Wi-Fi和Zigbee/Thread的托管共存技术

未经许可的 2.4 GHz 频段的无线共存研究和缓解技术已经存在至少 20 年。问题在于，不同的 2.4 GHz 无线技术满足相同设备的不同需求，因此必须同时运行而不会显着降低性能。这篇由两部分组成的文章讨论了对 Wi-Fi 和 Zigbee/Thread 托管共存的日益增长的需求，并通过工业设计、共同管理技术和 2.4 GHz 频段物联网 （IoT） 应用的最佳实践探索了共存技术。在第一部分中，我们讨论了非托管共存的要素。在第二部分中，我们将重点关注托管共存。

更高的 Wi-Fi 传输功率、更高的 Wi-Fi 吞吐量以及将 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 无线电集成到同一设备中的市场趋势具有以下影响：

优点：

主机可实现Wi-Fi和IEEE 802.15.4的频率分离

共置 Wi-Fi 可以强制 Wi-Fi 网络达到 20 MHz 带宽

Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 无线电可以在 2.4 GHz 工业、科学和医疗 （ISM） 传输和接收上进行通信

缺点：

更高的 Wi-Fi 发射功率需要更大的天线隔离度

更高的 Wi-Fi 吞吐量导致更高的 Wi-Fi 占空比

天线隔离受设备尺寸限制（仅 15-20 dB 隔离并不罕见）

假设频率分离实现了“远距离”信道的情况，并且 Wi-Fi 仅使用 20 MHz 带宽，则在 100% 占空比下 +30 dBm Wi-Fi 发射功率电平需要 45 dB 天线隔离才能接收 -80 dBm IEEE 802.15。 4 条消息。这在具有共址 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 的小型设备中通常无法实现。

托管共存利用位于同一位置的 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 无线电之间的通信来协调每个无线电对 2.4 GHz ISM 频带的访问以进行传输和接收。Silicon Labs 为 EFR32 无线 SoC 实施了一种协调方案，该方案与支持数据包流量仲裁 （PTA） ［1］ 的 Wi-Fi 设备兼容。这种基于 PTA 的协调允许 EFR32 在接收消息或想要传输消息时向 Wi-Fi 发出信号。当 Wi-Fi 设备意识到 EFR32 SoC 需要 2.4 GHz ISM 频段时，任何 Wi-Fi 传输都可以延迟，从而提高 zigbee/Thread 消息的可靠性。

PTA 支持硬件选项

PTA 在 IEEE 802.15.2 （2003） 第 6 条中进行了描述，是一种建议，而不是标准。IEEE 802.15.2 最初解决了 IEEE 802.11b 和 IEEE 802.15.1（蓝牙经典）之间的共存问题，并且没有描述确切的硬件配置。但是，IEEE 802.15.2 建议 PTA 实现考虑以下内容（以大写字母表示的 PTA 命令）：

从 IEEE 802.11b 到 PTA 的 TX REQUEST 和从 IEEE 802.15.1 到 PTA 的 TX REQUEST

从 PTA 到 IEEE 802.11b 的 TX CONFIRM 和从 PTA 到 IEEE 802.15.1 的 TX CONFIRM

来自两个无线电的状态信息：

无线电状态 ［TX、RX 或空闲］

当前和未来的 TX/RX 频率

TX/RX 开始和持续时间的未来预期

数据包类型

优先级（固定、随机或基于 QoS）

在考虑无线电状态、发送/接收和频率时，IEEE 802.15.2 描述了干扰可能性，如表 1 所示。

［表 1 | IEEE 802.15.2 2.4 GHz ISM 共址无线电干扰可能性。］

从表 1 中可以看出，托管共存还需要针对非托管共存的频率分离建议：

IEEE 802.15.2“带内”等同于同频道（Wi-Fi 对同频道 IEEE 802.15.4 的显着影响）

IEEE 802.15.4“带外”覆盖相邻和“远距离”通道（“远距离”通道与相邻通道相比提高约 20 dB）

因此，对于托管共存，Silicon Labs 建议继续实施所有非托管共存建议：

频率分离

以 20 MHz 带宽运行 Wi-Fi

天线隔离

zigbee/线程重试机制

旁路中的 FEM LNA

在审查现有 PTA 实施时，Silicon Labs 发现 PTA 主实施已集成到许多制造商的许多 Wi-Fi 设备中，但并非所有 Wi-Fi 设备都支持 PTA 接口。图 1 显示了最常见的支持蓝牙的 Wi-Fi/PTA 实施。

【图1 | 典型的 Wi-Fi/蓝牙 PTA 实施。］

3线PTA

常见 PTA 配置的一个示例是图 1 中所示的 3 线配置。在这种情况下，PRIORITY 信号与 REQUEST 和 GRANT 一起使用，以表示正在接收或发送高优先级或低优先级消息。 当收到请求时，Wi-Fi/PTA 设备会将此外部优先级请求与内部 Wi-Fi 优先级（可能是高/低或高/中/低）进行比较，并且可以选择 GRANT Bluetooth 或 Wi-Fi （注意：优先级可以实现为静态或分时（增强）优先级）。

