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在2.4GHz共存WLAN、藍牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存

發(fā)布時間:2020-12-04 來源:安森美半導體 責任編輯:wenwei

【導讀】本白皮書介紹了無線技術在2.4 GHz ISM頻段運行的的共存方案。許多流行的無線技術如無線局域網(wǎng)(WLAN)、藍牙、ZigBee、Thread等使用通用的2.4 GHz運行。因此,它們可能會彼此干擾,降低所有相關鏈路的總輸送量。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)作方案的詳細資訊,并分析其對降低由于干擾導致性能退化的影響。視乎內(nèi)置的對共存技術的保護,Quantenna的PTA可以減少一半甚至更多有問題的干擾。
 
前言
 
許多當前流行的無線通訊技術如Wi-Fi®、藍牙[1],ZigBee[2]、Thread等使用相同的免授權(quán)的2.4 GHz頻段運行。由于通道的共用性質(zhì),這些技術在同一時頻空間區(qū)域中運行時會相互干擾。視乎干擾通道強度和傳輸功率,這種干擾會導致相當大的性能下降。其中一些技術內(nèi)置一些協(xié)議保護如載波偵聽、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的干擾。
 
圖1描述了WLAN和藍牙模組位于同一QSR10G系統(tǒng)單晶片(SoC)的典型共存場景。WLAN接入點和藍牙主機共同置于QSR10G上。它顯示了WLAN站(STA)的兩種可能情況:STA靠近接入點時為近端情況,STA離接入點較遠時為遠端情況。在近端情況下,STA可以聽到并置的藍牙主設備的傳輸,在遠端情況下,STA無法聽到主設備的傳輸,這可同時引發(fā)WLAN RX(沒有QSR10G)和藍牙TX事件。視乎通道,在附近的WLAN STA和藍牙從站之間的鏈路可能存在或不存在。對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)點情況引起。但是,在并置于QSR10G的兩種技術之間引入合作可減少某些干擾事件。例如,在給定時間限制一條鏈路處于活動狀態(tài)。這種合作可以提高共用通道的有效性和所有相關鏈路的總輸送量。
 
在2.4GHz共存WLAN、藍牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
圖1. WLAN和藍牙用戶端聯(lián)接到1個QSR10G接入點(AP)的示例網(wǎng)絡
 
現(xiàn)有的共存方案
 
早在這些技術的開發(fā)過程中,就意識到了潛在的干擾問題和對共存方案的需求。IEEE 802.15.2標準[3](由IEEE 802.15共存任務組2開發(fā))解決了WLAN和WPAN網(wǎng)絡之間的共存問題。該標準描述了推薦的做法,并提供了干擾(在802.11b和802.15.1之間)的電腦模型。該標準描述了協(xié)作方案(在發(fā)射機并置時使用),例如:
 
●    交替通道接入(MAC層方案)
 
這種方法將信標間隔分為兩個部分,并且兩種技術都使用了TDMA以避免干擾。
 
●    分組流量仲裁(MAC層方案)
 
單獨的PTA塊授權(quán)不同界面使用同一通道進行所有傳輸。PTA塊根據(jù)流量負載和優(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計陷波濾波器來消除窄頻段藍牙干擾。
 
該標準還包含以下非協(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(FEC)碼和自動重發(fā)請求(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)作方案需要在相應的共存技術之間緊密集成,并且經(jīng)常會涉及到硬件或軟件握手信號。
 
除上述技術外,跳頻協(xié)作方法還可減少同時接入同一通道的機會。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上運行,則藍牙無線電會避開通道0-21或ZigBee無線電會避開通道11-14。
 
Quantenna的2線共存仲裁器
 
Quantenna使用基于802.15.2標準中推薦的PTA的硬件方案來實現(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,以減少同時接入公共通道的機會。圖1顯示了PTA模組與外部(EXT)藍牙/ZigBee/Thread模組之間的介面信號。
 
在2.4GHz共存WLAN、藍牙、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所示的不同信號的含義和運行如下:
 
1. REQUEST — 這是輸入到PTA模塊的輸入信號,指示來自外部模組的請求正在請求接入道。
2. GRANT — 這是輸出到外部模塊的輸出信號,指示外部模組是否被授予接入該通道的許可權(quán)。當外部模組發(fā)送請求信號時,該信號有效,WLAN既不接收也不發(fā)送幀。
 
當WLAN必須傳輸時,它會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會一直等到取消授予權(quán)限后再進行傳輸。在正常模式下,當WLAN正在發(fā)送或接收時,來自EXT模組的任何請求都會被拒絕。當EXT模組必須發(fā)送幀時,它發(fā)送一個REQUEST并等待獲得GRANT后再發(fā)送。當EXT模塊接收到一個幀時,它將發(fā)送一個REQUEST并繼續(xù)接收該幀,而不受GRANT信號影響。
 
除了上面提到的2線模式之外,上述介面還可以以1線模式運行。在1線模式下,PTA模塊的唯一輸出是Grant信號。在此模式下,Grant信號用作WLAN繁忙的指示。當WLAN不使用通道時,PTA會取消授權(quán)Grant信號。
 
TX/RX事件的順序(WLAN TX,WLAN RX,EXT TX或EXT RX)可能導致不同的工作或干擾情況。圖3顯示了一個示例,在進行藍牙傳輸時接收到WLAN幀。如果將WLAN幀發(fā)送到接入點的STA距離很遠,因此無法以較低功率聽到藍牙傳輸(如圖1所示),則會出現(xiàn)這種情況。
 
