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

          2020-11-23 來源:微波射頻網 字號:

          摘要

          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(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作和非協作方案。我們探討Quantenna的4線分組流量仲裁器(PTA)協作方案的詳細資訊,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的2.4 GHz頻段運行。由于通道的共用性質,這些技術在同一時頻空間區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。其中一些技術內置一些協議保護如載波偵聽、自我調整跳頻,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路條件由這種隱藏節點情況引起。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。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。

          圖1、WLAN和藍牙用戶端聯接到1個QSR10G接入點(AP)的示例網絡

          現有的共存方案

          早在這些技術的開發過程中,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)解決了WLAN和WPAN網絡之間的共存問題。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。該標準描述了協作方案(在發射機并置時使用),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塊授權不同界面使用同一通道進行所有傳輸。PTA塊根據流量負載和優先順序來協調媒介的共用。
          •   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作方案:

          •   自我調整干擾抑制(PHY層方案)
          此方法在WLAN接收器處使用自我調整濾波以刪除窄帶干擾。
          •   自我調整資料包選擇和調度(MAC層方案)
          這種方法自我調整地選擇資料包屬性(有效載荷長度、向前糾錯(FEC)碼和自動重發請求(ARQ))并調度低干擾區的流量。
          •   自我調整跳頻
          這種方法積極地估計并避免了通道在高干擾的WPAN處跳頻。

          與非協作方案相比,協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,協作方案需要在相應的共存技術之間緊密集成,并且經常會涉及到硬件或軟件握手信號。

          除上述技術外,跳頻協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的硬件方案來實現協作共存。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。

          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。當外部模組發送請求信號時,該信號有效,WLAN既不接收也不發送幀。

          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限后再進行傳輸。在正常模式下,當WLAN正在發送或接收時,來自EXT模組的任何請求都會被拒絕。當EXT模組必須發送幀時,它發送一個REQUEST并等待獲得GRANT后再發送。當EXT模塊接收到一個幀時,它將發送一個REQUEST并繼續接收該幀,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時的情況。

          Time:時間

          圖3、在正在進行的BT TX事件中間發生WLAN RX事件的示例

          請注意,在隱藏節點的情況下(當WLAN STA和/或EXT從站無法聽到發送器時),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

            第1事件 第2事件 行為 結果(接入點)
          1 EXT TX WLAN TX 等待直到REQ被取消授權 WLAN TX延遲
          2 EXT TX WLAN RX 繼續WLAN RX。BT TX可能會或可能不會停止,取決于其模式 WLAN干擾或資料包丟失
          3 EXT RX WLAN TX 等待直到REQ被取消授權 WLAN TX延遲
          4 EXT RX WLAN RX 繼續WLAN RX。BT發送REQ,兩者繼續接收。 EXT和WLAN干擾或資料包丟失
          5 WLAN TX EXT TX BT發送一個REQ并等待GNT。PTA然后等待WLAN TX完成授權GNT。BT或延遲TX或完全錯過視窗并不得不重復。 EXT TX延遲
          6 WLAN TX EXT RX WLAN不會停止。BT發送REQ并繼續接收。 EXT干擾或資料包丟失
          7 WLAN RX EXT TX BT發送一個REQ并等待GNT。PTA等待WLAN RX完成授權GNT。BT或延遲TX或完全錯過視窗并不得不重復。 EXT TX延遲
          8 WLAN RX EXT RX WLAN不會停止。BT發送REQ并繼續接收。 EXT和WLAN干擾或資料包丟失

          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錯誤事件而丟失發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送或接收時,將發生傳輸,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,根據鏈路的強度,這些情況并不總是導致資料包丟失。在下一節中,我們評估此類事件發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先權可能很有用。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每秒幀數可能不會對Wi-Fi流量產生任何影響,但高輸送量如100 ZigBee每秒幀數可能會導致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。

          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進行計算。我們考慮具有以下參數的網絡。

          •   WLAN流量參數
          ○  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
          ○  傳輸和接收速率=EXT開啟時間的50%

          圖5總結了所有場景下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,最重要的結論是PTA方案能夠解決一半以上的問題情況。

          現在,讓我們考慮以上計算中未考慮的一些變數。由于這些WPAN協議內置某些保護,因此并非所有上述不可避免的事件都在現實生活中發生。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事件的中間發生。因此,我們不再有這種不可避免的干擾情況的可能性。

          probability of occurrence:發生的概率
          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,如果遵循載波監聽多路訪問(CSMA),則網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。

          總結

          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

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          [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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