将 Wi-Fi 网关转变为智能家居的物联网基础设施

白皮书

将 Wi-Fi 网关转变为面向智能家居的多协议物联网基础设施

在本白皮书中，您将了解如何将传统的仅 Wi-Fi 网关转变为节能、高性能、面向未来的多协议物联网基础设施，并将其推广到数百万个智能家居。

本白皮书讨论了在 Wi-Fi 网关上引入 Matter 和 Thread 802.15.4 协议的主要挑战。描述了面向制造商和互联网服务提供商 (ISP) 的三个解决方案，对支持物联网的 Wi-Fi 家庭网关上的 Wi-Fi 共存、天线覆盖和能耗进行优化。包括测试结果和计算，以量化潜在的无线性能增益、天线覆盖范围改进和网关节能。

从 Wi-Fi 到多协议物联网

智能家居消费级设备市场发展迅猛，高带宽、高功耗的 Wi-Fi 并非所有设备类型的最优连接协议。事实上，智能锁、恒温器、接触传感器等诸多新型物联网设备，更适配低功耗、轻量化的网状网络连接技术，例如 Thread、Zigbee、Z-Wave、蓝牙低功耗 (BLE)。领导 ISP 和电信运营商正在其传统的 Wi-Fi 用户终端设备 (CPE) 上集成新的物联网功能，布局智能家居业务，抢占生态市场份额。

图 1. ISP 正在通过新增 Thread 802.15.4、Zigbee、蓝牙低功耗及其他低功耗无线协议补充 Wi-Fi，将仅支持 Wi-Fi 的传统存量用户终端设备 (CPE)，升级为多协议物联网家庭基础设施。

ISP 布局智能家居面临的挑战

我们正在目睹一种趋势，即 ISP 逐渐认识到，拥有互联智能家居的无线物联网基础设施是他们的职责所在。然而，许多服务商面临的主要挑战是其仅支持 Wi-Fi 的传统 CPE 基础设施，这些设备原生不兼容 Thread、Zigbee、Z-Wave、蓝牙低功耗等低功耗物联网连接技术。因此，从单一 Wi-Fi 网络过渡至多协议物联网体系，会衍生出一系列全新技术挑战，包括：

• 如何在家庭中建立物联网锚点，例如 OpenThread 边界路由器 (OTBR)
• 如何优化 2.4GHz 共用频段下的多无线协议共存问题
• 如何在不降低 Wi-Fi 吞吐量的前提下，最大化低功耗物联网的性能
• 如何增加网关天线覆盖范围，以改善家庭无线用户体验
• 如何降低网关功耗，以满足最新能耗法规要求

搭建多协议物联网基础设施

物联网协议

智能家居物联网设备市场高速发展，Wi-Fi 仅为使用的众多无线协议中的其中一种。Amazon、Apple、Google 等生态厂商已经着手通过统一 Matter 协议打通各自封闭的智能家居生态系统，使设备可依托通用设备数据模型，基于 Wi-Fi、Thread、蓝牙低功耗协议实现跨生态互联互通。

同时，Apple 等全球消费级设备制造商正在将 Thread 技术整合到智能手机、平板电脑、笔记本电脑和电视中，使用户能够轻松控制智能家居设备。因此，他们正在加速向多协议智能家居现实的发展。

尽管 Matter 正在成为智能家居主流无线技术，但并非唯一协议。Zigbee 作为成熟的超轻量化网状网络协议，依旧广泛适用于智能灯具、智能开关等诸多应用场景。Z-Wave 作为 1 GHz 以下网状网络协议，继续为需要超低功耗和超长距离的应用（如家庭安防和监控）提供支持。综上，许多相关协议将与 Matter 共存，甚至可以通过基于标准的桥接解决方案集成到生态系统中。

本白皮书重点围绕 Matter 协议，为服务提供商分析其中的机遇与技术难点。本文给出在现有 Wi-Fi 方案基础上集成 Thread 协议的解决方案，使其可同时兼容 Matter 协议包含的两类无线连接技术。

Matter 网关

搭建无线物联网基础设施，是服务提供商布局可扩展、前瞻性智能家居业务的首要环节。Wi-Fi 已是普及率最高的家庭网络基础协议，几乎所有服务提供商的消费级家用网关均已内置 Wi-Fi 功能。但智能家居设备的未来并非仅依靠 Wi-Fi。Wi-Fi 并非适配所有设备类型的最优无线协议。如果我们假设 Matter 将继续保持发展势头并在家庭中普及，那么家居基础设施就需要完整支持 Matter 包含的全部协议：Wi-Fi、Thread、蓝牙低功耗。

