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在2.4GHz共存WLAN、藍(lán)牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存

發(fā)布時(shí)間:2020-12-04 來源:安森美半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本白皮書介紹了無線技術(shù)在2.4 GHz ISM頻段運(yùn)行的的共存方案。許多流行的無線技術(shù)如無線局域網(wǎng)(WLAN)、藍(lán)牙、ZigBee、Thread等使用通用的2.4 GHz運(yùn)行。因此,它們可能會(huì)彼此干擾,降低所有相關(guān)鏈路的總輸送量。已知解決此類共存問題的方案包括共用通道的協(xié)作和非協(xié)作方案。我們探討Quantenna的4線分組流量仲裁器(PTA)協(xié)作方案的詳細(xì)資訊,并分析其對(duì)降低由于干擾導(dǎo)致性能退化的影響。視乎內(nèi)置的對(duì)共存技術(shù)的保護(hù),Quantenna的PTA可以減少一半甚至更多有問題的干擾。
 
前言
 
許多當(dāng)前流行的無線通訊技術(shù)如Wi-Fi®、藍(lán)牙[1],ZigBee[2]、Thread等使用相同的免授權(quán)的2.4 GHz頻段運(yùn)行。由于通道的共用性質(zhì),這些技術(shù)在同一時(shí)頻空間區(qū)域中運(yùn)行時(shí)會(huì)相互干擾。視乎干擾通道強(qiáng)度和傳輸功率,這種干擾會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的性能下降。其中一些技術(shù)內(nèi)置一些協(xié)議保護(hù)如載波偵聽、自我調(diào)整跳頻,跳頻等可部分避免其他使用同一通道的技術(shù)的干擾。
 
圖1描述了WLAN和藍(lán)牙模組位于同一QSR10G系統(tǒng)單晶片(SoC)的典型共存場景。WLAN接入點(diǎn)和藍(lán)牙主機(jī)共同置于QSR10G上。它顯示了WLAN站(STA)的兩種可能情況:STA靠近接入點(diǎn)時(shí)為近端情況,STA離接入點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)為遠(yuǎn)端情況。在近端情況下,STA可以聽到并置的藍(lán)牙主設(shè)備的傳輸,在遠(yuǎn)端情況下,STA無法聽到主設(shè)備的傳輸,這可同時(shí)引發(fā)WLAN RX(沒有QSR10G)和藍(lán)牙TX事件。視乎通道,在附近的WLAN STA和藍(lán)牙從站之間的鏈路可能存在或不存在。對(duì)任何一條鏈路的干擾都可能由于不確定的網(wǎng)路條件由這種隱藏節(jié)點(diǎn)情況引起。但是,在并置于QSR10G的兩種技術(shù)之間引入合作可減少某些干擾事件。例如,在給定時(shí)間限制一條鏈路處于活動(dòng)狀態(tài)。這種合作可以提高共用通道的有效性和所有相關(guān)鏈路的總輸送量。
 
在2.4GHz共存WLAN、藍(lán)牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
圖1. WLAN和藍(lán)牙用戶端聯(lián)接到1個(gè)QSR10G接入點(diǎn)(AP)的示例網(wǎng)絡(luò)
 
現(xiàn)有的共存方案
 
早在這些技術(shù)的開發(fā)過程中,就意識(shí)到了潛在的干擾問題和對(duì)共存方案的需求。IEEE 802.15.2標(biāo)準(zhǔn)[3](由IEEE 802.15共存任務(wù)組2開發(fā))解決了WLAN和WPAN網(wǎng)絡(luò)之間的共存問題。該標(biāo)準(zhǔn)描述了推薦的做法,并提供了干擾(在802.11b和802.15.1之間)的電腦模型。該標(biāo)準(zhǔn)描述了協(xié)作方案(在發(fā)射機(jī)并置時(shí)使用),例如:
 
●    交替通道接入(MAC層方案)
 
這種方法將信標(biāo)間隔分為兩個(gè)部分,并且兩種技術(shù)都使用了TDMA以避免干擾。
 
●    分組流量仲裁(MAC層方案)
 
