2.4 GHz频段的非托管共存技术的研究

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。

将 Wi-Fi 无线电添加到家庭自动化控制器中将推动物联网设备在互联家庭中的增长，因为这将提供从家庭设备到互联网和云服务的连接。ABI Research 的预测表明，虽然 2017 年每个家庭控制器的平均出货量将少于 7 台，但到 2020 年，这个数字将上升到每个家庭控制器平均出货近 10 台设备。ON World 报告考虑了更广泛的无线传感器网络市场（包括家庭自动化），在 2020 年预计出货的 20 亿无线传感器节点 （WSN） 设备中，七分之一将包含 Wi-Fi 无线电。

物联网的增长与家庭控制器中包含 Wi-Fi 无线电的增长以及家庭控制器与家庭网关/路由器的融合密切相关。

Wi-Fi 共存策略的必要性

如图 1 所示，预计终端设备与控制器的比率会增加，这也意味着家庭控制器本身将更加忙于射频流量，因为它将处理更多的终端节点（通过 IEEE 802.15.4 连接）和其他低功耗无线网络。结果是这些控制器上的低功率无线电的占空比增加。有效的共存策略必须确保管理 Wi-Fi 和其他无线电协议之间的干扰，并将其对整体系统性能的影响降至最低。

【图1 | 智能家居控制器和智能家居设备之间的关系随时间推移。］

过去，Wi-Fi 与低功耗、低数据速率无线电之间的共存策略，如家用控制器中的 IEEE 802.15.4/zigbee，并不是一个大问题，而研究，如 Thonet、Allard-Jacquin & Colle 专注于无线网络和网络内设备之间不受管理的共存，而不是设备内并置的无线电。对于数量有限的包含 Wi-Fi 无线电的家庭控制器，简单的机制足以在一个无线电传输时停止另一个无线电传输。很容易看出为什么到目前为止这是一种适当的方法：

迄今为止，大多数家庭自动化实施都是由家庭自动化系统驱动的，与云的 Wi-Fi 或以太网连接是附加功能，而不是主要功能

到目前为止，家庭网关通常在设计中只有一个低功率无线电以及 Wi-Fi

部署的家庭自动化系统的总量相对较低

随着家庭自动化变得越来越主流，越来越多的家庭网关和接入点制造商以及互联网服务提供商 （ISP） 将在其支持 Wi-Fi 的网关中引入低功率无线电。此外，除了 Wi-Fi 之外，这些网关可能包含多个低功率无线电，在某些情况下，单个网关中可能包含多达三个或四个 2.4 GHz 无线电，允许蓝牙和一两个IEEE 802.15.4 无线电（例如 zigbee 和 Thread）。因此，需要管理共存策略来确保板上的所有无线电都能成功运行。

2.4 GHz ISM 频段支持 Wi-Fi （IEEE 802.11b/g/n）、zigbee 和 Thread （IEEE 802.15.4）、蓝牙和低功耗蓝牙。这些不同的 2.4 GHz 无线电标准同时和同地运行会降低一个或多个无线电的性能。为了提高抗干扰能力，每个 2.4 GHz ISM 无线电标准都支持某种程度的冲突避免和/或消息重试能力。在低数据吞吐率、低功率水平和/或足够的物理分离条件下，这些 2.4 GHz ISM 标准可以共存，而不会对性能产生重大影响。然而，最近的客户趋势使共存变得更加困难：

增加“扩展范围”的 Wi-Fi 传输功率水平

+30 dBm Wi-Fi 接入点现在很常见

增加 Wi-Fi 吞吐量

根据可实现的信噪比 （SNR），文件传输和/或视频流的高吞吐量要求可能会导致 2.4 GHz ISM 频段内的高 Wi-Fi 占空比

将 Wi-Fi、zigbee、Thread 和蓝牙低功耗 （BLE） 集成到同一设备中以实现网关功能（家庭自动化和安全应用需要这种集成，并使用蓝牙低功耗提供更轻松的终端节点调试）

Wi-Fi 对 zigbee 和 Thread 的影响

在全球范围内，Wi-Fi 在 2.4 GHz ISM 频段上支持多达 14 个重叠的 20/22 MHz 带宽信道，传输功率水平高达 +30 dBm。同样，2.4 GHz zigbee 和 Thread 支持 16 个不重叠的 2 MHz 带宽通道，间隔为 5 MHz，发射功率高达 +20 dBm。这些 Wi-Fi 和 zigbee/Thread 通道映射如图 2 所示。

