2.4 GHz頻段的非托管共存技術(shù)的研究

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，因此必須同時運行而不會顯著降低性能。這篇由兩部分組成的文章討論了對 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、共同管理技術(shù)和 2.4 GHz 頻段物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用的最佳實踐探索了共存技術(shù)。

將 Wi-Fi 無線電添加到家庭自動化控制器中將推動物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在互聯(lián)家庭中的增長，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 年每個家庭控制器的平均出貨量將少于 7 臺，但到 2020 年，這個數(shù)字將上升到每個家庭控制器平均出貨近 10 臺設(shè)備。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），在 2020 年預(yù)計出貨的 20 億無線傳感器節(jié)點 （WSN） 設(shè)備中，七分之一將包含 Wi-Fi 無線電。

物聯(lián)網(wǎng)的增長與家庭控制器中包含 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)。

Wi-Fi 共存策略的必要性

如圖 1 所示，預(yù)計終端設(shè)備與控制器的比率會增加，這也意味著家庭控制器本身將更加忙于射頻流量，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)果是這些控制器上的低功率無線電的占空比增加。有效的共存策略必須確保管理 Wi-Fi 和其他無線電協(xié)議之間的干擾，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)系隨時間推移。］

過去，Wi-Fi 與低功耗、低數(shù)據(jù)速率無線電之間的共存策略，如家用控制器中的 IEEE 802.15.4/zigbee，并不是一個大問題，而研究，如 Thonet、Allard-Jacquin & Colle 專注于無線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備之間不受管理的共存，而不是設(shè)備內(nèi)并置的無線電。對于數(shù)量有限的包含 Wi-Fi 無線電的家庭控制器，簡單的機制足以在一個無線電傳輸時停止另一個無線電傳輸。很容易看出為什么到目前為止這是一種適當(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)連接是附加功能，而不是主要功能

到目前為止，家庭網(wǎng)關(guān)通常在設(shè)計中只有一個低功率無線電以及 Wi-Fi

部署的家庭自動化系統(tǒng)的總量相對較低

隨著家庭自動化變得越來越主流，越來越多的家庭網(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)中引入低功率無線電。此外，除了 Wi-Fi 之外，這些網(wǎng)關(guān)可能包含多個低功率無線電，在某些情況下，單個網(wǎng)關(guān)中可能包含多達(dá)三個或四個 2.4 GHz 無線電，允許藍(lán)牙和一兩個IEEE 802.15.4 無線電（例如 zigbee 和 Thread）。因此，需要管理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 Wi-Fi （IEEE 802.11b/g/n）、zigbee 和 Thread （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)同時和同地運行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)都支持某種程度的沖突避免和/或消息重試能力。在低數(shù)據(jù)吞吐率、低功率水平和/或足夠的物理分離條件下，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：

增加“擴展范圍”的 Wi-Fi 傳輸功率水平

+30 dBm Wi-Fi 接入點現(xiàn)在很常見

增加 Wi-Fi 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會導(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，并使用藍(lán)牙低功耗提供更輕松的終端節(jié)點調(diào)試）

Wi-Fi 對 zigbee 和 Thread 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，傳輸功率水平高達(dá) +30 dBm。同樣，2.4 GHz zigbee 和 Thread 支持 16 個不重疊的 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/Thread 通道映射如圖 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 到 11 可用，zigbee 信道 11 到 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，Silicon Labs 測量了 100% 占空比 IEEE 802.11n（MCS3，20 MHz 帶寬）阻塞器在接收 IEEE 802.15.4 消息時以各種功率級別傳輸?shù)挠绊懸圆煌墓β孰娖絺鬏?。同頻道、鄰頻道和“遠(yuǎn)”頻道的結(jié)果如下三張圖所示。所有 IEEE 802.11n 和 IEEE 802.15.4 功率級別均參考 Silicon Labs Wireless Gecko SoC （EFR32MG1） RF 輸入。該測試應(yīng)用程序是使用 Silicon Labs 的 EmberZNet PRO （zigbee） 堆棧開發(fā)的，該堆棧具有在基于 EFR32MG 的被測設(shè)備 （DUT） 上運行的測試應(yīng)用程序 （NodeTest） 和用于控制 DUT 和 RF 測試設(shè)備的測試腳本。由于這是一項針對 IEEE 802.15.4 的測試，因此 Wi-Fi 阻塞線程的結(jié)果相同。

【圖3 | 100% 占空比 802.11n 阻塞器，在同信道中具有所需的 802.15.4。］

【圖4 | 100% 占空比 802.11n 阻塞器，在相鄰?fù)ǖ谰哂兴璧?802.15.4。］

【圖5 | 100% 占空比 802.11n 阻塞器，在“遠(yuǎn)方”通道上帶有所需的 802.15.4。］

從這三個數(shù)字以及使用 EM35x/EM358x 設(shè)備（未顯示）的其他測量結(jié)果來看，關(guān)于 Wi-Fi 對 zigbee/Thread 影響的主要觀察結(jié)果是：

聯(lián)合頻道：

EFR32MG1 可以接收比聚合 Wi-Fi 傳輸功率低 6 dB 的 IEEE 802.15.4 信號（100% 占空比）

EM35x/EM358x 帶有和不帶有用于增強信號的前端模塊 （FEM） 可以接收 IEEE 802.15.4 信號，該信號比總 Wi-Fi 傳輸功率低 6 dB（100% 占空比）。

