硬體方案終結頻道搶占　短距無線傳輸不再互擾

目前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。本文亦將探討四線分組流量仲裁器(PTA)協作方案的詳細資訊，並分析其對降低因干擾而導致性能退化的影響。取決於內建的對共存技術的保護，有Wi-Fi晶片供應商如Quantenna的PTA，可以減少一半甚至更多有問題的干擾。

許多當前流行的無線通訊技術如Wi-Fi、藍牙、ZigBee、Thread等，共同於免授權的2.4GHz頻段運作。

由於通道的共用性質，這些技術在同一時頻空間區域中運作時會相互干擾。取決於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。其中有些技術內建部分協定保護功能，如載波偵聽、自適應(Adaptive)跳頻，以及跳頻等，可削弱其他使用同一通道技術的干擾。

圖1描述WLAN和藍牙模組位於同一系統單晶片(SoC)的典型共存場景。WLAN接入點和藍牙主機共同置於SoC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離接入點較遠時則為遠端情況。在近端情況下，STA可以聽到並置(Co-located)的藍牙主設備傳輸；在遠端情況下，STA則無法聽到主設備的傳輸，這可同時觸發有關該SoC的WLAN RX和藍牙TX事件。取決於通道，在附近的WLAN STA和藍牙從站(Slave)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因不確定的網路條件，並藉由這種隱藏節點情況產生。但是，若在並置於該晶片的兩種技術之間導入合作，則可減少某些干擾事件。

例如，在給定時間限制一條鏈路處於活動狀態。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。

現有方案解決WLAN/WPAN間共存難題

早在這些技術的開發過程中，潛在的干擾問題和對共存方案的需求便已被眾人認知。IEEE 802.15.2標準(由IEEE 802.15共存任務組開發)解決了WLAN和WPAN網路之間的共存問題。該標準提供了建議的作法，並提供802.11b和802.15.1之間相互干擾的電腦模型。

該標準描述了協作方案(在發射機並置時使用)，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，並且兩種技術都使用了TDMA以避免干擾產生。

・分組流量仲裁(MAC層方案)

獨立的PTA區塊授權不同介面使用同一通道進行所有傳輸，PTA區塊則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帶陷濾波器(Notch Filter)來消除窄頻段藍牙干擾。

該標準還包含以下非協作方案：

・自適應干擾抑制(PHY層方案)

此方法在WLAN接收器處使用自適應濾波以消除窄頻段干擾。

・自適應資料封包選擇和調度(MAC層方案)

這種方法自適應選擇資料封包屬性，包含有效載荷長度、前向糾錯(FEC)碼和自動重發請求(ARQ)，並調度低干擾區的流量。

・自適應跳頻

這種方法積極估計並避免通道在高干擾的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，因此可降低潛在的干擾。

但是，協作方案需要在相應的共存技術之間緊密整合，並且經常會涉及到硬體或軟體交握訊號。

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。使用這種方法，並置的無線電避免使用公用頻率。例如，若WLAN無線電正在通道1上運作，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。

雙線共存仲裁器降低元件互相干擾頻率

如Quantenna使用802.15.2標準推薦的PTA硬體方案實現協作共存，該介面使用雙線，以利在並置的WLAN和WPAN元件之間交握，進而減少同時接入公共通道的機會。圖2則顯示PTA模組與外部(EXT)藍牙/ZigBee/Thread模組之間的介面訊號。

圖2所示的不同訊號的含義和運作如下： 1. REQUEST—這是輸入到PTA模組的輸入訊號，指示來自正在請求接入外部模組的管道。

2. GRANT—這是輸出到外部模組的輸出訊號，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訊號時，該訊號有效，WLAN既不接收也不傳送訊框(Frame)。

當WLAN必須傳輸時，它會檢查是否已授予外部模組存取權限。

如果外部模組正在接入該通道，則WLAN會一直等到取消授予許可權後再進行傳輸。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模組必須發送訊框時，它發送一個REQUEST，並等待獲得GRANT後再發送。當EXT模組接收到一個訊框時，它將發送一個REQUEST並繼續接收該訊框，而不受GRANT訊號影響。

除了上面提到的雙線模式之外，上述介面還可以以單線模式運作。在單線模式下，PTA模組唯一的輸出是GRANT訊號。在此模式下，GRANT訊號作為WLAN繁忙的指示；待WLAN不使用通道時，PTA便會取消授權GRANT訊號。

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則顯示進行藍牙傳輸時，接收到WLAN訊框的範例。若WLAN訊框發送到接入點的STA距離很遠，便將無法以較低功率聽到藍牙傳輸。

