【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(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。其中一些技術內置一些協(xié)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(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。
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(fā)請求(ARQ)）并調度低干擾區(qū)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(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。
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(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(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。
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
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。
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。
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。
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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[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”.
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[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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