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WLAN、蓝牙、ZigBee和Thread在2.4 GHz频段共存
录入时间:2020/11/24 11:34:02

摘要

本白皮书介绍了无线技术在2.4 GHz ISM频段运行的的共存方案。许多流行的无线技术如无线局域网(WLAN)、蓝牙、ZigBee、Thread等使用通用的2.4 GHz运行。因此,它们可能会彼此干扰,降低所有相关链路的总输送量。已知解决此类共存问题的方案包括共用通道的协作和非协作方案。我们探讨Quantenna的4线分组流量仲裁器(PTA)协作方案的详细资讯,并分析其对降低由于干扰导致性能退化的影响。视乎内置的对共存技术的保护,Quantenna的PTA可以减少一半甚至更多有问题的干扰。

前言

许多当前流行的无线通讯技术如Wi-Fi®、蓝牙[1],ZigBee[2]、Thread等使用相同的免授权的2.4 GHz频段运行。由于通道的共用性质,这些技术在同一时频空间区域中运行时会相互干扰。视乎干扰通道强度和传输功率,这种干扰会导致相当大的性能下降。其中一些技术内置一些协议保护如载波侦听、自我调整跳频,跳频等可部分避免其他使用同一通道的技术的干扰。

图1描述了WLAN和蓝牙模组位于同一QSR10G系统单晶片(SoC)的典型共存场景。WLAN接入点和蓝牙主机共同置于QSR10G上。它显示了WLAN站(STA)的两种可能情况:STA靠近接入点时为近端情况,STA离接入点较远时为远端情况。在近端情况下,STA可以听到并置的蓝牙主设备的传输,在远端情况下,STA无法听到主设备的传输,这可同时引发WLAN RX(没有QSR10G)和蓝牙TX事件。视乎通道,在附近的WLAN STA和蓝牙从站之间的链路可能存在或不存在。对任何一条链路的干扰都可能由于不确定的网路条件由这种隐藏节点情况引起。但是,在并置于QSR10G的两种技术之间引入合作可减少某些干扰事件。例如,在给定时间限制一条链路处于活动状态。这种合作可以提高共用通道的有效性和所有相关链路的总输送量。

图1. WLAN和蓝牙用户端联接到1个QSR10G接入点(AP)的示例网络

现有的共存方案

早在这些技术的开发过程中,就意识到了潜在的干扰问题和对共存方案的需求。IEEE 802.15.2标准[3](由IEEE 802.15共存任务组2开发)解决了WLAN和WPAN网络之间的共存问题。该标准描述了推荐的做法,并提供了干扰(在802.11b和802.15.1之间)的电脑模型。该标准描述了协作方案(在发射机并置时使用),例如:

·         交替通道接入(MAC层方案)

这种方法将信标间隔分为两个部分,并且两种技术都使用了TDMA以避免干扰。

·         分组流量仲裁(MAC层方案)

单独的PTA块授权不同界面使用同一通道进行所有传输。PTA块根据流量负载和优先顺序来协调媒介的共用。

·         确定性干扰抑制(PHY层方案)

这种方法在WLAN接收器中使用可程式设计陷波滤波器来消除窄频段蓝牙干扰。

该标准还包含以下非协作方案:

·         自我调整干扰抑制(PHY层方案)

此方法在WLAN接收器处使用自我调整滤波以删除窄带干扰。

·         自我调整资料包选择和调度(MAC层方案)

这种方法自我调整地选择资料包属性(有效载荷长度、向前纠错(FEC)码和自动重发请求(ARQ))并调度低干扰区的流量。

·         自我调整跳频

这种方法积极地估计并避免了通道在高干扰的WPAN处跳频。

与非协作方案相比,协作方案在正交化通道接入方面效果更好,因此降低了潜在的干扰。但是,协作方案需要在相应的共存技术之间紧密集成,并且经常会涉及到硬件或软件握手信号。

除上述技术外,跳频协作方法还可减少同时接入同一通道的机会。用这种方法,并置的无线电避免使用公用频率。例如,如果WLAN无线电正在通道1上运行,则蓝牙无线电会避开通道0-21或ZigBee无线电会避开通道11-14。

Quantenna的2线共存仲裁器

Quantenna使用基于802.15.2标准中推荐的PTA的硬件方案来实现协作共存。介面使用2线在并置的WLAN和WPAN元件之间握手,以减少同时接入公共通道的机会。图1显示了PTA模组与外部(EXT)蓝牙/ZigBee/Thread模组之间的介面信号。

图2. Quantenna的在QSR10G PTA和外部模组之间的4线介面

图1所示的不同信号的含义和运行如下:

1. REQUEST — 这是输入到PTA模块的输入信号,指示来自外部模组的请求正在请求接入道。

2. GRANT — 这是输出到外部模块的输出信号,指示外部模组是否被授予接入该通道的许可权。当外部模组发送请求信号时,该信号有效,WLAN既不接收也不发送帧。

当WLAN必须传输时,它会检查是否已授予外部模组存取权限。如果外部模块正在接入该通道,则WLAN会一直等到取消授予权限后再进行传输。在正常模式下,当WLAN正在发送或接收时,来自EXT模组的任何请求都会被拒绝。当EXT模组必须发送帧时,它发送一个REQUEST并等待获得GRANT后再发送。当EXT模块接收到一个帧时,它将发送一个REQUEST并继续接收该帧,而不受GRANT信号影响。

除了上面提到的2线模式之外,上述介面还可以以1线模式运行。在1线模式下,PTA模块的唯一输出是Grant信号。在此模式下,Grant信号用作WLAN繁忙的指示。当WLAN不使用通道时,PTA会取消授权Grant信号。

TX/RX事件的顺序(WLAN TX,WLAN RX,EXT TX或EXT RX)可能导致不同的工作或干扰情况。图3显示了一个示例,在进行蓝牙传输时接收到WLAN帧。如果将WLAN帧发送到接入点的STA距离很远,因此无法以较低功率听到蓝牙传输(如图1所示),则会出现这种情况。

表1列出了当使用2线PTA介面减少WLAN和EXT模组之间的干扰时TX/RX事件的所有可能顺序及其影响。枚举忽略了当通道处于空闲状态并且只有一个介面具有TX/RX事件而另一个介面处于空闲状态时的情况。

图3. 在正在进行的BT TX事件中间发生WLAN RX事件的示例

请注意,在隐藏节点的情况下(当WLAN STA和/或EXT从站无法听到发送器时),一条链路上接收帧,同时另一条链路上正在进行传输是不可避免的。

表1

 

第1事件

第2事件

行为

结果(接入点)

1

EXT TX

WLAN TX

等待直到REQ被取消授权

WLAN TX延迟

2

EXT TX

WLAN RX

继续WLAN RX。BT TX可能会或可能不会停止,取决于其模式

WLAN干扰或资料包丢失

3

EXT RX

WLAN TX

等待直到REQ被取消授权

WLAN TX延迟

4

EXT RX

WLAN RX

继续WLAN RX。BT发送REQ,

两者继续接收。

EXT和WLAN干扰或资料包丢失

5

WLAN TX

EXT TX

BT发送一个REQ并等待GNT。

PTA然后等待WLAN TX完成

授权GNT。BT或延迟TX或完全错过视窗并不得不重复。

EXT TX延迟

6

WLAN TX

EXT RX

WLAN不会停止。BT发送REQ

并继续接收。

EXT干扰或资料包丢失

7

WLAN RX

EXT TX

BT发送一个REQ并等待GNT。

PTA等待WLAN RX完成授权GNT。BT或延迟TX或完全错过视窗并不得不重复。

EXT TX延迟

8

WLAN RX

EXT RX

WLAN不会停止。BT发送REQ

并继续接收。

EXT和WLAN干扰或资料包丢失

注意:TX/RX事件的顺序及其对采用4线方案的共存介面的影响。

如果没有PTA模块,表中提到的所有情况都会对活动链路造成干扰。PTA模组能减少干扰情况的数量,即使它可能导致传输延迟。通常,延迟比干扰/冲突更好,因为冲突可能由于重传和级联错误事件而丢失发送帧所需的一个以上通道时间。如果没有PTA,当另一条链路正在发送或接收时,将发生传输,并且可能导致资料包丢失。但是,在表中考虑的八种共存情况中,PTA介面无法解决其中的四种。请注意,所有这些余下问题都是在PTA已授权第一介面进行TX或RX的同时第二介面开始接收帧的时候。由于设备无法控制意外的接收,这些错误情况很难解决。但是,根据链路的强度,这些情况并不总是导致资料包丢失。在下一节中,我们评估此类事件发生的可能性及其对性能的影响。

Wi-Fi抢占

即使使用请求和授权的标准PTA机制,如果当前Wi-Fi流量很高,外部流量也可能必须等待更长的时间间隔。在ZigBee、蓝牙、Thread等的许多当前使用案例中,这些外部协定用于电池供电的感测器用户端。在这种情况下,额外的延迟和碰撞会导致更多的重新传输,进而影响客户的电池寿命。因此,在存在此类高优先顺序外部流量的情况下,立即停止正在进行的Wi-Fi传输并使外部流量具有优先权可能很有用。即使在正在进行的Wi-Fi流量期间也允许外部流量称为PTA抢占。Quantenna当前支援两种抢占模式:

无TX停止的抢占

此模式适用于Wi-Fi和外部流量在非重叠通道上的使用情况。例如,Wi-Fi通道1和ZigBee通道23不重叠。在这种使用情况下,由于通道不重叠,因此两个无线电可以同时继续他们的通信。

