近年來隨著物聯網、汽車電氣化等新興應用持續發展，短距無線通訊將成為至關重要的技術，現階段該領域仍以Wi-Fi、藍牙、Zigbee獨占鰲頭，隨著更多應用的驅動，未來相關裝置的相容性，將成為影響人們使用的關鍵因素。
多協定連接滿足消費者和企業所要求的功能。為了在自動化場景中提供必要的可擴展性和穩定性，透過網狀網路進行設備間通訊是一種理想的實現方式。同時，能夠直接從智慧手機設置、控制或監視單一/一組設備，可讓消費者獲得更簡易的體驗，並提供技術人員在安裝時獲得更多及時診斷資訊的輔助功能。
增值服務可以利用連接的設備(例如燈)執行，例如在零售環境中提供基於接近感測的廣告，為技術人員傳輸系統健康資訊並追蹤倉庫中的資產。同時，人們希望參與多個生態系統，無論是Alexa、Apple HomeKit還是Google Home，都有各自的協定或整合要求。透過在單一設備上支援多協定，可以滿足上述的多種需求。
透過多種無線協定提供新體驗
本文將研究如何使用支援多協定的設備，改善家庭自動化場景中的體驗。Zigbee透過其網狀網路功能提供整個家庭的覆蓋範圍，並且可以透過閘道從家庭外部進行控制。但是，有了多協定支援，人們可以進一步擴展使用場景，用具有低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)的電話進行本地控制和位置感測。
透過同時支援藍牙和Zigbee連接，門鎖在接收到藍牙通訊後便會解鎖，同時能夠發送Zigbee訊息以打開客廳燈。當智慧手機帶入臥室時，使用接近感應服務(例如藍牙信標)，燈可以發送藍牙信標訊息，允許消費者打開房間中全部或部分的燈。
在零售或商業環境中，利用如藍牙信標的技術，提供基於位置的廣告、資產追蹤，以及開發人流熱圖(Heat Map)。大規模採用的挑戰之一是需要專用的信標設備，對於設備生命週期管理、連接範圍也會影響更新設備的統籌安排。
透過將藍牙信標整合到其他連接的基礎設施(例如照明)中，人們可以建立大規模且密集的信標覆蓋區域，不必同時部署連接燈和信標。連接的燈或燈具也可以用作藍牙信標。與部署單獨的專用信標設備相比，可提供更具成本效益的方式來提高信標密度，在須由電池供電的信標設備方面，具有毋需監視和維護的優勢。
利用多功能燈具提高信標密度
多協定也讓其他應用案例成為可行方案。例如無線更新可能會在網狀網路上花費很長時間，但是藍牙更高的輸送量，可在不消耗網狀網路頻寬的情況下，提供更新、更快的韌體映射傳輸。
尋找一種有效方式來支援多協定
利用多協定支援改善這些體驗所面臨的挑戰之一是要求每種協定都擁有多晶片或SoC。然而，利用多協定晶片，設備現在可以靈活地運行在不同的協定。表1描述多協定設備的一些常見示例。
有公司如Silicon Labs的單晶片解決方案，結合軟體/硬體方面的技術，使設備既支援Zigbee也支援藍牙，可滿足目前討論的應用案例需求。相對於兩個無線電，透過使用單一SoC無線子系統，可將BoM成本降低40％，並且藉由消除設計兩個無線電之間可能存在的干擾，簡化PCB設計。
在單一無線電上同時執行多協定
本文將更深入研究動態多協定調度，探討如何透過單一無線電支援多協定。當不發送訊號時，Zigbee路由器一直將無線電設為接收模式，如此一來，網路中的其他設備就可以不斷向其發送資料包或通過路由器。由於Zigbee流量的短工作週期(Duty Ratio)和Zigbee網路通訊協定中的重傳機制，Zigbee路由器可以在短時間內將其無線電更改為另一種協定，而不會在應用層級上丟棄任何訊息，使得人們可以在同一晶片上，對Zigbee和藍牙通訊進行時間切割。
協定連接間隔可以依據應用需求配置，對於藍牙信標，無線電只需大約1ms即可發送信標，並且信標之間的連接間隔通常不小於100ms。對於高速無線空中(OTA)韌體更新，設備可能需要配置支援更長的藍牙連線時間。然而，透過可配置的連接間隔，有公司如Silicon Labs的無線協定疊(Protocol Stack)經過專門設計，可以共用相同級別的無線電驅動程式和庫(RAIL)，以確保API和介面一致共用無線電。
此外，無線電調度器可管理協定所提出存取無線電的請求，而Micrium OS內核則負責管理協定疊之間的資源分享。有公司如Silicon Labs多協定調度考慮需要調度的協定，並使用基於優先順序的調度方法。藍牙需要固定的連接間隔才能有效運行，而採用MAC重傳方法的Zigbee則較為寬容。因此，對於Zigbee和藍牙多協定之間的操作，藍牙以更高的優先順序運行。由於使用RAIL、無線電調度器和Micrium OS的無線協定堆疊具有統一的結構體系，該系統能夠使用基於優先順序的調度方法來平衡Zigbee和藍牙操作，如圖1所示。
