2.4 GHz無線共存已經存在至少20年了。真正的問題在于，不同的2.4 GHz無線技術滿足了同一設備的不同需求，因此必須要在同時運行而不會出現明顯的性能退化。本文針對對WiFi，zigbee和thread，通過工業設計、協同管理以及2.4 GHz頻段物聯網應用的***實踐，嘗試探索共存技術。

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在家庭自動化控制器中添加WiFi有助于家庭物聯網設備的增長，WiFi提供從家庭設備到互聯網和云服務的連接。 ABI Research的預測表明，平均而言，2017年的每個家庭控制器有不到7個設備的出貨量，但到2020年，這個數字將上升到每個家庭控制器平均控制10個設備[1]。 報告認為更廣泛的無線傳感器網絡市場(包括家庭自動化) ，在預計2020年將發布的20億無線傳感器節點(WSN)中，七分之一的無線傳感器節點將包含WiFi[2]。

物聯網的發展與在家庭控制器中加入WiFi以及將家庭控制器與家庭網關/路由器的協作密切相關。

對WiFi共存策略的需求

圖1 | 智能家居控制器與設備之間的關系

如圖1所示，預計終端設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絡。其結果是，這些控制器上低功率無線電的任務周期在不斷增加。有效的共存戰略必須確保對WiFi和其他無線電協議之間的干擾進行管理，并盡量減少其對整個系統性能的影響。

過去，在家庭控制器中，WiFi和低功耗、低數據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，研究集中在無線網絡和網絡內設備之間的非托管共存，而不是設備內部的無線搭配，如圖3所示。 對于數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:

• 以前大多數家庭自動化的實現都是由自動化系統驅動的，其中Wi-Fi或以太網連接到云計算是一個輔助功能
• 家庭網關大多只有一個低功耗無線電以及WiFi
• 部署的家庭自動化系統總量相對較低

隨著家居自動化變得越來越主流化，更多的家庭網關和接入點把低功耗無線電引入到WiFi網關。此外，除了WiFi之外，這些網關還可能有一個以上的低功耗無線電，并且在某些情況下，可以在一個網關中有多達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。在低的數據吞吐率，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:

• 為例“擴展范圍"而增加了WiFi傳輸功率等級
• +30 dBm 的WiFi AP現在很普遍
• Wi-Fi 吞吐量的日益增加
• 可達到的信噪比(SNR)，文件傳輸和/或視頻流的高吞吐量要求可能導致2.4 GHz ISM頻段內的高Wi-Fi工作周期
• 將 Wi-Fi、 zigbee、線程和低耗電藍牙(BLE)集成到同一個設備中，用于網關功能(這種集成是家庭自動化和安全應用程序所需要的，并且使用低耗電藍牙更容易在端點運行)

Wi-Fi 對 zigbee 和 Thread 的影響

在全球范圍內，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的IEEE 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、相鄰通道和"遠程"通道的結果。 該測試應用程序是利用一個基于EFR32MG1設備的測試應用程序(NodeTest)和一個控制 DUT與 RF 測試設備的測試腳本。 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

根據這三個圖，關于 Wi-Fi 對 zigbee / thread 的影響的主要觀察結果是:

共存信道

• EFR32MG1可接收 ieee802.15.4信號，低于總 Wi-Fi 傳輸功率(100% 的工作周期)
• EM35x/EM358x 具有和無前端模塊(FEM)以提高信號可接收 IEEE 802.15.4信號，低于總體 Wi-Fi 傳輸功率(100% 的任務周期)
• IEEE 802.15.4的傳輸也會被阻礙，如果Wi-Fi的傳輸功率跳過 IEEE 802.15.4的 -75 dBm 清晰通道評估(CCA)閾值

相鄰信道

• 在 -35 dBm 或較弱的 Wi-Fi 傳輸功率(100% 的任務周期)時候，EFR32MG1可接收一個-80dbm 的IEEE 802.15.4信號
• 在 -38 dBm 或較弱 Wi-Fi 傳輸功率(100% 的工作周期)時，沒有FEM的EM35x/EM358x可以接收一個-80dbm IEEE 802.15.4信號，有FEM LNA時，可以到 -43 dBm 或更弱。