【图2 | 802.15.4 和 802.11b/g/n 信道映射（全球）。］

实际可用频道因国家/地区而异。例如，在美国，Wi-Fi 信道 1 到 11 可用，zigbee 信道 11 到 26 可用，尽管信道 25 和 26 需要降低发射功率水平才能满足 FCC 要求。

为了更好地了解 Wi-Fi 对 zigbee 和 Thread 的影响，Silicon Labs 测量了 100% 占空比 IEEE 802.11n（MCS3，20 MHz 带宽）阻塞器在接收 IEEE 802.15.4 消息时以各种功率级别传输的影响以不同的功率电平传输。同频道、邻频道和“远”频道的结果如下三张图所示。所有 IEEE 802.11n 和 IEEE 802.15.4 功率级别均参考 Silicon Labs Wireless Gecko SoC （EFR32MG1） RF 输入。该测试应用程序是使用 Silicon Labs 的 EmberZNet PRO （zigbee） 堆栈开发的，该堆栈具有在基于 EFR32MG 的被测设备 （DUT） 上运行的测试应用程序 （NodeTest） 和用于控制 DUT 和 RF 测试设备的测试脚本。由于这是一项针对 IEEE 802.15.4 的测试，因此 Wi-Fi 阻塞线程的结果相同。

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

【图4 | 100% 占空比 802.11n 阻塞器，在相邻通道具有所需的 802.15.4。］

【图5 | 100% 占空比 802.11n 阻塞器，在“远方”通道上带有所需的 802.15.4。］

从这三个数字以及使用 EM35x/EM358x 设备（未显示）的其他测量结果来看，关于 Wi-Fi 对 zigbee/Thread 影响的主要观察结果是：

联合频道：

EFR32MG1 可以接收比聚合 Wi-Fi 传输功率低 6 dB 的 IEEE 802.15.4 信号（100% 占空比）

EM35x/EM358x 带有和不带有用于增强信号的前端模块 （FEM） 可以接收 IEEE 802.15.4 信号，该信号比总 Wi-Fi 传输功率低 6 dB（100% 占空比）。

IEEE 802.15.4 传输也可能被 Wi-Fi 传输功率阻止 IEEE 802.15.4 -75 dBm 畅通信道评估 （CCA） 阈值

相邻频道：

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

不带 FEM 的 EM35x/EM358x 可以接收 -80 dBm IEEE 802.15.4 信号，Wi-Fi 发射功率为 -38 dBm 或更弱（100% 占空比），启用 Skyworks SE2432L FEM 低噪声放大器 （LNA） 时为 -43 dBm 或更弱

“远方”频道：

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

不带 FEM 的 EM35x/EM358x 可以接收 -80 dBm IEEE 802.15.4 信号，Wi-Fi 发射功率为 -22 dBm 或更弱（100% 占空比），启用 Skyworks SE2432L FEM LNA 时为 -27 dBm 或更弱

在现实环境中，Wi-Fi 通常不是 100% 的占空比，并且仅在低 Wi-Fi SNR 条件下的文件传输或视频流期间接近 100%。在前面的三个图中，EFR32MG1 设备（或 EM35x/EM358x）接收灵敏度会随着 Wi-Fi 阻止程序的打开/关闭而变化。最终结果是在 Wi-Fi 关闭时能够看到较弱的信号，但在强 Wi-Fi 开启（主动传输）时则看不到。

非托管共存

非托管共存依赖于无线协议的固有特性、简单的配置工具或网络管理。Wi-Fi 无线电和其他物联网无线电之间没有特定的握手。以下非托管共存建议提供了有关通过附近的强大 Wi-Fi 最大限度地提高 EFR32MG1 或 EM35x/EM358x 消息成功率的指导。

实现频率分离

从上一节的观察来看，IEEE 802.15.4 的同信道操作与 100% 占空比 Wi-Fi 会阻止大部分 IEEE 802.15.4 消息，因此必须避免。此外，EFR32MG1 在“远”信道情况下比在相邻信道情况下可容忍强 20 dB 的 Wi-Fi 信号。IEEE 802.15.4 网络性能通过最大化 Wi-Fi 网络和 IEEE 802.15.4 网络之间的频率分离来提高。

