無(wú)線技術(shù)在2.4 GHz ISM頻段運(yùn)行的的共存方案

本文介紹了無(wú)線技術(shù)在2.4 GHz ISM頻段運(yùn)行的的共存方案。許多流行的無(wú)線技術(shù)如無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、藍(lán)牙、ZigBee、Thread等使用通用的2.4 GHz運(yùn)行。因此，它們可能會(huì)彼此干擾，降低所有相關(guān)鏈路的總輸送量。已知解決此類共存問題的方案包括共用通道的協(xié)作和非協(xié)作方案。我們探討Quantenna的4線分組流量仲裁器(PTA)協(xié)作方案的詳細(xì)資訊，并分析其對(duì)降低由于干擾導(dǎo)致性能退化的影響。視乎內(nèi)置的對(duì)共存技術(shù)的保護(hù)，Quantenna的PTA可以減少一半甚至更多有問題的干擾。

前言

許多當(dāng)前流行的無(wú)線通訊技術(shù)如Wi-Fi、藍(lán)牙[1]，ZigBee[2]、Thread等使用相同的免授權(quán)的2.4 GHz頻段運(yùn)行。由于通道的共用性質(zhì)，這些技術(shù)在同一時(shí)頻空間區(qū)域中運(yùn)行時(shí)會(huì)相互干擾。視乎干擾通道強(qiáng)度和傳輸功率，這種干擾會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的性能下降。其中一些技術(shù)內(nèi)置一些協(xié)議保護(hù)如載波偵聽、自我調(diào)整跳頻，跳頻等可部分避免其他使用同一通道的技術(shù)的干擾。

圖1描述了WLAN和藍(lán)牙模組位于同一QSR10G系統(tǒng)單晶片(SoC)的典型共存場(chǎng)景。WLAN接入點(diǎn)和藍(lán)牙主機(jī)共同置于QSR10G上。它顯示了WLAN站(STA)的兩種可能情況：STA靠近接入點(diǎn)時(shí)為近端情況，STA離接入點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)為遠(yuǎn)端情況。在近端情況下，STA可以聽到并置的藍(lán)牙主設(shè)備的傳輸，在遠(yuǎn)端情況下，STA無(wú)法聽到主設(shè)備的傳輸，這可同時(shí)引發(fā)WLAN RX（沒有QSR10G）和藍(lán)牙TX事件。視乎通道，在附近的WLAN STA和藍(lán)牙從站之間的鏈路可能存在或不存在。對(duì)任何一條鏈路的干擾都可能由于不確定的網(wǎng)路條件由這種隱藏節(jié)點(diǎn)情況引起。但是，在并置于QSR10G的兩種技術(shù)之間引入合作可減少某些干擾事件。例如，在給定時(shí)間限制一條鏈路處于活動(dòng)狀態(tài)。這種合作可以提高共用通道的有效性和所有相關(guān)鏈路的總輸送量。

圖1、WLAN和藍(lán)牙用戶端聯(lián)接到1個(gè)QSR10G接入點(diǎn)(AP)的示例網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)有的共存方案

早在這些技術(shù)的開發(fā)過程中，就意識(shí)到了潛在的干擾問題和對(duì)共存方案的需求。IEEE 802.15.2標(biāo)準(zhǔn)[3]（由IEEE 802.15共存任務(wù)組2開發(fā)）解決了WLAN和WPAN網(wǎng)絡(luò)之間的共存問題。該標(biāo)準(zhǔn)描述了推薦的做法，并提供了干擾（在802.11b和802.15.1之間）的電腦模型。該標(biāo)準(zhǔn)描述了協(xié)作方案（在發(fā)射機(jī)并置時(shí)使用），例如：

?交替通道接入（MAC層方案）
這種方法將信標(biāo)間隔分為兩個(gè)部分，并且兩種技術(shù)都使用了TDMA以避免干擾。
?分組流量仲裁（MAC層方案）
單獨(dú)的PTA塊授權(quán)不同界面使用同一通道進(jìn)行所有傳輸。PTA塊根據(jù)流量負(fù)載和優(yōu)先順序來協(xié)調(diào)媒介的共用。
?確定性干擾抑制（PHY層方案）
這種方法在WLAN接收器中使用可程式設(shè)計(jì)陷波濾波器來消除窄頻段藍(lán)牙干擾。

該標(biāo)準(zhǔn)還包含以下非協(xié)作方案：

?自我調(diào)整干擾抑制（PHY層方案）
此方法在WLAN接收器處使用自我調(diào)整濾波以刪除窄帶干擾。
?自我調(diào)整資料包選擇和調(diào)度（MAC層方案）
這種方法自我調(diào)整地選擇資料包屬性（有效載荷長(zhǎng)度、向前糾錯(cuò)(FEC)碼和自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ)）并調(diào)度低干擾區(qū)的流量。
?自我調(diào)整跳頻
這種方法積極地估計(jì)并避免了通道在高干擾的WPAN處跳頻。