想要接入 Thread 网络，就需要在家用网关或路由器中集成 Thread 无线电模块。集成后，网关或路由器就会成为 Open Thread 边界路由器 (OTBR)。OTBR 是 Thread 边界路由器的开源实现，充当 Thread 网络与其他 IP 网络（如 Wi-Fi）之间的网关。此外，该无线电模块可让 OTBR 同时作为 Thread 网络控制器或接入点 (AP)。与 Wi-Fi AP 一样，一个芯片集成在网关中；Thread 芯片同样控制 Thread 网络以及接入该网络的 Thread 设备。

如果您希望从单一 Wi-Fi 网络服务商升级转型，为用户提供全套高价值智能家居应用服务，Silicon Labs MG21 和 MG24 可助力您在用户终端设备 (CPE) 上实现 Matter 网关能力。您将实现家庭全域物联网网络可视、数据采集、设备管控，并依托自有品牌的 Matter 生态设备与应用套餐，最终实现营收增长。

网关端 Wi-Fi 共存

Wi-Fi 与各类物联网无线协议拥有不同的调制方式、信道频率和带宽，但在 2.4GHz 同频段共存时会出现频谱重叠。某一无线协议的信号会对其他协议形成干扰噪声。当有效信号强度低于干扰噪声时，无线电模块将无法正常接收消息。

无线协议共存技术可实现 Wi-Fi、Thread、Zigbee、蓝牙低功耗等多种技术在 2.4GHz 频段并行工作，消除各无线电模块间的信号干扰。有几种替代方案可以在网关上实现 Wi-Fi 共存，它们通常分为非管控和管控技术。

非管控型 Wi-Fi 共存

非管控型 Wi-Fi 共存技术通常涉及使用不同的频段分隔无线电、调整协议栈参数以及提升天线隔离度。下表汇总了各类非管控型 Wi-Fi 共存解决方案。

目前智能家居设备和网关正朝着高 Wi-Fi 发射功率、高吞吐量方向发展。对于高占空比 Wi-Fi 应用场景，非管控型共存技术无法适配扩展需求。Silicon Labs 建议在多协议物联网网关上部署管控型共存解决方案。同时建议将非管控型共存技术作为补充，辅助管控型解决方案。

非管控型共存技术

管控型 Wi-Fi 共存

对于搭载大功率 Wi-Fi 无线电、高吞吐量传输场景的多协议物联网网关，管控型 Wi-Fi 共存是必备技术。管控型共存技术可主动协调同网关内 Wi-Fi、802.15.4、蓝牙无线电对共用频段的使用权，避免传输信号重叠冲突。

下表介绍 Silicon Labs EFR32 多协议无线物联网产品支持的三种先进管控型 Wi-Fi 共存解决方案的核心特性：

• 数据包传输仲裁 (PTA)
• 占空比型 PTA（又称 PWM）
• 信号识别器（Silicon Labs 专利技术）

管控型共存解决方案

数据包传输仲裁

数据包传输仲裁 (PTA) 最早出自 IEEE 802.15.2 (2003) 规范的第 6 条，初衷为解决 802.11b (Wi-Fi) 与传统蓝牙 802.15.1 共存问题，减少在同一频段中使用不同无线协议的共置无线电之间的数据包冲突。

Silicon Labs EFR32 产品支持 PTA 仲裁机制，可协调 802.15.4（Thread、Zigbee）、蓝牙低功耗协议与相邻 Wi-Fi 无线电共用无线信道资源。当 EFR32 需要占用共用频段时，会通过 GPIO 向 Wi-Fi 设备发送信号，暂缓 Wi-Fi 传输以释放信道资源。有多种 PTA 协商协议可用：1 线、2 线、3 线和 4 线。

PTA 如何工作？

PTA 协调共置且共用公共频段的主无线电和次无线电之间的传输。PTA 主控端根据两个无线电设备之间通过 GPIO 连接交换的握手信号，实时决定哪个无线电模块具备传输权限。PTA 次控端根据两个设备的数据包传输要求，反馈对应握手信号。PTA 的工作流程如下：

1. 物联网设备发出传输/接收数据包的请求。请求可附带优先级
2. Wi-Fi 无线电设备接受请求，并为物联网传输/接收分配一个时隙
3. Wi-Fi 设备暂停传输，让物联网设备开始收发数据
4. 传输完成后，物联网设备撤销请求，Wi-Fi 设备收回信道使用权。

占空比型 PTA

物联网无线电无法预判数据包到达时间，必须捕获数据包前导码才能完成信号检测与数据接收。随着 Wi-Fi 传输占空比升高，可供物联网捕获前导码的空闲时段缩短，进而导致物联网丢包和重传次数增加。

在占空比型 PTA（又称 PWM）中，EFR32 物联网无线电拥有一个规律且周期性的时隙，用于向相邻的 Wi-Fi 无线电申请信道使用权。但 Wi-Fi 模块仍可自主判断是否准许每一次 PTA 信道申请。