表1列出了當使用雙線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。上述示例排除當通道處於閒置狀態，且只有一個介面具有TX/RX事件，而另一介面處於閒置狀態時的情況。

請注意，在隱藏節點的情況下(當WLAN STA或EXT從站無法聽到發送器時)，自一條鏈路上接收訊框，而於另一條鏈路上同步進行傳輸是不可避免的。

如果沒有PTA模組，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/衝突更好，因為衝突可能由於重傳和級聯錯誤事件，而丟失發送訊框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，並且可能導致資料封包丟失。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，所有這些餘下問題都是在PTA已授權第一介面進行TX或RX的同時第二介面開始接收訊框的時候。由於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，這些情況並不總是導致資料封包丟失。在以下的篇幅，本文將評估此類事件發生的可能性及其對性能的影響。

Wi-Fi搶占可能情況推演

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，這些外部協定用於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，並使外部流量具有優先權可能很有用。即使在進行中的Wi-Fi流量期間也允許外部流量，稱為PTA搶占。如Quantenna當前支援兩種搶占模式。

TX不停止下的搶占

此模式適用於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，由於通道不重疊，因此兩個無線電可以同時繼續他們的通訊。

TX停止下的搶占

此模式適用於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12/13/14重疊。在這種使用情況下，由於通道重疊，因此兩個無線電無法同時繼續其通訊，若選擇同時傳輸，則可能會導致衝突。

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將立即停止傳輸。若在Wi-Fi正在進行接收的情況下，PTA不會中斷它，因為其無法控制傳輸。而在有外部流量的情況下，Wi-Fi會盡其所能恢復訊號。

若TX沒有停止，對Wi-Fi流量的搶占就沒有影響，因為它不共用干擾的通道。但是，對於TCP流量的搶占，慢速流量如1 ZigBee的每秒訊框數，可能不會對Wi-Fi流量產生任何影響，但高輸送量如100 ZigBee的每秒訊框數，可能會導致Wi-Fi輸送量損失高達60%。

性能影響

在與共存設備的運作有關的所有可能場景中，事件的某種組合會導致干擾發生。圖4顯示了這些場景之間的關係。所有可能的事件都以最外面的圓圈表示。如果設備的工作週期足夠低，則大多數事件將無爭用，如外部圓圈的A區部分所示。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。最裡面的B區圓圈表示事件的空間，則不能使用PTA避免。

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、重試和資料封包丟失，進而導致性能損失。導致此類性能損失的確切事件，取決於用於解決共存問題的特定方案。在下一個段落中，本文將分析可避免和不可避免的概率，而有關共存場景中PHY層性能的其他分析，則可參考文末資料。

爭用事件概覽

為了瞭解上述場景的比例(概率)及其對WLAN和WPAN工作週期的依賴性，本文將這些概率作為工作週期的函數進行計算，並考慮具有以下參數的網路。

・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流量的兩種不同工作週期的概率。10%的工作週期表示低WLAN流量，而90%的工作週期表示高WLAN流量。當WLAN流量的工作週期較低時，爭用的概率(可避免與否)較低，並且當WLAN閒置時幾乎所有無爭用的情況都會發生。因此，當藍牙工作週期增加時，閒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工作週期而降低。但最重要的結論是PTA方案能夠解決一半以上的問題。

現在，將以上計算中未考慮的一些變數納入考量。由於這些WPAN協定內建某些保護，因此並非所有上述不可避免的事件都在現實生活中發生。本文考量到以下四個例外。

首先，對於藍牙模組，如果從站的RX在主站的TX之後到達，並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。因此這種不可避免的干擾情況可能性將不復存在。

其次，對於ZigBee，如果遵循載波感測多元存取(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由於RX事件而同時使用同一通道，由於使用的頻寬和跳頻序列，WLAN也會觀察到窄頻段干擾。

最後，由於藍牙的跳頻機制，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，而交疊的時間比例取決於WLAN的跳頻序列和運作頻段。

除了上述所有考量之外，雖然無線電不完善引起的跨通道干擾也會影響干擾，但這不在本文的討論範圍之內。

本文描述並分析基於四線的PTA方案，解決共存問題，以便與不同無線技術共用2.4GHz通道。如果外部模組具有某些內建的保護，則PTA介面可以潛在地將爭用情況減少一半甚至更多。至於爭用情況(包含可避免及無法避免)的副作用是，由於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)，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。

(本文作者為安森美產品設計管理資深總監)