與非協(xié)作方案相比，協(xié)作方案在正交化通道接入方面效果更好，因此降低了潛在的干擾。但是，協(xié)作方案需要在相應(yīng)的共存技術(shù)之間緊密集成，并且經(jīng)常會(huì)涉及到硬件或軟件握手信號(hào)。

除上述技術(shù)外，跳頻協(xié)作方法還可減少同時(shí)接入同一通道的機(jī)會(huì)。用這種方法，并置的無(wú)線電避免使用公用頻率。例如，如果WLAN無(wú)線電正在通道1上運(yùn)行，則藍(lán)牙無(wú)線電會(huì)避開通道0-21或ZigBee無(wú)線電會(huì)避開通道11-14。

Quantenna的2線共存仲裁器

Quantenna使用基于802.15.2標(biāo)準(zhǔn)中推薦的PTA的硬件方案來實(shí)現(xiàn)協(xié)作共存。介面使用2線在并置的WLAN和WPAN元件之間握手，以減少同時(shí)接入公共通道的機(jī)會(huì)。圖1顯示了PTA模組與外部(EXT)藍(lán)牙/ZigBee/Thread模組之間的介面信號(hào)。

圖2、Quantenna的在QSR10G PTA和外部模組之間的4線介面

圖1所示的不同信號(hào)的含義和運(yùn)行如下：

1. REQUEST - 這是輸入到PTA模塊的輸入信號(hào)，指示來自外部模組的請(qǐng)求正在請(qǐng)求接入道。
2. GRANT - 這是輸出到外部模塊的輸出信號(hào)，指示外部模組是否被授予接入該通道的許可權(quán)。當(dāng)外部模組發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，該信號(hào)有效，WLAN既不接收也不發(fā)送幀。

當(dāng)WLAN必須傳輸時(shí)，它會(huì)檢查是否已授予外部模組存取權(quán)限。如果外部模塊正在接入該通道，則WLAN會(huì)一直等到取消授予權(quán)限后再進(jìn)行傳輸。在正常模式下，當(dāng)WLAN正在發(fā)送或接收時(shí)，來自EXT模組的任何請(qǐng)求都會(huì)被拒絕。當(dāng)EXT模組必須發(fā)送幀時(shí)，它發(fā)送一個(gè)REQUEST并等待獲得GRANT后再發(fā)送。當(dāng)EXT模塊接收到一個(gè)幀時(shí)，它將發(fā)送一個(gè)REQUEST并繼續(xù)接收該幀，而不受GRANT信號(hào)影響。

除了上面提到的2線模式之外，上述介面還可以以1線模式運(yùn)行。在1線模式下，PTA模塊的唯一輸出是Grant信號(hào)。在此模式下，Grant信號(hào)用作WLAN繁忙的指示。當(dāng)WLAN不使用通道時(shí)，PTA會(huì)取消授權(quán)Grant信號(hào)。

TX/RX事件的順序（WLAN TX，WLAN RX，EXT TX或EXT RX）可能導(dǎo)致不同的工作或干擾情況。圖3顯示了一個(gè)示例，在進(jìn)行藍(lán)牙傳輸時(shí)接收到WLAN幀。如果將WLAN幀發(fā)送到接入點(diǎn)的STA距離很遠(yuǎn)，因此無(wú)法以較低功率聽到藍(lán)牙傳輸（如圖1所示），則會(huì)出現(xiàn)這種情況。

表1列出了當(dāng)使用2線PTA介面減少WLAN和EXT模組之間的干擾時(shí)TX/RX事件的所有可能順序及其影響。枚舉忽略了當(dāng)通道處于空閑狀態(tài)并且只有一個(gè)介面具有TX/RX事件而另一個(gè)介面處于空閑狀態(tài)時(shí)的情況。

Time：時(shí)間

圖3、在正在進(jìn)行的BT TX事件中間發(fā)生WLAN RX事件的示例

請(qǐng)注意，在隱藏節(jié)點(diǎn)的情況下（當(dāng)WLAN STA和/或EXT從站無(wú)法聽到發(fā)送器時(shí)），一條鏈路上接收幀，同時(shí)另一條鏈路上正在進(jìn)行傳輸是不可避免的。