遠程信道

• 在具有 -15dbm 或較弱的 Wi-Fi 傳輸功率(100% 的任務周期)時，EFR32MG1可接收一個 -80dbm IEEE 802.15.4信號
• 在具有-22dbm 或較弱 Wi-Fi 傳輸功率(100% 的工作周期) 時，在沒有FEM的 EM35x/EM358x可以接收一個 -80dbm IEEE 802.15.4信號，有FEM可以打動 -27 dBm 或更弱

在一個真實的環境中，Wi-Fi通常不是100% 的任務周期，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設備(或EM35x/EM358x) 接收的靈敏度隨著 Wi-Fi阻滯器的開關而變化。最終的結果是，當無線網絡關閉時，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議的固有特性、簡單的配置工具或網絡管理。 在 Wi-Fi和其他物聯網無線電之間沒有具體的握手信號。 與附近的強Wi-Fi環境中，下面的非托管共存建議可以***限度地擴大 EFR32MG1或EM35x/EM358x信息接收成功。

實現頻率分離

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***限度地提高Wi-Fi網絡和 IEEE 802.15.4網絡之間的頻率分離，可以提高網絡性能。

如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4在一個普通主機(MCU 控制兩個射頻)一起實現時，那么主機應該盡量使頻率分離***化。 對于Wi-Fi 網絡，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絡自由移動到另一個信道，以調度信道的變化。

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 標準預測到了與其他2.4 GHz ISM 設備的潛在問題。任何 Wi-Fi 站都可以在 HT 功能信息中設置"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 設備正在使用，迫使整個 Wi-Fi 網絡處于20兆赫的狀態。

如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4在一個公共主機一起實現，那么主機應該在關聯期間使用 Wi-Fi設置的"四十 MHz 不容忍"位，以迫使 Wi-Fi 處于20兆赫的狀態，以改善 IEEE 802.15.4性能。

如果應用程序要求 Wi-Fi 在40mhz 模式下運行，則必須在2.4 GHz 頻段的兩端設置 Wi-Fi信道和IEEE 802.15.4信道，使頻率分離***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:
• 增加天線之間的距離：在開放空間中，接收到的遠場功率與1/r2成正比，其中 r 是天線之間的距離

利用天線的方向性：單極子天線沿著天線的軸線提供一個零，它可以直接指向 Wi-Fi 天線

使用 zigbee / thread 重試機制

IEEE 802.15.4規范需要在 MAC 層重試。 為了進一步提高消息傳遞的穩健性，協議棧要實現網絡(NWK)重試，包裝了 MAC 重試。 用戶應用程序也可以利用 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***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、無線網絡吞吐量在增加以及 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4集成的市場趨勢有以下影響:

優點：

• 主機可以實現 Wi-Fi 和 ieee802.15.4之間的頻率分離
• 協同定位的 Wi-Fi 可以將 Wi-Fi 網絡強制到20 MHz 的帶寬
• Wi-fi 和 IEEE 802.15.4可以在2.4 GHz 的工業、科學和醫療(ISM)中傳輸和接收

缺點:

• 更高的 Wi-Fi 傳輸功率需要更大的天線隔離
• 更高的 Wi-Fi 吞吐量會導致更高的 Wi-Fi 工作周期
• 天線隔離受到設備大小的限制(只有15-20分貝的隔離并不罕見)

假設頻率分離實現了"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。 這在小型設備中通常不可能實現同時配備 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，以協調每個無線電對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 設備兼容的SoC 協調方案[4]。 這種基于PTA的協調使 EFR32能夠在接收信息或想要發送消息時向Wi-Fi發出信號。當 Wi-Fi 設備意識到 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 實現考慮以下內容(以大寫字母表示的 PTA 命令) :

• 從 IEEE 802.11 b 到 PTA 的 TX REQUEST 和來自 IEEE 802.15.1到 PTA 的 TX REQUEST
• TX CONFIRM 從PTA到IEEE 802.11 b 和 TX CONFIRM 從 PTA 到 IEEE 802.15.1
• 來自兩個無線的STATUS信息
• 目前及未來的TX/RX頻率
• TX/RX開始和持續時間的未來預期
• 數據包分組類型
• 優先級(固定、隨機或基于 QoS)

在考慮無線電狀態，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:

• IEEE 802.15.2的"In-Band"等效于共存通道(對共存頻道的IEEE 802.15.4， Wi-Fi有較大影響）
• IEEE 802.15.4 “Out-of-Band” 既包括鄰近信道，也包括遠程通道(遠程信道對鄰近信道的改善約20分貝)