單獨(dú)的PTA塊授權(quán)不同界面使用同一通道進(jìn)行所有傳輸。PTA塊根據(jù)流量負(fù)載和優(yōu)先順序來協(xié)調(diào)媒介的共用。
 
●    確定性干擾抑制(PHY層方案)
 
這種方法在WLAN接收器中使用可程式設(shè)計(jì)陷波濾波器來消除窄頻段藍(lán)牙干擾。
 
該標(biāo)準(zhǔn)還包含以下非協(xié)作方案:
 
●    自我調(diào)整干擾抑制(PHY層方案)
 
此方法在WLAN接收器處使用自我調(diào)整濾波以刪除窄帶干擾。
 
●    自我調(diào)整資料包選擇和調(diào)度(MAC層方案)
 
這種方法自我調(diào)整地選擇資料包屬性(有效載荷長度、向前糾錯(cuò)(FEC)碼和自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ))并調(diào)度低干擾區(qū)的流量。
 
●    自我調(diào)整跳頻
 
這種方法積極地估計(jì)并避免了通道在高干擾的WPAN處跳頻。
 
與非協(xié)作方案相比,協(xié)作方案在正交化通道接入方面效果更好,因此降低了潛在的干擾。但是,協(xié)作方案需要在相應(yīng)的共存技術(shù)之間緊密集成,并且經(jīng)常會(huì)涉及到硬件或軟件握手信號(hào)。
 
除上述技術(shù)外,跳頻協(xié)作方法還可減少同時(shí)接入同一通道的機(jī)會(huì)。用這種方法,并置的無線電避免使用公用頻率。例如,如果WLAN無線電正在通道1上運(yùn)行,則藍(lán)牙無線電會(huì)避開通道0-21或ZigBee無線電會(huì)避開通道11-14。
 
Quantenna的2線共存仲裁器
 
Quantenna使用基于802.15.2標(biāo)準(zhǔn)中推薦的PTA的硬件方案來實(shí)現(xiàn)協(xié)作共存。介面使用2線在并置的WLAN和WPAN元件之間握手,以減少同時(shí)接入公共通道的機(jī)會(huì)。圖1顯示了PTA模組與外部(EXT)藍(lán)牙/ZigBee/Thread模組之間的介面信號(hào)。
 
在2.4GHz共存WLAN、藍(lán)牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
圖2. Quantenna的在QSR10G PTA和外部模組之間的4線介面
 
圖1所示的不同信號(hào)的含義和運(yùn)行如下:
 
1. REQUEST — 這是輸入到PTA模塊的輸入信號(hào),指示來自外部模組的請(qǐng)求正在請(qǐng)求接入道。
2. GRANT — 這是輸出到外部模塊的輸出信號(hào),指示外部模組是否被授予接入該通道的許可權(quán)。當(dāng)外部模組發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)時(shí),該信號(hào)有效,WLAN既不接收也不發(fā)送幀。
 
當(dāng)WLAN必須傳輸時(shí),它會(huì)檢查是否已授予外部模組存取權(quán)限。如果外部模塊正在接入該通道,則WLAN會(huì)一直等到取消授予權(quán)限后再進(jìn)行傳輸。在正常模式下,當(dāng)WLAN正在發(fā)送或接收時(shí),來自EXT模組的任何請(qǐng)求都會(huì)被拒絕。當(dāng)EXT模組必須發(fā)送幀時(shí),它發(fā)送一個(gè)REQUEST并等待獲得GRANT后再發(fā)送。當(dāng)EXT模塊接收到一個(gè)幀時(shí),它將發(fā)送一個(gè)REQUEST并繼續(xù)接收該幀,而不受GRANT信號(hào)影響。
 
除了上面提到的2線模式之外,上述介面還可以以1線模式運(yùn)行。在1線模式下,PTA模塊的唯一輸出是Grant信號(hào)。在此模式下,Grant信號(hào)用作WLAN繁忙的指示。當(dāng)WLAN不使用通道時(shí),PTA會(huì)取消授權(quán)Grant信號(hào)。
 
