Wi-Fi和zigbee/Thread托管共存日益增长的需求

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了至少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，而不会出现明显的性能下降。这篇由两部分组成的文章讨论了对 Wi-Fi 和 zigbee/Thread 托管共存日益增长的需求，并通过工业设计、共管理技术和 2.4 GHz 频段中物联网 （IoT） 应用的最佳实践探讨了共存技术。

将Wi-Fi无线电添加到家庭自动化控制器中将成为互联家庭中物联网设备增长的推动力，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 年每个家用控制器平均出货的设备不到 7 台，但到 2020 年，这一数字将上升到平均每个家用控制器出货近 10 台设备［1］。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），并预测，在预计将于 2020 年出货的 20 亿个无线传感器节点 （WSN） 设备中，七分之一将包含 Wi-Fi 无线电［2］。

物联网的发展与家庭控制器中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。

对 Wi-Fi 共存策略的需求

预计终端设备与控制器的比率将增加（如图1所示），这也意味着主控制器本身将变得更加繁忙RF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低功耗无线电的占空比增加。有效的共存策略必须确保Wi-Fi和其他无线电协议之间的干扰得到管理，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［1］。

过去，Wi-Fi与低功耗、低数据速率无线电（如家用控制器中的IEEE 802.15.4/zigbee）之间的共存策略并不是一个大问题，而Thonet、Allard-Jacquin &colle等研究主要集中在无线网络和网络内设备之间的非托管共存，而不是并置在设备内的无线电［3］。对于包含Wi-Fi无线电的有限数量的家庭控制器，简单的机制足以在一个无线电上停止传输而另一个无线电正在传输时。很容易看出为什么到目前为止，这是一个适当的方法：

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或以太网连接是一项附加功能，而不是主要功能。

到目前为止，家庭网关在设计中通常只有一个低功耗无线电以及Wi-Fi。

部署的家庭自动化系统总量相对较低

随着家庭自动化变得越来越主流，更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的网关中引入低功耗无线电。此外，除了Wi-Fi之外，这些网关可能还包含多个低功耗无线电，并且在某些情况下，单个网关中可能具有多达三个或四个2.4 GHz无线电，从而允许蓝牙和一个或两个IEEE 802.15.4无线电（例如zigbee和Thread）。因此，需要托管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 频段支持无线 （IEEE 802.11b/g/n）、压缩比和线程 （IEEE 802.15.4）、蓝牙和低功耗蓝牙。这些不同的 2.4 GHz 无线电标准同时协同工作可能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 无线电标准都支持一定程度的冲突避免和/或报文重试功能。在低数据吞吐速率、低功耗水平和/或足够的物理分离下，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：

提高 Wi-Fi 发射功率水平，实现“扩展范围”

+30 dBm 的无线网络接入点现在很常见

提高无线网络吞吐量

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，并使用低功耗蓝牙提供更轻松的终端节点调试）

无线网络对银河和线程的影响

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，发射功率水平高达 +30 dBm。同样，2.4 GHz zigbee 和 Thread 支持 16 个非重叠 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/线程信道映射如图 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 至 11 可用，zigbee 信道 11 至 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，硅实验室测量了100%占空比IEEE 802.11n（MCS3，20 MHz带宽）阻塞器在各种功率水平下传输的影响，同时接收以各种功率水平传输的IEEE 802.15.4消息。同通道、相邻通道和“远”通道的结果如下三个图所示。所有 IEEE 802.11n 和 IEEE 802.15.4 功率级别均参考硅实验室无线壁虎 SoC （EFR32MG1） 射频输入。测试应用程序是使用硅实验室的EmberZNet PRO（zigbee）堆栈开发的，测试应用程序（NodeTest）在基于EFR32MG的被测设备（DUT）上运行，以及用于控制DUT和RF测试设备的测试脚本。由于这是一项以 IEEE 802.15.4 为重点的测试，因此 Wi-Fi 阻塞线程的结果完全相同。

［图 3 | 100% 占空比 802.11n 阻滞剂，在 Co-Channel 上具有所需的 802.15.4。

［图4|100%占空比802.11n阻断器，相邻通道上具有所需的802.15.4。

［图 5 | 100% 占空比 802.11n 阻塞器，在“远距离”通道上具有所需的 802.15.4。

从这三个数字，以及使用EM35x/ EM358x设备（未显示）进行的其他测量，关于Wi-Fi对zigbee /Thread的影响的关键观察结果是：

联合频道：

EFR32MG1 可以接收 IEEE 802.15.4 信号，其亮度比总 Wi-Fi 发射功率（100% 占空比）低 6 dB

带或不带前端模块 （FEM） 的 EM35x/EM358x 可增强信号，可接收 IEEE 802.15.4 信号，其亮度比 Wi-Fi 总发射功率（100% 占空比）低 6 dB。