因此，對于托管共存，建議繼續實施所有的非托管共存建議:

• 頻率分離
• 在20MHz頻段內操作Wi-Fi
• 天線隔離
• zigbee/Thread 重試機制
• 旁路FEM LNA

在審查現有的PTA實現時，發現PT 的主要實現已經被許多制造商集成到許多 Wi-Fi 設備中，但并不是所有的 Wi-Fi 設備都支持 PTA。 圖7顯示了支持藍牙的最常見的Wi-Fi/PTA實現。

圖7| 典型的 Wi-Fi/ 藍牙 PTA 實現

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先級或低優先級的消息。當接收請求時，Wi-Fi /PTA設備將這一外部優先級請求與內部 Wi-Fi 優先級進行比較，后者可能是高/低或高/中/低，并可選擇藍牙或 Wi-Fi (注: 優先權可以作為靜態或時間共享(增強)優先級實現)。

• 靜態: 在傳輸或接收操作的REQUEST期間，PRIORITY 不是很高就是很低
• 共享時間: 在REQUEST 聲明后，PRIORITY不是高就是低，但在接收操作期間切換到低，在傳輸操作期間高

由于IEEE 802.15.4 時相對較低的 RF 任務周期，靜態優先權總是可以在 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優先權。 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，網絡建立成功

• PTA功能大大提高了802.15.4的網絡簡歷成功。 在遠程信道的用例，改進最顯著
• 由于網絡的建立使用了廣播、非 ack 消息，所以沒有吞吐量流量的健壯性好
• 在遠程信道上表現***，但當與Wi-Fi共存或相鄰信道時，則會退化
• 當 Wi-Fi 主要在高頻工作周期傳輸時受到的影響***

MAC在活動的 Wi-Fi 中重試

• PTA功能大大減少了802.15.4 MAC 重試; 當 CoEx zigbee 傳輸時，重試幾乎被消除了
• 即使啟用了 PTA 功能，MAC 還是要重試:
• 在遠程信道上減少最多，但當與Wi-Fi 共存或相鄰信道時會降級
• 當 CoEx zigbee 主要在高 Wi-Fi RF 任務周期接收時受到的影響***

活動 Wi-Fi 期間的消息失敗

• PTA特性大大降低了802.15.4消息失敗。 當 CoEx zigbee 正在傳輸而不是與 Wi-Fi 共存信道時，消息失敗幾乎消失了
• 即使啟用了 PTA 功能，消息仍會丟失
• 在遠程信道上減少最多，但當與 Wi-Fi 共存或相鄰通道時會降級
• 當 CoEx zigbee 主要在高 Wi-Fi RF 任務周期接收時受到的影響***

圖8顯示了一個由Silicon Labs進行的測試結果，并強調了 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

結論

隨著物聯網的發展和發展，越來越多的Wi-Fi網關將增加藍牙、zigbee、Thread和其他無線協議，以便與家庭和建筑物中的連接設備進行通信。 此外，隨著家庭和智能建筑系統越來越多地增加云連接，越來越多的家庭控制器會將 Wi-Fi添加到現有的低功耗無線設備上。 因此，包括 Wi-Fi 和其他2.4 GHz 協議的網關/控制器類型設備的數量將大幅增加，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性能產生重大影響。 通過非托管和托管的共存技術，可以提高具有共存 Wi-Fi的性能。非托管共存包括:

1. 實現頻率分離
2. 使用帶有20兆赫頻帶的 Wi-Fi
3. 增加天線隔離
4. 使用 zigbee / thread 重試機制
5. 去除FEM或旁路FEM LNA 

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集成到同一個設備中，單靠非托管技術可能是不夠的，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:

改善組網的成功率

• 但是，網絡的形成利用了廣播信息，這些信息沒有重試
• 如果可能的話，在加入IEEE 802.15.4網絡的設備中，通過臨時減少 Wi-Fi 流量，可以進一步提高組網的成功率 #### 大幅減少MAC重試
• 減少消息延遲
• 提高端節點電池壽命
• 頻率分離仍然很重要，因為***的管理共存性能是為了"遠程"通道

大幅減少消息失敗

• 即使在高 Wi-Fi 的工作周期，IEEE 802.15.4網絡仍在運行。

本文編譯自http://www.embedded-computing.com/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

【本文來自51CTO專欄作者“老曹”的原創文章，作者微信公眾號：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】

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