表1

注意：TX/RX事件的順序及其對(duì)采用4線方案的共存介面的影響。

如果沒有PTA模塊，表中提到的所有情況都會(huì)對(duì)活動(dòng)鏈路造成干擾。PTA模組能減少干擾情況的數(shù)量，即使它可能導(dǎo)致傳輸延遲。通常，延遲比干擾/沖突更好，因?yàn)闆_突可能由于重傳和級(jí)聯(lián)錯(cuò)誤事件而丟失發(fā)送幀所需的一個(gè)以上通道時(shí)間。如果沒有PTA，當(dāng)另一條鏈路正在發(fā)送或接收時(shí)，將發(fā)生傳輸，并且可能導(dǎo)致資料包丟失。但是，在表中考慮的八種共存情況中，PTA介面無(wú)法解決其中的四種。請(qǐng)注意，所有這些余下問題都是在PTA已授權(quán)第一介面進(jìn)行TX或RX的同時(shí)第二介面開始接收幀的時(shí)候。由于設(shè)備無(wú)法控制意外的接收，這些錯(cuò)誤情況很難解決。但是，根據(jù)鏈路的強(qiáng)度，這些情況并不總是導(dǎo)致資料包丟失。在下一節(jié)中，我們?cè)u(píng)估此類事件發(fā)生的可能性及其對(duì)性能的影響。

Wi-Fi搶占

即使使用請(qǐng)求和授權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)PTA機(jī)制，如果當(dāng)前Wi-Fi流量很高，外部流量也可能必須等待更長(zhǎng)的時(shí)間間隔。在ZigBee、藍(lán)牙、Thread等的許多當(dāng)前使用案例中，這些外部協(xié)定用于電池供電的感測(cè)器用戶端。在這種情況下，額外的延遲和碰撞會(huì)導(dǎo)致更多的重新傳輸，進(jìn)而影響客戶的電池壽命。因此，在存在此類高優(yōu)先順序外部流量的情況下，立即停止正在進(jìn)行的Wi-Fi傳輸并使外部流量具有優(yōu)先權(quán)可能很有用。即使在正在進(jìn)行的Wi-Fi流量期間也允許外部流量稱為PTA搶占。Quantenna當(dāng)前支援兩種搶占模式：

無(wú)TX停止的搶占

此模式適用于Wi-Fi和外部流量在非重疊通道上的使用情況。例如，Wi-Fi通道1和ZigBee通道23不重疊。在這種使用情況下，由于通道不重疊，因此兩個(gè)無(wú)線電可以同時(shí)繼續(xù)他們的通信。

TX停止的搶占

此模式適用于Wi-Fi和外部流量在重疊通道上的用例。例如，Wi-Fi通道1和ZigBee通道12或13或14重疊。在這種使用情況下，由于通道重疊，因此兩個(gè)無(wú)線電無(wú)法同時(shí)繼續(xù)其通信。同時(shí)傳輸可能會(huì)導(dǎo)致沖突。

在這種模式下，無(wú)論何時(shí)有請(qǐng)求，PTA都會(huì)授予對(duì)外部無(wú)線電的存取權(quán)限。如果有正在進(jìn)行的傳輸，則PTA立即停止傳輸。在Wi-Fi正在進(jìn)行接收的情況下，PTA不會(huì)中斷它，因?yàn)槲覀儫o(wú)法控制傳輸。在存在外部流量的情況下，Wi-Fi會(huì)盡其所能恢復(fù)信號(hào)。

沒有TX停止，對(duì)Wi-Fi流量的搶占沒有影響，因?yàn)樗还灿酶蓴_的通道。但是，對(duì)于TCP流量的搶占，慢速流量如1 ZigBee每秒幀數(shù)可能不會(huì)對(duì)Wi-Fi流量產(chǎn)生任何影響，但高輸送量如100 ZigBee每秒幀數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致Wi-Fi輸送量損失高達(dá)60％。

性能影響

在與共存設(shè)備的運(yùn)行有關(guān)的所有可能場(chǎng)景中，事件的某種組合會(huì)導(dǎo)致干擾場(chǎng)景。圖4顯示了這些場(chǎng)景之間的關(guān)系。所有可能的事件都用最外面的圓圈表示。如果設(shè)備的占空比足夠低，則大多數(shù)事件將無(wú)爭(zhēng)用，如外部圓圈的藍(lán)色部分所示。在所有可能引起干擾的場(chǎng)景中，使用PTA介面可以避免某些情況，如表1所述。最里面的紅色圓圈表示事件的空間，使用PTA不能避免。

No Contention：無(wú)爭(zhēng)用
Avoidable Contention：可避免的爭(zhēng)用
Un-avoidable Contention：不可避免的爭(zhēng)用

圖4.所有可能的共存場(chǎng)景的空間

可避免的和不可避免的競(jìng)爭(zhēng)事件會(huì)導(dǎo)致WLAN或WPAN流量中的延遲，重試和資料包丟失。這會(huì)導(dǎo)致性能損失。導(dǎo)致此類性能損失的確切事件取決于用于解決共存問題的特定方案。在下一個(gè)小節(jié)中，我們分析可避免和不可避免的概率。共存場(chǎng)景中的PHY層性能的其他一些分析可以在[4]和[5]中找到。