静态：在为发送或接收操作置位的 REQUEST 期间，PRIORITY 为高或低

分时：在 REQUEST 置位后，PRIORITY 在典型的 20 µs 持续时间内为高或低，但在接收操作期间切换为低，在发送操作期间切换为高

鉴于 IEEE 802.15.4 的射频占空比相对较低，在 EFR32 PTA 在 2 线模式下运行时，始终可以在 Wi-Fi/PTA 输入处断言静态优先级。这释放了 EFR32 上的 GPIO 引脚并消除了电路板走线。

试验结果

Silicon Labs 使用多个 Wi-Fi 芯片组对 IEEE 802.15.4 的 PTA 实施进行了广泛的测试。总之，以下观察基于测量结果：

活动 Wi-Fi 期间网络形成成功

PTA 功能大大提高了 802.15.4 网络形式的成功率。在“遥远”的渠道案例中观察到了最显着的改进。

即使启用了 PTA 功能，网络形成也成功：

由于网络形式使用广播、非 ACK 消息，因此不如吞吐量流量健壮。

最适合“远距离”频道，但在与 Wi-Fi 同频道或相邻频道时会降级。

当 CoEx Wi-Fi 主要以高 Wi-Fi RF 占空比传输时受影响最大。

MAC 在活动 Wi-Fi 期间重试

PTA 功能大大减少了 802.15.4 MAC 重试；CoEx zigbee 传输时几乎消除了重试。

即使启用了 PTA 功能，MAC 也会重试：

在“远距离”信道上降低最多，但在同信道或相邻信道到 Wi-Fi 时降级。

当 CoEx zigbee 主要以高 Wi-Fi RF 占空比接收时受影响最大。

活动 Wi-Fi 期间消息失败

PTA 功能大大减少了 802.15.4 消息失败。当 CoEx zigbee 正在传输而不是同信道到 Wi-Fi 时，消息故障几乎被消除。

即使启用了 PTA 功能，消息丢失：

在“远距离”频道上减少最多，但在同频道或相邻频道到 Wi-Fi 时会降级。

当 CoEx zigbee 主要以高 Wi-Fi RF 占空比接收时受影响最大。

图 2 显示了 Silicon Labs 进行的一项测试的结果，并强调了 PTA 在启用时对存在 Wi-Fi 时的 zigbee 消息失败率的积极影响。通过重新启用 APS 重试（在下面的图 2 所示的测试中禁用）可以进一步减少消息失败。

【图2 | 消息失败（百分比）：CoEx Wi-Fi 流 =》 远程 Wi-Fi 和远程 zigbee =》 CoEx zigbee RX 流。］

结论

随着物联网 （IoT） 的扩展和发展，越来越多的支持 Wi-Fi 的网关将添加蓝牙、zigbee、Thread 和其他无线协议，以实现与家庭和建筑物中的连接设备的通信。此外，随着家庭和楼宇自动化系统越来越多地添加云连接，越来越多的家庭控制器将在其现有的低功耗无线电中添加 Wi-Fi。因此，包含 Wi-Fi 和其他 2.4 GHz 无线电和协议（包括蓝牙低功耗 （BLE） 和基于 IEEE 802.15.4 的 zigbee 和 Thread）的网关/控制器类型设备的数量将大幅增长。

位于同一地点的强大 Wi-Fi 会对 IEEE 802.15.4 性能产生重大影响。IEEE 802.15.4 与共址 Wi-Fi 的性能可以通过非托管和托管共存技术得到改进。非托管共存建议包括：

实现频率分离

以 20 MHz 带宽运行 Wi-Fi

增加天线隔离度

使用 zigbee/Thread 重试机制

移除 FEM（或在旁路中操作 FEM LNA）。

随着更高 Wi-Fi TX 功率、更高 Wi-Fi 吞吐量以及将 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 无线电集成到同一设备中的市场趋势，单独的非托管技术可能证明是不够的，因此托管共存解决方案变得必要。即使使用托管共存解决方案，仍然需要所有非托管共存建议。

Wi-Fi/IEEE 802.15.4 共存测试结果表明，使用 PTA 时 IEEE 802.15.4 性能有显着提升：

改进的网络形成成功：

然而，网络形成利用广播消息，这些消息不会重试

如果可能，可以通过在设备加入 IEEE 802.15.4 网络期间暂时减少 Wi-Fi 流量来进一步提高网络组建成功率

大幅减少 MAC 重试次数：

减少消息延迟

提高终端节点电池寿命

频率分离仍然很重要，因为最佳管理的共存性能适用于“远距离”信道

大大减少了消息失败：

即使在高 Wi-Fi 占空比期间，IEEE 802.15.4 网络仍可正常运行。

作者：Terry Dickey，David Egan

审核编辑：郭婷