未經許可的 2.4 GHz 頻段的無線共存研究和緩解技術已經存在至少 20 年。問題在于，不同的 2.4 GHz 無線技術滿足相同設備的不同需求，因此必須同時運行而不會顯著降低性能。這篇由兩部分組成的文章討論了對 Wi-Fi 和 zigbee/Thread 托管共存的日益增長的需求，并通過工業設計、共同管理技術和 2.4 GHz 頻段物聯網 （IoT） 應用的最佳實踐探索了共存技術。

將 Wi-Fi 無線電添加到家庭自動化控制器中將推動物聯網設備在互聯家庭中的增長，因為這將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，雖然 2017 年每個家庭控制器的平均出貨量將少于 7 臺，但到 2020 年，這個數字將上升到每個家庭控制器平均出貨近 10 臺設備。ON World 報告考慮了更廣泛的無線傳感器網絡市場（包括家庭自動化），在 2020 年預計出貨的 20 億無線傳感器節點 （WSN） 設備中，七分之一將包含 Wi-Fi 無線電。

物聯網的增長與家庭控制器中包含 Wi-Fi 無線電的增長以及家庭控制器與家庭網關/路由器的融合密切相關。

Wi-Fi 共存策略的必要性

如圖 1 所示，預計終端設備與控制器的比率會增加，這也意味著家庭控制器本身將更加忙于射頻流量，因為它將處理更多的終端節點（通過 IEEE 802.15.4 連接）和其他低功耗無線網絡。結果是這些控制器上的低功率無線電的占空比增加。有效的共存策略必須確保管理 Wi-Fi 和其他無線電協議之間的干擾，并將其對整體系統性能的影響降至最低。

【圖1 | 智能家居控制器和智能家居設備之間的關系隨時間推移。］

過去，Wi-Fi 與低功耗、低數據速率無線電之間的共存策略，如家用控制器中的 IEEE 802.15.4/zigbee，并不是一個大問題，而研究，如 Thonet、Allard-Jacquin & Colle 專注于無線網絡和網絡內設備之間不受管理的共存，而不是設備內并置的無線電。對于數量有限的包含 Wi-Fi 無線電的家庭控制器，簡單的機制足以在一個無線電傳輸時停止另一個無線電傳輸。很容易看出為什么到目前為止這是一種適當的方法：

迄今為止，大多數家庭自動化實施都是由家庭自動化系統驅動的，與云的 Wi-Fi 或以太網連接是附加功能，而不是主要功能

到目前為止，家庭網關通常在設計中只有一個低功率無線電以及 Wi-Fi

部署的家庭自動化系統的總量相對較低

隨著家庭自動化變得越來越主流，越來越多的家庭網關和接入點制造商以及互聯網服務提供商 （ISP） 將在其支持 Wi-Fi 的網關中引入低功率無線電。此外，除了 Wi-Fi 之外，這些網關可能包含多個低功率無線電，在某些情況下，單個網關中可能包含多達三個或四個 2.4 GHz 無線電，允許藍牙和一兩個IEEE 802.15.4 無線電（例如 zigbee 和 Thread）。因此，需要管理共存策略來確保板上的所有無線電都能成功運行。

2.4 GHz ISM 頻段支持 Wi-Fi （IEEE 802.11b/g/n）、zigbee 和 Thread （IEEE 802.15.4）、藍牙和低功耗藍牙。這些不同的 2.4 GHz 無線電標準同時和同地運行會降低一個或多個無線電的性能。為了提高抗干擾能力，每個 2.4 GHz ISM 無線電標準都支持某種程度的沖突避免和/或消息重試能力。在低數據吞吐率、低功率水平和/或足夠的物理分離條件下，這些 2.4 GHz ISM 標準可以共存，而不會對性能產生重大影響。然而，最近的客戶趨勢使共存變得更加困難：

增加“擴展范圍”的 Wi-Fi 傳輸功率水平

+30 dBm Wi-Fi 接入點現在很常見

增加 Wi-Fi 吞吐量

根據可實現的信噪比 （SNR），文件傳輸和/或視頻流的高吞吐量要求可能會導致 2.4 GHz ISM 頻段內的高 Wi-Fi 占空比

將 Wi-Fi、zigbee、Thread 和藍牙低功耗 （BLE） 集成到同一設備中以實現網關功能（家庭自動化和安全應用需要這種集成，并使用藍牙低功耗提供更輕松的終端節點調試）