TX停止的抢占

此模式适用于Wi-Fi和外部流量在重叠通道上的用例。例如,Wi-Fi通道1和ZigBee通道12或13或14重叠。在这种使用情况下,由于通道重叠,因此两个无线电无法同时继续其通信。同时传输可能会导致冲突。

在这种模式下,无论何时有请求,PTA都会授予对外部无线电的存取权限。如果有正在进行的传输,则PTA立即停止传输。在Wi-Fi正在进行接收的情况下,PTA不会中断它,因为我们无法控制传输。在存在外部流量的情况下,Wi-Fi会尽其所能恢复信号。

没有TX停止,对Wi-Fi流量的抢占没有影响,因为它不共用干扰的通道。但是,对于TCP流量的抢占,慢速流量如1 ZigBee每秒帧数可能不会对Wi-Fi流量产生任何影响,但高输送量如100 ZigBee每秒帧数可能会导致Wi-Fi输送量损失高达60%。

性能影响

在与共存设备的运行有关的所有可能场景中,事件的某种组合会导致干扰场景。图4显示了这些场景之间的关系。所有可能的事件都用最外面的圆圈表示。如果设备的占空比足够低,则大多数事件将无争用,如外部圆圈的蓝色部分所示。在所有可能引起干扰的场景中,使用PTA介面可以避免某些情况,如表1所述。最里面的红色圆圈表示事件的空间,使用PTA不能避免。

No Contention:无争用;Avoidable Contention:可避免的争用;Un-avoidable Contention:不可避免的争用

图4.所有可能的共存场景的空间

可避免的和不可避免的竞争事件会导致WLAN或WPAN流量中的延迟,重试和资料包丢失。这会导致性能损失。导致此类性能损失的确切事件取决于用于解决共存问题的特定方案。在下一个小节中,我们分析可避免和不可避免的概率。共存场景中的PHY层性能的其他一些分析可以在[4]和[5]中找到。

争用事件的概览

为了了解上述场景的比例(概率)及其对WLAN和WPAN占空比的依赖性,我们将这些概率作为占空比的函数进行计算。我们考虑具有以下参数的网络。

·         WLAN流量参数

¨       传输速率=WLAN开启时间的60%(下行链路)

¨       接收速率=WLAN开启时间的40%(上行链路)

·         EXT流量参数

¨       传输和接收速率=EXT开启时间的50%

图5总结了所有场景下WLAN流量的两种不同占空比的概率。10%的占空比表示低WLAN流量,而90%的占空比表示高WLAN流量。当WLAN流量的占空比较低时,争用的概率(可避免与否)较低,并且当WLAN空闲时几乎所有无争用的情况都会发生。因此,当蓝牙占空比增加时,闲置时间所占的比例下降,无争用的比例上升。但是,当WLAN流量已经很高时,无争用的概率随蓝牙占空比而降低。但是,最重要的结论是PTA方案能够解决一半以上的问题情况。

现在,让我们考虑以上计算中未考虑的一些变数。由于这些WPAN协议内置某些保护,因此并非所有上述不可避免的事件都在现实生活中发生。我们考虑以下四个例外。

首先,对于蓝牙模组,如果从站的RX在主站的TX之后到达,并且模组为整个处理预留了时间,则RX事件不会在WLAN事件的中间发生。因此,我们不再有这种不可避免的干扰情况的可能性。

probability of occurrence:发生的概率;Duty cycle for Bluetooth:蓝牙占空比;Duty cycle of WLAN:WLAN占空比;Idle Channel:空闲通道;No Contention:无争用;Solved Contention:解决的争用;Contention:争用

图5. 事件概率因蓝牙占空比而异,图为0.1和0.9的WLAN占空比

其次,对于ZigBee,如果遵循载波监听多路访问(CSMA),则网站将能够听到正在进行的WLAN空中传输,因此RX事件不会在WLAN事件的中间发生。

第三,即使外部模组和WLAN由于RX事件而同时使用同一通道,由于使用的频宽和跳频序列,WLAN也会观察到窄带干扰。

最后,由于蓝牙的跳频机制,即使发生不可避免的争用事件,蓝牙流量也不会一直与WLAN频宽交叠。交叠的时间比例取决于WLAN的跳频序列和运行频带。

除了上述所有考虑之外,由于无线电不完善引起的跨通道干扰也会影响干扰,这不在本文档的讨论范围之内。

总结

我们描述并分析了Quantenna的基于4线的PTA方案,解决共存问题以与不同无线技术共享2.4 GHz通道。如果外部模组具有某些内置的保护,则PTA界面可以潜在地将争用情况减少一半甚至更多。争用情况(可避免或无法避免)的副面影响是,由于共存会导致性能损失(可避免情况的延迟以及不可避免的情况的退回/损失),我们可以将其最小化,但不能完全消除,尤其是在通道接近完全利用率的情况下。

参考文献

[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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