爭(zhēng)用事件的概覽

為了了解上述場(chǎng)景的比例（概率）及其對(duì)WLAN和WPAN占空比的依賴性，我們將這些概率作為占空比的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。我們考慮具有以下參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)。

?WLAN流量參數(shù)
○傳輸速率=WLAN開啟時(shí)間的60％（下行鏈路）
○接收速率=WLAN開啟時(shí)間的40％（上行鏈路）
?EXT流量參數(shù)
○傳輸和接收速率=EXT開啟時(shí)間的50％

圖5總結(jié)了所有場(chǎng)景下WLAN流量的兩種不同占空比的概率。10％的占空比表示低WLAN流量，而90％的占空比表示高WLAN流量。當(dāng)WLAN流量的占空比較低時(shí)，爭(zhēng)用的概率（可避免與否）較低，并且當(dāng)WLAN空閑時(shí)幾乎所有無(wú)爭(zhēng)用的情況都會(huì)發(fā)生。因此，當(dāng)藍(lán)牙占空比增加時(shí)，閑置時(shí)間所占的比例下降，無(wú)爭(zhēng)用的比例上升。但是，當(dāng)WLAN流量已經(jīng)很高時(shí)，無(wú)爭(zhēng)用的概率隨藍(lán)牙占空比而降低。但是，最重要的結(jié)論是PTA方案能夠解決一半以上的問題情況。

現(xiàn)在，讓我們考慮以上計(jì)算中未考慮的一些變數(shù)。由于這些WPAN協(xié)議內(nèi)置某些保護(hù)，因此并非所有上述不可避免的事件都在現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)生。我們考慮以下四個(gè)例外。

首先，對(duì)于藍(lán)牙模組，如果從站的RX在主站的TX之后到達(dá)，并且模組為整個(gè)處理預(yù)留了時(shí)間，則RX事件不會(huì)在WLAN事件的中間發(fā)生。因此，我們不再有這種不可避免的干擾情況的可能性。

probability of occurrence：發(fā)生的概率
Duty cycle for Bluetooth：藍(lán)牙占空比
Duty cycle of WLAN：WLAN占空比
Idle Channel：空閑通道
No Contention：無(wú)爭(zhēng)用
Solved Contention：解決的爭(zhēng)用
Contention：爭(zhēng)用

圖5. 事件概率因藍(lán)牙占空比而異，圖為0.1和0.9的WLAN占空比

其次，對(duì)于ZigBee，如果遵循載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA)，則網(wǎng)站將能夠聽到正在進(jìn)行的WLAN空中傳輸，因此RX事件不會(huì)在WLAN事件的中間發(fā)生。

第三，即使外部模組和WLAN由于RX事件而同時(shí)使用同一通道，由于使用的頻寬和跳頻序列，WLAN也會(huì)觀察到窄帶干擾。

最后，由于藍(lán)牙的跳頻機(jī)制，即使發(fā)生不可避免的爭(zhēng)用事件，藍(lán)牙流量也不會(huì)一直與WLAN頻寬交疊。交疊的時(shí)間比例取決于WLAN的跳頻序列和運(yùn)行頻帶。

除了上述所有考慮之外，由于無(wú)線電不完善引起的跨通道干擾也會(huì)影響干擾，這不在本文檔的討論范圍之內(nèi)。

總結(jié)

我們描述并分析了Quantenna的基于4線的PTA方案，解決共存問題以與不同無(wú)線技術(shù)共享2.4 GHz通道。如果外部模組具有某些內(nèi)置的保護(hù)，則PTA界面可以潛在地將爭(zhēng)用情況減少一半甚至更多。爭(zhēng)用情況（可避免或無(wú)法避免）的副面影響是，由于共存會(huì)導(dǎo)致性能損失（可避免情況的延遲以及不可避免的情況的退回/損失），我們可以將其最小化，但不能完全消除，尤其是在通道接近完全利用率的情況下。

參考文獻(xiàn)

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[2] “802.15.4?2011 ? IEEE Standard for Local and metropolitan area networks — Part 15.4: Low?Rate Wireless Personal Area Networks (LR?WPANs)”.
[3] “802.15.2?2003 ? IEEE Recommended Practice for Information technology ?? Local and metropolitan area networks ?? Specific requirements ?? Part 15.2: Co?existence of Wireless Personal Area Networks with Other Wireless Devices Operating in Unlicensed Frequency”.
[4] J. Lansford, A. Stephens, and R. Nevo, “Wi?Fi and Bluetooth: Enabling Co?existence”, IEEE Network, vol. 15, no. 5, pp. 20?27, 2001.
[5] N. Golmie, N. Chevrollier and O. Rebala, “Bluetooth and WLAN co?existence: Challenges and solutions”, Wireless Communications, vol. 10, no. 6, pp. 22?29, 2003.

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：WLAN、藍(lán)牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存

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