如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 无线电是通过一个公共主机（MCU 控制两个无线电）实现的，那么主机应该尝试最大化频率分离。对于 Wi-Fi 网络，接入点 （AP） 建立初始通道，并且在自动通道配置中，可以使用通道切换公告（在 IEEE 802.11h 中引入）自由地将网络移动到另一个通道以安排通道更改。

以 20 MHz 带宽运行 Wi-Fi

由于 Wi-Fi/IEEE 802.11n 使用 OFDM 子载波，来自这些子载波的三阶失真产物在 Wi-Fi 通道的任一侧扩展了一个带宽。IEEE 802.11n 可以在 20 MHz 或 40 MHz 模式下运行。如果在 40 MHz 模式下运行，则 80 MHz ISM 频段中的 40 MHz 被 Wi-Fi 信道消耗。但是，每侧额外的 40 MHz 可能会受到三阶失真产物的影响。这些三阶产品会阻塞 IEEE 802.15.4 接收器，并且是相邻信道性能比“远”信道性能差 20 dB 的主要原因。

在为 IEEE 802.11n 提议 40 MHz 模式时，Wi-Fi 标准预计当 Wi-Fi 在 40 MHz 模式下运行时其他 2.4 GHz ISM 设备可能会出现问题。在关联过程中，任何 Wi-Fi 站点都可以设置 HT Capabilities Information 中的“四十兆赫不容忍”位。该位通知 Wi-Fi 接入点存在其他 2.4 GHz ISM 设备，强制整个 Wi-Fi 网络进入 20 MHz 模式。

如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 无线电是通过一个共同的主机实现的，那么主机应该让 Wi-Fi 无线电在关联期间设置“40 MHz 不容忍”位以强制 Wi-Fi 进入 20 MHz 模式，从而提高IEEE 802.15.4 性能。

如果应用需要 Wi-Fi 在 40 MHz 模式下运行，则必须通过将 Wi-Fi 通道和 IEEE 802.15.4 通道放置在 2.4 GHz ISM 频段的两端来最大化频率分离。

增加天线隔离度

根据上一节的观察，最小化 IEEE 802.15.4 RF 输入看到的 Wi-Fi 能量可以提高 802.15.4 接收范围。例如，在具有 100% Wi-Fi 占空比的“远距离”信道情况下，当 EFR32MG1 输入端的 Wi-Fi 能量为 -15 dBm 或更低时，可以接收到 -80 dBm IEEE 802.15.4 消息。如果 Wi-Fi 发射功率电平为 +10 dBm，则 Wi-Fi 发射器和 IEEE 802.15.4 RF 输入之间的 25 dB 或更多天线隔离足以始终接收 -80 dBm 802.15.4 信号，Wi-Fi开或关。

可以通过以下方式提高天线隔离度：

增加天线之间的距离——在开放空间中，接收到的远场功率与 1/R2 成正比，其中 R 是天线之间的距离

利用天线方向性 -单极天线沿天线轴提供零点，可指向 Wi-Fi 天线

使用 zigbee/Thread 重试机制

IEEE 802.15.4 规范要求在 MAC 层重试。为了进一步提高消息传递的稳健性，Silicon Labs EmberZNet PRO 堆栈还实现了网络 （NWK） 重试，包装 MAC 重试。用户应用程序还可以利用 APS 重试，包装 NWK 重试。

移除 FEM（或在旁路中操作 FEM LNA）

EFR32MG1 SoC 等设备可提供近 +20 dBm 的发射功率，并具有出色的接收器灵敏度，无需外部 FEM。但是，许多其他 IEEE 802.15.4 无线电使用外部 FEM 将发射功率增加到 +20 dBm 以扩大范围（在允许这样做的地区（例如美洲））。额外的 FEM LNA 接收增益也提高了灵敏度，但在存在强 Wi-Fi 的情况下会降低线性性能。

为了在存在强 Wi-Fi 阻断器的情况下获得最佳接收灵敏度，请消除 FEM，或在旁路模式下操作 FEM LNA。此建议是一种权衡，因为启用 FEM LNA 增益后，没有 Wi-Fi 阻断器的接收灵敏度会得到改善。

作者：Terry Dickey，David Egan

审核编辑：郭婷