TX/RX事件的順序(WLAN TX,WLAN RX,EXT TX或EXT RX)可能導(dǎo)致不同的工作或干擾情況。圖3顯示了一個(gè)示例,在進(jìn)行藍(lán)牙傳輸時(shí)接收到WLAN幀。如果將WLAN幀發(fā)送到接入點(diǎn)的STA距離很遠(yuǎn),因此無法以較低功率聽到藍(lán)牙傳輸(如圖1所示),則會(huì)出現(xiàn)這種情況。
 
表1列出了當(dāng)使用2線PTA介面減少WLAN和EXT模組之間的干擾時(shí)TX/RX事件的所有可能順序及其影響。枚舉忽略了當(dāng)通道處于空閑狀態(tài)并且只有一個(gè)介面具有TX/RX事件而另一個(gè)介面處于空閑狀態(tài)時(shí)的情況。
 
在2.4GHz共存WLAN、藍(lán)牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
Time:時(shí)間
圖3. 在正在進(jìn)行的BT TX事件中間發(fā)生WLAN RX事件的示例
 
請(qǐng)注意,在隱藏節(jié)點(diǎn)的情況下(當(dāng)WLAN STA和/或EXT從站無法聽到發(fā)送器時(shí)),一條鏈路上接收幀,同時(shí)另一條鏈路上正在進(jìn)行傳輸是不可避免的。
 
表1
在2.4GHz共存WLAN、藍(lán)牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
在2.4GHz共存WLAN、藍(lán)牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
 
注意:TX/RX事件的順序及其對(duì)采用4線方案的共存介面的影響。
 
如果沒有PTA模塊,表中提到的所有情況都會(huì)對(duì)活動(dòng)鏈路造成干擾。PTA模組能減少干擾情況的數(shù)量,即使它可能導(dǎo)致傳輸延遲。通常,延遲比干擾/沖突更好,因?yàn)闆_突可能由于重傳和級(jí)聯(lián)錯(cuò)誤事件而丟失發(fā)送幀所需的一個(gè)以上通道時(shí)間。如果沒有PTA,當(dāng)另一條鏈路正在發(fā)送或接收時(shí),將發(fā)生傳輸,并且可能導(dǎo)致資料包丟失。但是,在表中考慮的八種共存情況中,PTA介面無法解決其中的四種。請(qǐng)注意,所有這些余下問題都是在PTA已授權(quán)第一介面進(jìn)行TX或RX的同時(shí)第二介面開始接收幀的時(shí)候。由于設(shè)備無法控制意外的接收,這些錯(cuò)誤情況很難解決。但是,根據(jù)鏈路的強(qiáng)度,這些情況并不總是導(dǎo)致資料包丟失。在下一節(jié)中,我們評(píng)估此類事件發(fā)生的可能性及其對(duì)性能的影響。
 
Wi-Fi搶占
 
即使使用請(qǐng)求和授權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)PTA機(jī)制,如果當(dāng)前Wi-Fi流量很高,外部流量也可能必須等待更長的時(shí)間間隔。在ZigBee、藍(lán)牙、Thread等的許多當(dāng)前使用案例中,這些外部協(xié)定用于電池供電的感測器用戶端。在這種情況下,額外的延遲和碰撞會(huì)導(dǎo)致更多的重新傳輸,進(jìn)而影響客戶的電池壽命。因此,在存在此類高優(yōu)先順序外部流量的情況下,立即停止正在進(jìn)行的Wi-Fi傳輸并使外部流量具有優(yōu)先權(quán)可能很有用。即使在正在進(jìn)行的Wi-Fi流量期間也允許外部流量稱為PTA搶占。Quantenna當(dāng)前支援兩種搶占模式:
 
無TX停止的搶占
 
此模式適用于Wi-Fi和外部流量在非重疊通道上的使用情況。例如,Wi-Fi通道1和ZigBee通道23不重疊。在這種使用情況下,由于通道不重疊,因此兩個(gè)無線電可以同時(shí)繼續(xù)他們的通信。
 
TX停止的搶占
 
此模式適用于Wi-Fi和外部流量在重疊通道上的用例。例如,Wi-Fi通道1和ZigBee通道12或13或14重疊。在這種使用情況下,由于通道重疊,因此兩個(gè)無線電無法同時(shí)繼續(xù)其通信。同時(shí)傳輸可能會(huì)導(dǎo)致沖突。
 
