thread (IEEE 802.15.4)，藍牙和低耗電藍牙。這些不同的2.4 GHz無線電標準同時并同步運行，會降低一個或多個無線電的性能。 為了提高干擾的免疫性，2.4 GHz ISM 無線電標準中的每一項都支持一定程度的避免碰撞和 或消息重試能力。在低的數(shù)據(jù)吞吐率，低功率水平，和/或足夠的物理分離，這些2.4 GHz的 ISM 標準可以并存，對性能沒有重大影響。 然而，最近的客戶趨勢使得共存變得更加困難:
Wi-Fi 對 zigbee 和 Thread 的影響在全球范圍內(nèi)，Wi-Fi在2.4 GHz 頻帶上支持多達14個20/22 MHz 頻段，傳輸功率達到 +30 dBm。 同樣地，2.4 GHz的zigbee 和 Thread支持16個在5mhz 間距的非重疊2mhz帶寬頻道，傳輸功率可達 +20 dBm。這些Wi-Fi和 zigbee/thread 通道映射如圖2所示。 圖2 | 802.15.4 和 802.11 b/g/n 通道映射 (全球) 實際可用的頻段因國家而異。例如，在美國，可以使用Wi-Fi的頻段1到11，而 zigbee頻道11到26也是可用的（盡管第25頻道和26頻道要求降低傳輸功率，以滿足FCC的要求）。 為了更好地理解 Wi-Fi 對 zigbee 和 Thread 的影響，Silicon Labs測量了一個100% 工作周期的IEEE 802.11 n (MCS3,20mhz 帶寬)阻斷器在接收各種功率級傳輸?shù)腎EEE 802.15.4信息同時，在不同功率級傳輸信息。 下列三個圖顯示了共同通道、相鄰?fù)ǖ篮?遠程"通道的結(jié)果。 該測試應(yīng)用程序是利用一個基于EFR32MG1設(shè)備的測試應(yīng)用程序(NodeTest)和一個控制 DUT與 RF 測試設(shè)備的測試腳本。 由于這是一個 IEEE 802.15.4的測試，與 Wi-Fi 阻塞Thread的結(jié)果相同。 圖3 | 100%工作周期的 802.11n 阻塞器與 802.15.4的共存信道 圖4 | 100%工作周期的 802.11n阻塞器與 802.15.4 的鄰居信道 圖5 | 100%工作周期的 802.11n阻塞器與 802.15.4 的遠程信道 根據(jù)這三個圖，關(guān)于 Wi-Fi 對 zigbee / thread 的影響的主要觀察結(jié)果是: 共存信道
相鄰信道
遠程信道
在一個真實的環(huán)境中，Wi-Fi通常不是100% 的任務(wù)周期，只有在低 Wi-Fi SNR 條件下的文件傳輸或視頻流中才能接近100%。 在之前的三個圖中，EFR32MG1設(shè)備(或EM35x/EM358x) 接收的靈敏度隨著 Wi-Fi阻滯器的開關(guān)而變化。最終的結(jié)果是，當無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉時，能夠獲悉較弱的信號，但是當強大的 Wi-Fi 正在運行(主動傳輸)時就無法得到。 非托管共存非托管共存依賴于無線協(xié)議的固有特性、簡單的配置工具或網(wǎng)絡(luò)管理。 在 Wi-Fi和其他物聯(lián)網(wǎng)無線電之間沒有具體的握手信號。 與附近的強Wi-Fi環(huán)境中，下面的非托管共存建議可以最大限度地擴大 EFR32MG1或EM35x/EM358x信息接收成功。 實現(xiàn)頻率分離IEEE 802.15.4在共存通道操作時，與100% 的工作周期 Wi-Fi會屏蔽大部分 IEEE 802.15.4信息，這種情況必須避免。 此外，EFR32MG1在"遠程"信道情況下容許20分貝強的 Wi-Fi 信號。 通過最大限度地提高Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和 IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)之間的頻率分離，可以提高網(wǎng)絡(luò)性能。 如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4在一個普通主機(MCU 控制兩個射頻)一起實現(xiàn)時，那么主機應(yīng)該盡量使頻率分離最大化。 對于Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，接入點(AP)建立了初始通道，在自動通道配置中，可以使用 ieee802.11 h 引入的信道切換信道將網(wǎng)絡(luò)自由移動到另一個信道，以調(diào)度信道的變化。 使用帶有20MHz頻段的 Wi-Fi由于 Wi-Fi/IEEE802.11 n 使用 OFDM 子載波，這些子載波的第三階失真在 Wi-Fi 信道的兩邊延長了一個帶寬。 802.11 n 可以在20mhz 或40mhz 模式下運行。 如果在40mhz 模式下操作，80兆赫ISM 頻段的40mhz 被 Wi-Fi 頻段消耗。 然而，每一段都可能受到第三階失真的影響。 這些三階失真可以阻斷IEEE 802.15.4接收機，是相鄰信道性能比遠程通道性能差20分貝的主要原因。 