IEEE 802.15.4 傳輸也可能被 Wi-Fi 傳輸功率阻止 IEEE 802.15.4 -75 dBm 暢通信道評估 （CCA） 閾值

相鄰頻道：

EFR32MG1 可以接收 -80 dBm IEEE 802.15.4 信號，具有 -35 dBm 或更弱的 Wi-Fi 發(fā)射功率（100% 占空比）。

不帶 FEM 的 EM35x/EM358x 可以接收 -80 dBm IEEE 802.15.4 信號，Wi-Fi 發(fā)射功率為 -38 dBm 或更弱（100% 占空比），啟用 Skyworks SE2432L FEM 低噪聲放大器 （LNA） 時為 -43 dBm 或更弱

“遠(yuǎn)方”頻道：

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

不帶 FEM 的 EM35x/EM358x 可以接收 -80 dBm IEEE 802.15.4 信號，Wi-Fi 發(fā)射功率為 -22 dBm 或更弱（100% 占空比），啟用 Skyworks SE2432L FEM LNA 時為 -27 dBm 或更弱

在現(xiàn)實環(huán)境中，Wi-Fi 通常不是 100% 的占空比，并且僅在低 Wi-Fi SNR 條件下的文件傳輸或視頻流期間接近 100%。在前面的三個圖中，EFR32MG1 設(shè)備（或 EM35x/EM358x）接收靈敏度會隨著 Wi-Fi 阻止程序的打開/關(guān)閉而變化。最終結(jié)果是在 Wi-Fi 關(guān)閉時能夠看到較弱的信號，但在強 Wi-Fi 開啟（主動傳輸）時則看不到。

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。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)通過附近的強大 Wi-Fi 最大限度地提高 EFR32MG1 或 EM35x/EM358x 消息成功率的指導(dǎo)。

實現(xiàn)頻率分離

從上一節(jié)的觀察來看，IEEE 802.15.4 的同信道操作與 100% 占空比 Wi-Fi 會阻止大部分 IEEE 802.15.4 消息，因此必須避免。此外，EFR32MG1 在“遠(yuǎn)”信道情況下比在相鄰信道情況下可容忍強 20 dB 的 Wi-Fi 信號。IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)性能通過最大化 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)和 IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)之間的頻率分離來提高。

如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 無線電是通過一個公共主機（MCU 控制兩個無線電）實現(xiàn)的，那么主機應(yīng)該嘗試最大化頻率分離。對于 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，接入點 （AP） 建立初始通道，并且在自動通道配置中，可以使用通道切換公告（在 IEEE 802.11h 中引入）自由地將網(wǎng)絡(luò)移動到另一個通道以安排通道更改。

以 20 MHz 帶寬運行 Wi-Fi

由于 Wi-Fi/IEEE 802.11n 使用 OFDM 子載波，來自這些子載波的三階失真產(chǎn)物在 Wi-Fi 通道的任一側(cè)擴展了一個帶寬。IEEE 802.11n 可以在 20 MHz 或 40 MHz 模式下運行。如果在 40 MHz 模式下運行，則 80 MHz ISM 頻段中的 40 MHz 被 Wi-Fi 信道消耗。但是，每側(cè)額外的 40 MHz 可能會受到三階失真產(chǎn)物的影響。這些三階產(chǎn)品會阻塞 IEEE 802.15.4 接收器，并且是相鄰信道性能比“遠(yuǎn)”信道性能差 20 dB 的主要原因。

在為 IEEE 802.11n 提議 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)過程中，任何 Wi-Fi 站點都可以設(shè)置 HT Capabilities Information 中的“四十兆赫不容忍”位。該位通知 Wi-Fi 接入點存在其他 2.4 GHz ISM 設(shè)備，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 無線電是通過一個共同的主機實現(xiàn)的，那么主機應(yīng)該讓 Wi-Fi 無線電在關(guān)聯(lián)期間設(shè)置“40 MHz 不容忍”位以強制 Wi-Fi 進(jìn)入 20 MHz 模式，從而提高IEEE 802.15.4 性能。

如果應(yīng)用需要 Wi-Fi 在 40 MHz 模式下運行，則必須通過將 Wi-Fi 通道和 IEEE 802.15.4 通道放置在 2.4 GHz ISM 頻段的兩端來最大化頻率分離。

增加天線隔離度

根據(jù)上一節(jié)的觀察，最小化 IEEE 802.15.4 RF 輸入看到的 Wi-Fi 能量可以提高 802.15.4 接收范圍。例如，在具有 100% Wi-Fi 占空比的“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)射器和 IEEE 802.15.4 RF 輸入之間的 25 dB 或更多天線隔離足以始終接收 -80 dBm 802.15.4 信號，Wi-Fi開或關(guān)。

可以通過以下方式提高天線隔離度：

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，可指向 Wi-Fi 天線

使用 zigbee/Thread 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，Silicon Labs EmberZNet PRO 堆棧還實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò) （NWK） 重試，包裝 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 FEM（或在旁路中操作 FEM LNA）

EFR32MG1 SoC 等設(shè)備可提供近 +20 dBm 的發(fā)射功率，并具有出色的接收器靈敏度，無需外部 FEM。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 以擴大范圍（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性能。

為了在存在強 Wi-Fi 阻斷器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 阻斷器的接收靈敏度會得到改善。

作者：Terry Dickey，David Egan

審核編輯：郭婷