在這種模式下,無論何時(shí)有請(qǐng)求,PTA都會(huì)授予對(duì)外部無線電的存取權(quán)限。如果有正在進(jìn)行的傳輸,則PTA立即停止傳輸。在Wi-Fi正在進(jìn)行接收的情況下,PTA不會(huì)中斷它,因?yàn)槲覀儫o法控制傳輸。在存在外部流量的情況下,Wi-Fi會(huì)盡其所能恢復(fù)信號(hào)。
 
沒有TX停止,對(duì)Wi-Fi流量的搶占沒有影響,因?yàn)樗还灿酶蓴_的通道。但是,對(duì)于TCP流量的搶占,慢速流量如1 ZigBee每秒幀數(shù)可能不會(huì)對(duì)Wi-Fi流量產(chǎn)生任何影響,但高輸送量如100 ZigBee每秒幀數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致Wi-Fi輸送量損失高達(dá)60%。
 
性能影響
 
在與共存設(shè)備的運(yùn)行有關(guān)的所有可能場景中,事件的某種組合會(huì)導(dǎo)致干擾場景。圖4顯示了這些場景之間的關(guān)系。所有可能的事件都用最外面的圓圈表示。如果設(shè)備的占空比足夠低,則大多數(shù)事件將無爭用,如外部圓圈的藍(lán)色部分所示。在所有可能引起干擾的場景中,使用PTA介面可以避免某些情況,如表1所述。最里面的紅色圓圈表示事件的空間,使用PTA不能避免。
 
在2.4GHz共存WLAN、藍(lán)牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
No Contention:無爭用
Avoidable Contention:可避免的爭用
Un-avoidable Contention:不可避免的爭用
圖4.所有可能的共存場景的空間
 
可避免的和不可避免的競爭事件會(huì)導(dǎo)致WLAN或WPAN流量中的延遲,重試和資料包丟失。這會(huì)導(dǎo)致性能損失。導(dǎo)致此類性能損失的確切事件取決于用于解決共存問題的特定方案。在下一個(gè)小節(jié)中,我們分析可避免和不可避免的概率。共存場景中的PHY層性能的其他一些分析
可以在[4]和[5]中找到。
 
爭用事件的概覽
 
為了了解上述場景的比例(概率)及其對(duì)WLAN和WPAN占空比的依賴性,我們將這些概率作為占空比的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。我們考慮具有以下參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)。
 
●    WLAN流量參數(shù)
?      ○ 傳輸速率=WLAN開啟時(shí)間的60%(下行鏈路)
?      ○ 接收速率=WLAN開啟時(shí)間的40%(上行鏈路)
●    EXT流量參數(shù)
?      ○ 傳輸和接收速率=EXT開啟時(shí)間的50%
 
圖5總結(jié)了所有場景下WLAN流量的兩種不同占空比的概率。10%的占空比表示低WLAN流量,而90%的占空比表示高WLAN流量。當(dāng)WLAN流量的占空比較低時(shí),爭用的概率(可避免與否)較低,并且當(dāng)WLAN空閑時(shí)幾乎所有無爭用的情況都會(huì)發(fā)生。因此,當(dāng)藍(lán)牙占空比增加時(shí),閑置時(shí)間所占的比例下降,無爭用的比例上升。但是,當(dāng)WLAN流量已經(jīng)很高時(shí),無爭用的概率隨藍(lán)牙占空比而降低。但是,最重要的結(jié)論是PTA方案能夠解決一半以上的問題情況。
 
現(xiàn)在,讓我們考慮以上計(jì)算中未考慮的一些變數(shù)。由于這些WPAN協(xié)議內(nèi)置某些保護(hù),因此并非所有上述不可避免的事件都在現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)生。我們考慮以下四個(gè)例外。
 
首先,對(duì)于藍(lán)牙模組,如果從站的RX在主站的TX之后到達(dá),并且模組為整個(gè)處理預(yù)留了時(shí)間,則RX事件不會(huì)在WLAN事件的中間發(fā)生。因此,我們不再有這種不可避免的干擾情況的可能性。
 