表1列出了當使用2線PTA介面減少WLAN和EXT模組之間的干擾時TX/RX事件的所有可能順序及其影響。枚舉忽略了當通道處于空閑狀態(tài)并且只有一個介面具有TX/RX事件而另一個介面處于空閑狀態(tài)時的情況。
 
在2.4GHz共存WLAN、藍牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
Time:時間
圖3. 在正在進行的BT TX事件中間發(fā)生WLAN RX事件的示例
 
請注意,在隱藏節(jié)點的情況下(當WLAN STA和/或EXT從站無法聽到發(fā)送器時),一條鏈路上接收幀,同時另一條鏈路上正在進行傳輸是不可避免的。
 
表1
在2.4GHz共存WLAN、藍牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
在2.4GHz共存WLAN、藍牙、ZigBee和Thread在2.4GHz頻段共存
 
注意:TX/RX事件的順序及其對采用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對活動鏈路造成干擾。PTA模組能減少干擾情況的數(shù)量,即使它可能導致傳輸延遲。通常,延遲比干擾/沖突更好,因為沖突可能由于重傳和級聯(lián)錯誤事件而丟失發(fā)送幀所需的一個以上通道時間。如果沒有PTA,當另一條鏈路正在發(fā)送或接收時,將發(fā)生傳輸,并且可能導致資料包丟失。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。請注意,所有這些余下問題都是在PTA已授權(quán)第一介面進行TX或RX的同時第二介面開始接收幀的時候。由于設備無法控制意外的接收,這些錯誤情況很難解決。但是,根據(jù)鏈路的強度,這些情況并不總是導致資料包丟失。在下一節(jié)中,我們評估此類事件發(fā)生的可能性及其對性能的影響。
 
Wi-Fi搶占
 
即使使用請求和授權(quán)的標準PTA機制,如果當前Wi-Fi流量很高,外部流量也可能必須等待更長的時間間隔。在ZigBee、藍牙、Thread等的許多當前使用案例中,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導致更多的重新傳輸,進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。即使在正在進行的Wi-Fi流量期間也允許外部流量稱為PTA搶占。Quantenna當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,因此兩個無線電可以同時繼續(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,因此兩個無線電無法同時繼續(xù)其通信。同時傳輸可能會導致沖突。
 
在這種模式下,無論何時有請求,PTA都會授予對外部無線電的存取權(quán)限。如果有正在進行的傳輸,則PTA立即停止傳輸。在Wi-Fi正在進行接收的情況下,PTA不會中斷它,因為我們無法控制傳輸。在存在外部流量的情況下,Wi-Fi會盡其所能恢復信號。
 
沒有TX停止,對Wi-Fi流量的搶占沒有影響,因為它不共用干擾的通道。但是,對于TCP流量的搶占,慢速流量如1 ZigBee每秒幀數(shù)可能不會對Wi-Fi流量產(chǎn)生任何影響,但高輸送量如100 ZigBee每秒幀數(shù)可能會導致Wi-Fi輸送量損失高達60%。
 
性能影響
 
在與共存設備的運行有關的所有可能場景中,事件的某種組合會導致干擾場景。圖4顯示了這些場景之間的關系。所有可能的事件都用最外面的圓圈表示。如果設備的占空比足夠低,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導致WLAN或WPAN流量中的延遲,重試和資料包丟失。這會導致性能損失。導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)進行計算。我們考慮具有以下參數(shù)的網(wǎng)絡。
 
●    WLAN流量參數(shù)
?      ○ 傳輸速率=WLAN開啟時間的60%(下行鏈路)
?      ○ 接收速率=WLAN開啟時間的40%(上行鏈路)
●    EXT流量參數(shù)
?      ○ 傳輸和接收速率=EXT開啟時間的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WLAN流量的占空比較低時,爭用的概率(可避免與否)較低,并且當WLAN空閑時幾乎所有無爭用的情況都會發(fā)生。因此,當藍牙占空比增加時,閑置時間所占的比例下降,無爭用的比例上升。但是,當WLAN流量已經(jīng)很高時,無爭用的概率隨藍牙占空比而降低。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,因此并非所有上述不可避免的事件都在現(xiàn)實生活中發(fā)生。我們考慮以下四個例外。
 
首先,對于藍牙模組,如果從站的RX在主站的TX之后到達,并且模組為整個處理預留了時間,則RX事件不會在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. 事件概率因藍牙占空比而異,圖為0.1和0.9的WLAN占空比
 
其次,對于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行的WLAN空中傳輸,因此RX事件不會在WLAN事件的中間發(fā)生。
 
第三,即使外部模組和WLAN由于RX事件而同時使用同一通道,由于使用的頻寬和跳頻序列,WLAN也會觀察到窄帶干擾。
 
最后,由于藍牙的跳頻機制,即使發(fā)生不可避免的爭用事件,藍牙流量也不會一直與WLAN頻寬交疊。交疊的時間比例取決于WLAN的跳頻序列和運行頻帶。
 
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共享2.4 GHz通道。如果外部模組具有某些內(nèi)置的保護,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,由于共存會導致性能損失(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
 
[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.
 
關于安森美半導體
 
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