圖1 系統能夠使用基於優先順序的調度方法來平衡Zigbee和藍牙操作。
單一無線電進行Zigbee/藍牙調度作業要求條件
許多調度方案可能要求採用單一無線電執行正確的Zigbee和藍牙操作。調度器可以配置使某一協定在無線存取方面具有較高的優先順序。但是，最可能的配置是使藍牙連接和信標具有更高的優先順序，並且在不執行其他任何操作時將無線電保持在Zigbee接收模式。
圖2可以看到低優先順序的Zigbee接收是預設的，但是當需要Zigbee傳輸時，它將中斷預設作業，這是Zigbee設備的正常作業行為。當低功耗藍牙連接執行調度時，則採用前例，調度器會即時退出Zigbee接收模式，以執行藍牙連接。若調度器執行Zigbee傳輸超過無線電時間的要求時，在下一個藍牙連接或信標發射後，則調度器將重新安排Zigbee傳輸，使其在藍牙活動完成之後進行。
圖2 具有優先權的低功耗藍牙和Zigbee的接收作業背景。
若Zigbee資料包的傳輸時間超出預期，可能是由於退避或清除頻道評估所致，調度器可以中斷該傳輸並切換到藍牙，如圖3所示，對於Zigbee協定疊來說，看起來像是一次失敗的嘗試，因而重新進行傳輸，這次就成功了。
圖3 藍牙連接中斷Zigbee傳輸
同樣地，如果遠端Zigbee節點處於藍牙連接或信標期間嘗試將資料包發送到設備，該設備將無法接收該資料包，但是發送設備重傳後(IEEE 802.15.4 MAC重傳)，資料包會在第二次重傳嘗試時被接收。此外，若設備處於接收Zigbee資料包期間收到藍牙連接或信標訊號時，調度器可能會中斷資料包的接收，而發送設備也不會確認已收到資料包。因此，它將重傳並在第二次嘗試時才被成功接收，圖4顯示這兩種情況。
圖4 若設備處於接收Zigbee資料包期間收到藍牙連接或信標訊號時，調度器可能會中斷資料包的接收。
無線電調度器必須管理無線協定之間的各種情況，但是各個協定彼此之間並不會有任何察覺，必須請求存取無線電，才能判斷訊息發送/接收是否成功。
評估動態多協定性能
為了解執行多協定時的設備行為，測量和比較多種配置下的性能非常重要。在同一SoC和單一無線電上執行Zigbee和藍牙的情況下，情境可能包括：
．Zigbee輸送量相對於藍牙連接和/或廣播間隔
．Zigbee延遲相對於藍牙連接和/或廣播間隔
．Zigbee輸送量或延遲相對於可變的藍牙資料包類型和大小
．Zigbee重試和網路行為相對於可變的藍牙連接和/或廣播
依據圖5所示的測試設置，使用輻射測試設置在Silicon Labs裝置執行的測試案例導出以下結果：
圖5 動態多協定測試設置
結果顯示，802.15.4 MAC和Zigbee NWK層重試後可啟用，而Zigbee APS層重試後並未啟用。該設備的設置為通過在單跳點上傳輸70個字節的有效載荷，同時以指定的連接間隔保持藍牙連接並維持活動狀態。隨著藍牙連接間隔的減少，藍牙連接活動的次數會增加，且由於Zigbee網路上連接無線電的時間減少，也使得Zigbee吞吐量下降。請注意，此時端到端訊息的可靠性100%達成，儘管吞吐量因數據傳輸時間過長而下降，但Zigbee應用程序的訊息並未遺失，如圖6所示。
圖6 儘管吞吐量因數據傳輸時間過長而下降，但Zigbee應用程序的訊息並未遺失。
為驗證廣播間隔的影響，設備配置方式是以不同的間隔傳輸藍牙廣播，而不是保持藍牙連接。由於藍牙廣播資料包比保持藍牙連接活動的資料包更大，因此在相同時間間隔內，它們對Zigbee輸送量的影響略高。低至0.5s的廣播間隔對Zigbee輸送量幾乎沒有影響，可以滿足大多數用例的需求，如圖7所示。
圖7 由於藍牙廣播資料包比保持藍牙連接活動的資料包更大，因此在相同時間間隔內，對Zigbee輸送量的影響略高。
設計具有多協定連接系統
借助動態多協定硬體和軟體，現在可以在單一SoC上以經濟高效的方式去整合多協定的優勢。透過在設備上結合Zigbee和藍牙連接，家庭自動化、資產追蹤和零售廣告等應用領域可從中受益。
每個設備和應用都有獨特的需求，這些需求要求對軟體進行可配置性設置，例如藍牙連接間隔。在著手開發之前，重要的是要確保基礎軟體和硬體架構設計，可有效用於共享資源的無線電並支持調度情境。此外，需根據特定的應用和系統案例制定測試和性能基準，以確保在現場能正確運行。
(本文由Silicon Labs提供)