在2.4GHz共存WLAN、藍(lán)牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
probability of occurrence:發(fā)生的概率
Duty cycle for Bluetooth:藍(lán)牙占空比
Duty cycle of WLAN:WLAN占空比
Idle Channel:空閑通道
No Contention:無爭用
Solved Contention:解決的爭用
Contention:爭用
圖5. 事件概率因藍(lán)牙占空比而異,圖為0.1和0.9的WLAN占空比
 
其次,對(duì)于ZigBee,如果遵循載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA),則網(wǎng)站將能夠聽到正在進(jìn)行的WLAN空中傳輸,因此RX事件不會(huì)在WLAN事件的中間發(fā)生。
 
第三,即使外部模組和WLAN由于RX事件而同時(shí)使用同一通道,由于使用的頻寬和跳頻序列,WLAN也會(huì)觀察到窄帶干擾。
 
最后,由于藍(lán)牙的跳頻機(jī)制,即使發(fā)生不可避免的爭用事件,藍(lán)牙流量也不會(huì)一直與WLAN頻寬交疊。交疊的時(shí)間比例取決于WLAN的跳頻序列和運(yùn)行頻帶。
 
除了上述所有考慮之外,由于無線電不完善引起的跨通道干擾也會(huì)影響干擾,這不在本文檔的討論范圍之內(nèi)。
 
總結(jié)
 
我們描述并分析了Quantenna的基于4線的PTA方案,解決共存問題以與不同無線技術(shù)共享2.4 GHz通道。如果外部模組具有某些內(nèi)置的保護(hù),則PTA界面可以潛在地將爭用情況減少一半甚至更多。爭用情況(可避免或無法避免)的副面影響是,由于共存會(huì)導(dǎo)致性能損失(可避免情況的延遲以及不可避免的情況的退回/損失),我們可以將其最小化,但不能完全消除,尤其是在通道接近完全利用率的情況下。
 
參考文獻(xiàn)
 
[1] “802.15.1−2005 − IEEE Standard for Information technology −− Local and metropolitan area networks −− Specific requirements −− Part 15.1a: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications for Wireless Personal Area Networks (WPAN)”.
[2] “802.15.4−2011 − IEEE Standard for Local and metropolitan area networks — Part 15.4: Low−Rate Wireless Personal Area Networks (LR−WPANs)”.
[3] “802.15.2−2003 − IEEE Recommended Practice for Information technology −− Local and metropolitan area networks −− Specific requirements −− Part 15.2: Co−existence of Wireless Personal Area Networks with Other Wireless Devices Operating in Unlicensed Frequency”.
[4] J. Lansford, A. Stephens, and R. Nevo, “Wi−Fi and Bluetooth: Enabling Co−existence”, IEEE Network, vol. 15, no. 5, pp. 20−27, 2001.
[5] N. Golmie, N. Chevrollier and O. Rebala, “Bluetooth and WLAN co−existence: Challenges and solutions”, Wireless Communications, vol. 10, no. 6, pp. 22−29, 2003.
 
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安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor,美國納斯達(dá)克上市代號(hào):ON)致力于推動(dòng)高能效電子的創(chuàng)新,使客戶能夠減少全球的能源使用。安森美半導(dǎo)體領(lǐng)先于供應(yīng)基于半導(dǎo)體的方案,提供全面的高能效電源管理、模擬、傳感器、邏輯、時(shí)序、互通互聯(lián)、分立、系統(tǒng)單芯片(SoC)及定制器件陣容。公司的產(chǎn)品幫助工程師解決他們在汽車、通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療、航空及國防應(yīng)用的獨(dú)特設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。公司運(yùn)營敏銳、可靠、世界一流的供應(yīng)鏈及品質(zhì)項(xiàng)目,一套強(qiáng)有力的守法和道德規(guī)范計(jì)劃,及在北美、歐洲和亞太地區(qū)之關(guān)鍵市場運(yùn)營包括制造廠、銷售辦事處及設(shè)計(jì)中心在內(nèi)的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。更多信息請(qǐng)?jiān)L問http://www.onsemi.cn。
 
 
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