在提出IEEE 802.11 n 的40 MHz 模式時，Wi-Fi 標準預(yù)測到了與其他2.4 GHz ISM 設(shè)備的潛在問題。任何 Wi-Fi 站都可以在 HT 功能信息中設(shè)置"40 MHz 不容忍"位。 這個比特通知 Wi-Fi的接入點，其他2.4 GHz 的 ISM 設(shè)備正在使用，迫使整個 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)處于20兆赫的狀態(tài)。 如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4在一個公共主機一起實現(xiàn)，那么主機應(yīng)該在關(guān)聯(lián)期間使用 Wi-Fi設(shè)置的"四十 MHz 不容忍"位，以迫使 Wi-Fi 處于20兆赫的狀態(tài)，以改善 IEEE 802.15.4性能。 如果應(yīng)用程序要求 Wi-Fi 在40mhz 模式下運行，則必須在2.4 GHz 頻段的兩端設(shè)置 Wi-Fi信道和IEEE 802.15.4信道，使頻率分離最大化。 增加天線隔離最小化 ieee802.15.4 接收到的 Wi-Fi 信號強度，可以提高802.15.4的接收范圍。 例如，在100% Wi-Fi 工作周期的"遠程"信道中，當 EFR32MG1輸入的 Wi-Fi 能量為 -15dbm 或以下時，可以收到 -80dbm IEEE 802.15.4 信息。 如果 Wi-Fi 傳輸功率級別為 + 10 dBm，在 Wi-Fi 發(fā)射機與 IEEE 802.15.4之間的天線隔離距離為25 dB 或更多，RF 輸入就足以總是接收 -80dbm 802.15.4信號。 增加天線隔離可以通過以下方式實現(xiàn):
使用 zigbee / thread 重試機制IEEE 802.15.4規(guī)范需要在 MAC 層重試。 為了進一步提高消息傳遞的穩(wěn)健性，協(xié)議棧要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(NWK)重試，包裝了 MAC 重試。 用戶應(yīng)用程序也可以利用 APS 重試，其中包含NWK 重試。 去除FEM（或 旁路 FEM LNA）象EFR32MG1 SoC等設(shè)備可以提供近20 dBm 傳輸功率，在沒有外部FEM的情況下具有良好的接收靈敏度。 然而，許多其他IEEE 802.15.4使用外部FEM 增加傳輸功率到 + 20 dBm，以增加傳輸范圍(在允許這樣做的區(qū)域，如美國)。 附加的FEM獲得了增益也提高了靈敏度，但降低了在強 Wi-Fi 存在下的性能。 為了獲得最佳的靈敏度，在強Wi-Fi 阻斷器存在時，要么消除FEM，要么在旁路模式下操作FEM LNA。 該建議是一種權(quán)衡，因為在沒有 Wi-Fi 阻斷器的情況下，可以通過FEM LNA 增益來提高靈敏度。 托管共存Wi-fi 傳輸功率越來越高、無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量在增加以及 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4集成的市場趨勢有以下影響: 優(yōu)點：
缺點:
假設(shè)頻率分離實現(xiàn)了"遠程"信道情況，Wi-Fi 只使用20 MHz 帶寬，+ 30 dBm Wi-Fi 傳輸功率級為100% 的任務(wù)周期，需要45 dB 天線隔離才能接收 -80dbm IEEE 802.15.4信息。 這在小型設(shè)備中通常不可能實現(xiàn)同時配備 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4。 托管共存利用了 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4之間的通信，以協(xié)調(diào)每個無線電對2.4 GHz ISM 頻段的傳輸和接收。 Silicon Labs實施了一個與支持分組流量仲裁（PTA）的Wi-Fi 設(shè)備兼容的SoC 協(xié)調(diào)方案[4]。 這種基于PTA的協(xié)調(diào)使 EFR32能夠在接收信息或想要發(fā)送消息時向Wi-Fi發(fā)出信號。當 Wi-Fi 設(shè)備意識到 EFR32 SoC 需要2.4 GHz 的 ISM 頻段時，任何 Wi-Fi 傳輸都可以延遲，提高了zigbee/thread消息的可靠性。 支持 PTA 的硬件選項在 IEEE 802.15.2(2003)第6條中描述了 PTA，是一個建議，而不是一個標準[4]。 802.15.2最初討論了 IEEE 802.11 b 和 IEEE 802.15.1(藍牙經(jīng)典)之間的共存問題，但并沒有描述一個精確的硬件配置。 但是，IEEE 802.15.2建議 PTA 實現(xiàn)考慮以下內(nèi)容(以大寫字母表示的 PTA 命令) :
在考慮無線電狀態(tài)，傳輸/接收和頻率時，IEEE 802.15.2描述了干擾的可能性，如圖7所示。 圖6| IEEE 802.15.22.4 GHz ISM 協(xié)同無線電干擾可能性 對于非托管共存的頻率分離建議對于托管共存也是必要的:
因此，對于托管共存，建議繼續(xù)實施所有的非托管共存建議:
在審查現(xiàn)有的PTA實現(xiàn)時，發(fā)現(xiàn)PT 的主要實現(xiàn)已經(jīng)被許多制造商集成到許多 Wi-Fi 設(shè)備中，但并不是所有的 Wi-Fi 設(shè)備都支持 PTA。 圖7顯示了支持藍牙的最常見的Wi-Fi/PTA實現(xiàn)。 圖7| 典型的 Wi-Fi/ 藍牙 PTA 實現(xiàn) 三線 PTA常見的 PTA 配置的一個例子是圖7所示的3線配置。 在這種情況下，PRIORITY信號與REQUEST和GRANT一起使用，表示正在接收或傳送高優(yōu)先級或低優(yōu)先級的消息。當接收請求時，Wi-Fi /PTA設(shè)備將這一外部優(yōu)先級請求與內(nèi)部 Wi-Fi 優(yōu)先級進行比較，后者可能是高/低或高/中/低，并可選擇藍牙或 Wi-Fi (注: 優(yōu)先權(quán)可以作為靜態(tài)或時間共享(增強)優(yōu)先級實現(xiàn))。
由于IEEE 802.15.4 時相對較低的 RF 任務(wù)周期，靜態(tài)優(yōu)先權(quán)總是可以在 Wi-Fi/PTA輸入中與在2線模式下操作的 EFR32 PTA 輸入始終可以斷言靜態(tài)優(yōu)先權(quán)。 這樣就釋放了EFR32上的 GPIO 引腳，并且消除了電路板的痕跡。 在Silicon Labs的測試中： 在活動的 Wi-Fi 中，網(wǎng)絡(luò)建立成功
MAC在活動的 Wi-Fi 中重試
活動 Wi-Fi 期間的消息失敗
圖8顯示了一個由Silicon Labs進行的測試結(jié)果，并強調(diào)了 PTA 在啟用時，在 Wi-Fi 存在下對 zigbee 消息失敗率的正面影響。 通過重新啟用 APS (如下圖2所示的測試中禁用) ，消息失敗會進一步減少。 圖8 | 消息失敗(%) : CoEx Wi-Fi流->遠程Wi-Fi&遠程zigbee ->CoEx zigbee RX 流 結(jié)論隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和發(fā)展，越來越多的Wi-Fi網(wǎng)關(guān)將增加藍牙、zigbee、Thread和其他無線協(xié)議，以便與家庭和建筑物中的連接設(shè)備進行通信。 此外，隨著家庭和智能建筑系統(tǒng)越來越多地增加云連接，越來越多的家庭控制器會將 Wi-Fi添加到現(xiàn)有的低功耗無線設(shè)備上。 因此，包括 Wi-Fi 和其他2.4 GHz 協(xié)議的網(wǎng)關(guān)/控制器類型設(shè)備的數(shù)量將大幅增加，其中包括低耗電藍牙(BLE)和 IEEE 802.15.4-based zigbee 和 Thread。 配置強大的 Wi-Fi 會對對 IEEE 802.15.4性能產(chǎn)生重大影響。 通過非托管和托管的共存技術(shù)，可以提高具有共存 Wi-Fi的性能。非托管共存包括:
隨著市場趨勢朝向更高的 Wi-Fi TX 功率、更高的 Wi-Fi 吞吐量以及將 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4集成到同一個設(shè)備中，單靠非托管技術(shù)可能是不夠的，因此需要一個托管共存的解決方案。 即使有一個托管共存的解決方案，所有非托管共存的方案仍然是必要的。 當使用 PTA 時，性能有了很大的改善: 改善組網(wǎng)的成功率
大幅減少消息失敗
本文編譯自http://www./embedded-computing-design/driving-wi-fi-zigbee-and-thread-coexistence-in-the-2-4-ghz 參考文獻: [1] ABI Research (2015), “Home Automation Systems Market Data 2Q 2015” [2] OnWorld (2015), “WSN Markets” [3] Thonet, G., Allard-Jacquin, P., Colle, P. (2008), “zigbee – Wi-Fi Coexistence: White Paper and Test Report”. [4] 1. IEEE (2003), “802.15.2: IEEE Recommendation for Information Technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements Part 15.2: Coexistence of Wireless Personal Area Networks with Other Wireless Devices Operating in Unlicensed Frequency Bands”, IEEE |
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