IEEE 802.15.4 传输也可能被 Wi-Fi 发射功率触发 IEEE 802.15.4 -75 dBm 清除信道评估 （CCA） 阈值所阻止

相邻频道：

EFR32MG1 可以接收 -80 dBm 的 IEEE 802.15.4 信号，其 Wi-Fi 发射功率为 -35 dBm 或较弱（占空比为 100%）。

不带 FEM 的 EM35x/EM358x 可以接收 -80 dBm 的 IEEE 802.15.4 信号，发射功率为 -38 dBm 或较弱 Wi-Fi 发射功率（占空比为 100%），启用 Skyworks SE2432L 有限元低噪声放大器 （LNA） 时，可接收 -43 dBm 或更弱的信号

“远方”频道：

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

不带 FEM 的 EM35x/EM358x 可以接收 -80 dBm 的 IEEE 802.15.4 信号，发射功率为 -22 dBm 或较弱的 Wi-Fi 发射功率（占空比为 100%），在启用 Skyworks SE2432L 有限元有限元有限元时，可接收 -27 dBm 或更弱的信号

在现实环境中，Wi-Fi通常不是100%的占空比，只有在低Wi-Fi SNR条件下的文件传输或视频流期间才接近100%。在前三个图中，EFR32MG1 设备（或 EM35x/EM358x）的接收灵敏度随着 Wi-Fi 阻止程序的打开/关闭而变化。最终结果是，当 Wi-Fi 关闭时，能够看到较弱的信号，但当强 Wi-Fi 打开（主动传输）时，则无法看到较弱的信号。

非托管共存

非托管共存依赖于无线协议、简单配置工具或网络管理的固有特征。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在附近强大的 Wi-Fi 下最大限度地提高 EFR32MG1 或 EM35x/EM358x 消息成功的指导。

实现频率分离

根据上一节中的观察结果，IEEE 802.15.4 与 100% 占空比 Wi-Fi 的协同信道操作会阻止大多数 IEEE 802.15.4 消息，必须避免。此外，EFR32MG1 在“远距离”信道情况下可承受比相邻信道箱强 20 dB 的 Wi-Fi 信号。通过最大化 Wi-Fi 网络和 IEEE 802.15.4 网络之间的频率分离，提高了 IEEE 802.15.4 网络性能。

如果Wi-Fi和IEEE 802.15.4无线电是使用公共主机（控制两个无线电的MCU）实现的，则该主机应尝试最大化频率分离。对于 Wi-Fi 网络，接入点 （AP） 建立初始信道，并且在自动信道配置中，可以使用信道交换机公告（在 IEEE 802.11h 中引入）将网络自由移动到另一个信道，以安排信道更改。

以 20 MHz 的带宽运行无线网络

由于 Wi-Fi/IEEE 802.11n 使用 OFDM 子载波，因此来自这些子载波的三阶失真产物在 Wi-Fi 信道的任一侧扩展了一个带宽。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，则 80 MHz ISM 频段的 40 MHz 频率段将由 Wi-Fi 信道占用。但是，每侧的额外40 MHz可能会受到三阶失真产物的影响。这些三阶产品可能会阻塞IEEE 802.15.4接收器，并且是相邻信道性能比“远距离”信道性能差20 dB的主要原因。

在为IEEE 802.11n提出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。在关联期间，任何 Wi-Fi 站都可以在 HT 功能信息中设置“四十 MHz 不耐受”位。此位通知 Wi-Fi 接入点存在其他 2.4 GHz ISM 设备，从而强制整个 Wi-Fi 网络进入 20 MHz 模式。

如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 无线电是使用公共主机实现的，则该主机应在关联期间将 Wi-Fi 无线电设置为“四十 MHz 不容许”位，以强制 Wi-Fi 达到 20 MHz 模式，从而提高 IEEE 802.15.4 性能。

如果应用要求 Wi-Fi 在 40 MHz 模式下工作，则必须通过将 Wi-Fi 信道和 IEEE 802.15.4 信道放置在 2.4 GHz ISM 频段的两端来最大化频率分离。

提高天线隔离度

根据上一节中的观察，最小化IEEE 802.15.4 RF输入看到的Wi-Fi能量可以改善802.15.4接收范围。例如，在 Wi-Fi 占空比为 100% 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 发射器与 IEEE 802.15.4 RF 输入之间 25 dB 或更高的天线隔离足以始终接收 -80 dBm 802.15.4 信号、Wi-Fi 开启或关闭。

通过以下方式可以提高天线隔离度：

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，该零点可指向 Wi-Fi 天线

使用 zigbee/线程重试机制

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，硅实验室的余烬网 PRO 堆栈还实现了网络 （NWK） 重试，包装了 MAC 重试。用户应用程序还可以利用 APS 重试，包装 NWK 重试。

移除有限元转换器（或在旁路操作有限元线性噪声）

EFR32MG1 SoC等器件可提供近+20 dBm的发射功率，并且无需外部有限元即可提供出色的接收器灵敏度。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以增加范围（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度性能。

为了在存在强 Wi-Fi 阻止程序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 阻塞器的接收灵敏度会得到提高。

审核编辑：郭婷