Wi-Fi 對 zigbee 和 Thread 的影響

在全球范圍內，Wi-Fi 在 2.4 GHz ISM 頻段上支持多達 14 個重疊的 20/22 MHz 帶寬信道，傳輸功率水平高達 +30 dBm。同樣，2.4 GHz zigbee 和 Thread 支持 16 個不重疊的 2 MHz 帶寬通道，間隔為 5 MHz，發射功率高達 +20 dBm。這些 Wi-Fi 和 zigbee/Thread 通道映射如圖 2 所示。

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

實際可用頻道因國家/地區而異。例如，在美國，Wi-Fi 信道 1 到 11 可用，zigbee 信道 11 到 26 可用，盡管信道 25 和 26 需要降低發射功率水平才能滿足 FCC 要求。

為了更好地了解 Wi-Fi 對 zigbee 和 Thread 的影響，Silicon Labs 測量了 100% 占空比 IEEE 802.11n（MCS3，20 MHz 帶寬）阻塞器在接收 IEEE 802.15.4 消息時以各種功率級別傳輸的影響以不同的功率電平傳輸。同頻道、鄰頻道和“遠”頻道的結果如下三張圖所示。所有 IEEE 802.11n 和 IEEE 802.15.4 功率級別均參考 Silicon Labs Wireless Gecko SoC （EFR32MG1） RF 輸入。該測試應用程序是使用 Silicon Labs 的 EmberZNet PRO （zigbee） 堆棧開發的，該堆棧具有在基于 EFR32MG 的被測設備 （DUT） 上運行的測試應用程序 （NodeTest） 和用于控制 DUT 和 RF 測試設備的測試腳本。由于這是一項針對 IEEE 802.15.4 的測試，因此 Wi-Fi 阻塞線程的結果相同。

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

【圖4 | 100% 占空比 802.11n 阻塞器，在相鄰通道具有所需的 802.15.4。］

【圖5 | 100% 占空比 802.11n 阻塞器，在“遠方”通道上帶有所需的 802.15.4。］

從這三個數字以及使用 EM35x/EM358x 設備（未顯示）的其他測量結果來看，關于 Wi-Fi 對 zigbee/Thread 影響的主要觀察結果是：

聯合頻道：

EFR32MG1 可以接收比聚合 Wi-Fi 傳輸功率低 6 dB 的 IEEE 802.15.4 信號（100% 占空比）

EM35x/EM358x 帶有和不帶有用于增強信號的前端模塊 （FEM） 可以接收 IEEE 802.15.4 信號，該信號比總 Wi-Fi 傳輸功率低 6 dB（100% 占空比）。

IEEE 802.15.4 傳輸也可能被 Wi-Fi 傳輸功率阻止 IEEE 802.15.4 -75 dBm 暢通信道評估 （CCA） 閾值

相鄰頻道：

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

不帶 FEM 的 EM35x/EM358x 可以接收 -80 dBm IEEE 802.15.4 信號，Wi-Fi 發射功率為 -38 dBm 或更弱（100% 占空比），啟用 Skyworks SE2432L FEM 低噪聲放大器 （LNA） 時為 -43 dBm 或更弱

“遠方”頻道：

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

不帶 FEM 的 EM35x/EM358x 可以接收 -80 dBm IEEE 802.15.4 信號，Wi-Fi 發射功率為 -22 dBm 或更弱（100% 占空比），啟用 Skyworks SE2432L FEM LNA 時為 -27 dBm 或更弱

在現實環境中，Wi-Fi 通常不是 100% 的占空比，并且僅在低 Wi-Fi SNR 條件下的文件傳輸或視頻流期間接近 100%。在前面的三個圖中，EFR32MG1 設備（或 EM35x/EM358x）接收靈敏度會隨著 Wi-Fi 阻止程序的打開/關閉而變化。最終結果是在 Wi-Fi 關閉時能夠看到較弱的信號，但在強 Wi-Fi 開啟（主動傳輸）時則看不到。

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。Wi-Fi 無線電和其他物聯網無線電之間沒有特定的握手。以下非托管共存建議提供了有關通過附近的強大 Wi-Fi 最大限度地提高 EFR32MG1 或 EM35x/EM358x 消息成功率的指導。

實現頻率分離

從上一節的觀察來看，IEEE 802.15.4 的同信道操作與 100% 占空比 Wi-Fi 會阻止大部分 IEEE 802.15.4 消息，因此必須避免。此外，EFR32MG1 在“遠”信道情況下比在相鄰信道情況下可容忍強 20 dB 的 Wi-Fi 信號。IEEE 802.15.4 網絡性能通過最大化 Wi-Fi 網絡和 IEEE 802.15.4 網絡之間的頻率分離來提高。