得益于中断 Wi-Fi 传输的周期性请求，在网关进行密集的 2.4 GHz Wi-Fi 传输时，占空比型 PTA 增加了物联网无线电接入共用信道的概率。占空比型 PTA 的弊端在于，即便无任何物联网活动，Wi-Fi 2.4 GHz 频段性能依然会受损。此外，PTA 申请时间窗口和占空比必须与 Wi-Fi 信标帧严格适配，防止 Wi-Fi 网络瘫痪。

信号识别器

尽管占空比型 PTA 能够改善高强度 Wi-Fi 2.4 GHz 传输时的物联网通信性能，但部分场景下仍存在缺陷：即使没有活动的物联网流量，它也会降低 Wi-Fi 吞吐量。信号识别器是 Silicon Labs 的一项专利技术，能够在 Wi-Fi 帧间间隔 (IFS) 期间检测物联网信号（802.15.4、蓝牙）。它仅在检测到物联网信号时才中断 Wi-Fi 无线电。信号识别器可检测数据包流任意位置的物联网信号，无需捕获协议前导码头作为检测前提，提升信号检测成功率，减少数据重传次数。信号识别器与 PTA 协同工作。成功检测到信号后，就会发起 PTA 请求，暂停 Wi-Fi 传输，释放共用信道资源。

信号识别器如何工作？

当 802.15.4 信号检测器在 Wi-Fi IFS 期间检测到信号时，系统会发起 PTA 请求暂停 Wi-Fi 传输，保障物联网重传数据包正常接收。设备成功接收物联网数据包并由确认应答确认后，撤销 PTA 请求。如果在可编程的接收重试超时时间内未收到 802.15.4 数据包，则撤销 PTA 请求，允许 Wi-Fi 恢复运行。

管控型 Wi-Fi 共存解决方案对比

以下测试展示占空比型 PTA 和信号识别器管控型共存解决方案与无管控共存解决方案场景相比的优缺点。测试环境采用 Silicon Labs WF200（运行 Wi-Fi 4）和 EFR32MG24（运行 Zigbee），来模拟由共置的 Wi-Fi 2.4 GHz 无线电和 802.15.4 无线电组成的多协议物联网网关。WF200 以高传输占空比传输 Wi-Fi 2.4 GHz 数据。向 EFR32MG24 发送低信号强度周期性 802.15.4 数据包，模拟远端设备向网关传输数据的场景。

结论 — 选择合适的 Wi-Fi 共存解决方案

网关制造商或服务提供商在开发多协议物联网网关时，可以在多种管控型 Wi-Fi 共存解决方案之间进行选择。然而，各类解决方案的性能表现差异显著。

• 选择无管控型共存解决方案可以为终端用户提供充足的 Wi-Fi 2.4 GHz 吞吐量，且在此测试用例中性能仅有轻微下降。但是，802.15.4 设备用户可能会遭遇严重的性能下降，因为 Wi-Fi 2.4 GHz 往往会遮蔽物联网通信信号。
• 占空比型 PTA 通过为物联网流量提供固定周期性监听时隙，可显著提升 802.15.4 性能。但该方案需周期性中断 Wi-Fi 传输（即使没有物联网流量），Wi-Fi 2.4 GHz 最大吞吐量损耗最高可达 ~7-15%。
• 基于信号识别器和 PTA 的管控型共存解决方案为 Wi-Fi 和 802.15.4 性能提供了最佳平衡。在本测试用例中，该方案对 Wi-Fi 2.4 GHz 性能影响极小，最大吞吐量几乎无损耗；同时只要存在活跃的物联网流量，就会开放充足共用信道资源给 802.15.4（Zigbee、Thread）协议。

了解有关 Wi-Fi 共存的更多信息：UG103.17 Wi-Fi 共存基础知识

网关天线覆盖范围

对于互联网服务提供商而言，每一户家庭的无线环境都存在独特的通信难题。服务提供商无法控制 CPE 在用户室内中的摆放位置（用户通常将 CPE 放在宽带入户插座旁）。因此，不同家庭内网关天线覆盖效果差异较大，导致物联网无线连接和用户使用体验难以预测。

多路径传播

室内金属物体会反射无线电波，形成多条传输路径，信号在天线处发生相消干涉，造成信号深度衰减。物联网终端设备天线类型、安装位置各不相同，易造成网关与设备间的极化损耗。大多数路由器和网关的工业设计所采用的紧凑外观结构，会导致物联网天线背对一侧出现信号深度盲区。每户家庭的 RF 环境均不相同，各类 RF 问题会降低用户体验、引发用户投诉，加重服务提供商客服中心负担，提升运营成本。

