Wi-Fi和zigbee/Thread托管共存日益增長的需求

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)存在了至少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，因此必須同時運行，而不會出現(xiàn)明顯的性能下降。這篇由兩部分組成的文章討論了對 Wi-Fi 和 zigbee/Thread 托管共存日益增長的需求，并通過工業(yè)設(shè)計、共管理技術(shù)和 2.4 GHz 頻段中物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用的最佳實踐探討了共存技術(shù)。

將Wi-Fi無線電添加到家庭自動化控制器中將成為互聯(lián)家庭中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備增長的推動力，因為這將提供從家庭設(shè)備到互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的連接。ABI Research 的預(yù)測表明，雖然 2017 年每個家用控制器平均出貨的設(shè)備不到 7 臺，但到 2020 年，這一數(shù)字將上升到平均每個家用控制器出貨近 10 臺設(shè)備［1］。ON World 報告考慮了更廣泛的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場（包括家庭自動化），并預(yù)測，在預(yù)計將于 2020 年出貨的 20 億個無線傳感器節(jié)點 （WSN） 設(shè)備中，七分之一將包含 Wi-Fi 無線電［2］。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與家庭控制器中Wi-Fi無線電的增長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 Wi-Fi 共存策略的需求

預(yù)計終端設(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，因為它將處理更多的終端節(jié)點（通過IEEE 802.15.4連接）和其他低功耗無線網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果是這些控制器上低功耗無線電的占空比增加。有效的共存策略必須確保Wi-Fi和其他無線電協(xié)議之間的干擾得到管理，并將其對整體系統(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］。

過去，Wi-Fi與低功耗、低數(shù)據(jù)速率無線電（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大問題，而Thonet、Allard-Jacquin &colle等研究主要集中在無線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備之間的非托管共存，而不是并置在設(shè)備內(nèi)的無線電［3］。對于包含Wi-Fi無線電的有限數(shù)量的家庭控制器，簡單的機制足以在一個無線電上停止傳輸而另一個無線電正在傳輸時。很容易看出為什么到目前為止，這是一個適當(dāng)?shù)姆椒ǎ?/p>

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

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

部署的家庭自動化系統(tǒng)總量相對較低

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

2.4 GHz ISM 頻段支持無線 （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 無線電標(biāo)準(zhǔn)同時協(xié)同工作可能會降低一個或多個無線電的性能。為了提高抗干擾能力，每個 2.4 GHz ISM 無線電標(biāo)準(zhǔn)都支持一定程度的沖突避免和/或報文重試功能。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，而不會對性能產(chǎn)生重大影響。然而，最近的客戶趨勢使共存變得更加困難：

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

+30 dBm 的無線網(wǎng)絡(luò)接入點現(xiàn)在很常見

提高無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量

根據(jù)可實現(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)備中以實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能（家庭自動化和安全應(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)點調(diào)試）

無線網(wǎng)絡(luò)對銀河和線程的影響

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）。

實際可用頻道因國家/地區(qū)而異。例如，在美國，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zigbee和Thread的影響，硅實驗室測量了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?，同時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)果如下三個圖所示。所有 IEEE 802.11n 和 IEEE 802.15.4 功率級別均參考硅實驗室無線壁虎 SoC （EFR32MG1） 射頻輸入。測試應(yīng)用程序是使用硅實驗室的EmberZNet PRO（zigbee）堆棧開發(fā)的，測試應(yīng)用程序（NodeTest）在基于EFR32MG的被測設(shè)備（DUT）上運行，以及用于控制DUT和RF測試設(shè)備的測試腳本。由于這是一項以 IEEE 802.15.4 為重點的測試，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。

從這三個數(shù)字，以及使用EM35x/ EM358x設(shè)備（未顯示）進(jìn)行的其他測量，關(guān)于Wi-Fi對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，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 可增強信號，可接收 IEEE 802.15.4 信號，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，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，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，可接收 -43 dBm 或更弱的信號

“遠(yuǎn)方”頻道：

EFR32MG1 可以接收 -80 dBm 的 IEEE 802.15.4 信號，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，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，可接收 -27 dBm 或更弱的信號

在現(xiàn)實環(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/關(guān)閉而變化。最終結(jié)果是，當(dāng) Wi-Fi 關(guān)閉時，能夠看到較弱的信號，但當(dāng)強 Wi-Fi 打開（主動傳輸）時，則無法看到較弱的信號。

非托管共存

非托管共存依賴于無線協(xié)議、簡單配置工具或網(wǎng)絡(luò)管理的固有特征。Wi-Fi 無線電和其他物聯(lián)網(wǎng)無線電之間沒有特定的握手。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 20 dB 的 Wi-Fi 信號。通過最大化 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無線電是使用公共主機（控制兩個無線電的MCU）實現(xiàn)的，則該主機應(yīng)嘗試最大化頻率分離。對于 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，接入點 （AP） 建立初始信道，并且在自動信道配置中，可以使用信道交換機公告（在 IEEE 802.11h 中引入）將網(wǎng)絡(luò)自由移動到另一個信道，以安排信道更改。

以 20 MHz 的帶寬運行無線網(wǎng)絡(luò)

由于 Wi-Fi/IEEE 802.11n 使用 OFDM 子載波，因此來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可能會受到三階失真產(chǎn)物的影響。這些三階產(chǎn)品可能會阻塞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，Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計當(dāng)Wi-Fi在40 MHz模式下運行時，其他2.4 GHz ISM設(shè)備可能會出現(xiàn)問題。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 接入點存在其他 2.4 GHz ISM 設(shè)備，從而強制整個 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入 20 MHz 模式。

如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 無線電是使用公共主機實現(xiàn)的，則該主機應(yīng)在關(guān)聯(lián)期間將 Wi-Fi 無線電設(shè)置為“四十 MHz 不容許”位，以強制 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，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、Wi-Fi 開啟或關(guān)閉。

通過以下方式可以提高天線隔離度：

增加天線之間的距離 – 在開放空間中，接收到的遠(yuǎn)場功率與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，該零點可指向 Wi-Fi 天線

使用 zigbee/線程重試機制

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，硅實驗室的余燼網(wǎng) PRO 堆棧還實現(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Wi-Fi的情況下會降低線性度性能。

為了在存在強 Wi-Fi 阻止程序的情況下獲得最佳接收靈敏度，請消除 FEM，或在旁路模式下操作 FEM LNA。此建議是一種權(quán)衡，因為啟用 FEM LNA 增益后，沒有 Wi-Fi 阻塞器的接收靈敏度會得到提高。

審核編輯：郭婷