如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 無線電是通過一個公共主機（MCU 控制兩個無線電）實現的，那么主機應該嘗試最大化頻率分離。對于 Wi-Fi 網絡，接入點 （AP） 建立初始通道，并且在自動通道配置中，可以使用通道切換公告（在 IEEE 802.11h 中引入）自由地將網絡移動到另一個通道以安排通道更改。

以 20 MHz 帶寬運行 Wi-Fi

由于 Wi-Fi/IEEE 802.11n 使用 OFDM 子載波，來自這些子載波的三階失真產物在 Wi-Fi 通道的任一側擴展了一個帶寬。IEEE 802.11n 可以在 20 MHz 或 40 MHz 模式下運行。如果在 40 MHz 模式下運行，則 80 MHz ISM 頻段中的 40 MHz 被 Wi-Fi 信道消耗。但是，每側額外的 40 MHz 可能會受到三階失真產物的影響。這些三階產品會阻塞 IEEE 802.15.4 接收器，并且是相鄰信道性能比“遠”信道性能差 20 dB 的主要原因。

在為 IEEE 802.11n 提議 40 MHz 模式時，Wi-Fi 標準預計當 Wi-Fi 在 40 MHz 模式下運行時其他 2.4 GHz ISM 設備可能會出現問題。在關聯過程中，任何 Wi-Fi 站點都可以設置 HT Capabilities Information 中的“四十兆赫不容忍”位。該位通知 Wi-Fi 接入點存在其他 2.4 GHz ISM 設備，強制整個 Wi-Fi 網絡進入 20 MHz 模式。

如果 Wi-Fi 和 IEEE 802.15.4 無線電是通過一個共同的主機實現的，那么主機應該讓 Wi-Fi 無線電在關聯期間設置“40 MHz 不容忍”位以強制 Wi-Fi 進入 20 MHz 模式，從而提高IEEE 802.15.4 性能。

如果應用需要 Wi-Fi 在 40 MHz 模式下運行，則必須通過將 Wi-Fi 通道和 IEEE 802.15.4 通道放置在 2.4 GHz ISM 頻段的兩端來最大化頻率分離。

增加天線隔離度

根據上一節的觀察，最小化 IEEE 802.15.4 RF 輸入看到的 Wi-Fi 能量可以提高 802.15.4 接收范圍。例如，在具有 100% Wi-Fi 占空比的“遠距離”信道情況下，當 EFR32MG1 輸入端的 Wi-Fi 能量為 -15 dBm 或更低時，可以接收到 -80 dBm IEEE 802.15.4 消息。如果 Wi-Fi 發射功率電平為 +10 dBm，則 Wi-Fi 發射器和 IEEE 802.15.4 RF 輸入之間的 25 dB 或更多天線隔離足以始終接收 -80 dBm 802.15.4 信號，Wi-Fi開或關。

可以通過以下方式提高天線隔離度：

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

利用天線方向性 -單極天線沿天線軸提供零點，可指向 Wi-Fi 天線

使用 zigbee/Thread 重試機制

IEEE 802.15.4 規范要求在 MAC 層重試。為了進一步提高消息傳遞的穩健性，Silicon Labs EmberZNet PRO 堆棧還實現了網絡 （NWK） 重試，包裝 MAC 重試。用戶應用程序還可以利用 APS 重試，包裝 NWK 重試。

移除 FEM（或在旁路中操作 FEM LNA）

EFR32MG1 SoC 等設備可提供近 +20 dBm 的發射功率，并具有出色的接收器靈敏度，無需外部 FEM。但是，許多其他 IEEE 802.15.4 無線電使用外部 FEM 將發射功率增加到 +20 dBm 以擴大范圍（在允許這樣做的地區（例如美洲））。額外的 FEM LNA 接收增益也提高了靈敏度，但在存在強 Wi-Fi 的情況下會降低線性性能。

為了在存在強 Wi-Fi 阻斷器的情況下獲得最佳接收靈敏度，請消除 FEM，或在旁路模式下操作 FEM LNA。此建議是一種權衡，因為啟用 FEM LNA 增益后，沒有 Wi-Fi 阻斷器的接收靈敏度會得到改善。

作者：Terry Dickey，David Egan

審核編輯：郭婷