多路径传播：视距 (LOS) 信号路径与反射信号

天线分集

Silicon Labs MG24 多协议 SoC 上的 802.15.4 支持天线分集技术，该技术采用双天线设计，可帮助克服家庭环境中的潜在 RF 问题。天线分集技术通过双天线动态切换，优化信号接收效果。当其中一根天线检测到信号时，系统会采集另一根天线信号进行对比，择优选用信号更强的天线。随后由信号质量更优的天线接收该数据包的剩余部分。天线切换操作本身可能会影响灵敏度。但天线分集带来的 RF 性能增益，远大于灵敏度轻微损耗带来的负面影响。

拉开天线间距可规避反射带来的多径相消干扰。结合网关机身结构合理布局天线间距，还能让网关周边天线方向图更加均匀（见下图）。图示可见，单天线设备部分方向的信号会被网关机身遮挡。采用天线分集技术后，设备四周均可实现有效信号覆盖。分集天线可采用正交极化设计，弥补网关天线与物联网终端设备天线之间的极化损耗。

天线分集技术可显著提升家庭物联网网关的无线链路余量与通信距离，在信号临近接收灵敏度下限、复杂恶劣 RF 环境下优势尤为明显。Silicon Labs 提供内置的天线分集算法，服务提供商无需在网关微控制器上额外开发固件。这无需进行算法开发和调试即可解锁天线分集的优势，从而获得更稳健的解决方案并加快上市时间。

真实家居环境中的网关天线覆盖测试

为验证真实家居环境下天线分集技术的优势，本次测试对比两种场景的天线覆盖效果：搭载天线分集技术的物联网中枢、未搭载该技术的物联网中枢。

测试在公寓内多个点位进行，使用两台 EFR32MG24 设备采集接收信号强度指示 (RSSI) 数据。其中一台设备搭载天线分集无线电板 (BRD4188B)，摆放在固定位置以模拟物联网中枢（参见户型图上的路由器/中枢图标）。另一台设备在公寓内四处移动，以模拟任意的物联网设备。在 RSSI 测量期间，环境其余条件均保持稳定。两台设备均运行 Simplicity Studio 自带的范围测试应用程序，便捷完成多点位 RSSI 数据采集。

下方两张热图分别展示两种测试场景下公寓各点位实测 RSSI 数值。红色区域表示 RSSI 数值低，信号强度弱（接收器灵敏度低），天线覆盖效果差。绿色区域表示 RSSI 数值高，信号强度强（接收器灵敏度高），天线覆盖效果好。黄色区域表示信号强度（接收器灵敏度）处于合格区间。

未采用天线分集时，户型部分区域存在信号盲区，RSSI 数值骤降（户型图上的红点）。该现象由多路径传播引发的信号相消干涉导致。

本次测试直观体现了天线分集技术的核心优势：全屋天线信号更强、覆盖更均匀。天线分集热图显示，集线器设备双天线设计消除了信号弱覆盖区域。物联网集线器的天线分集技术不会提升硬件接收灵敏度，严格来说无法扩大公寓内的整体覆盖范围。但能大幅提升公寓有效覆盖范围内的信号质量。

关于天线分集的结论

家庭内部复杂多变的 RF 环境一直是互联网服务提供商面临的难题。他们无法控制 CPE 与物联网设备的连接质量。而用户满意度、客服运维成本都与无线连接质量直接挂钩。Silicon Labs MG24 多协议 SoC 上的天线分集技术在网关周边 360 度范围内实现更强、更均匀的天线辐射方向图，改善天线覆盖质量，提升用户体验，并降低服务提供商的运营支持成本。

更多天线分集相关资料：

阅读我们的应用说明 882，深入了解 Silicon Labs EFR32MG24 上的天线分集功能。如需了解如何使用 MG24 上的天线分集功能，请参考应用说明 1294 以了解如何为 OpenThread 配置天线分集。

网关能耗

简介

智能恒温器、照明、安全传感器和摄像头等物联网设备可为其用户提供前所未有的便利。然而，智能家居设备激增也会直接或间接增加能耗。网关和路由器等用户终端设备 (CPE) 是联网家庭的核心支柱。CPE 通常长期不间断运行，确保无论在任何情况下安防摄像头或检漏仪等关键应用都能正常运行。然而，即使没有网络活动，CPE 也会全功率运行，比如夜晚或用户休假期间，从而增加能源成本。

欧盟全新严苛生态设计待机法规 2023/826 (HiNA)（2027 年正式生效）等能耗法规，将严格限制消费级 CPE 待机功耗，以降低家庭能耗。新规要求服务提供商降低网关功耗，设备空闲时需让微处理器、Wi-Fi 无线电等大部分 CPE 组件进入睡眠状态。然而，CPE 睡眠模式给服务提供商带来了复杂的技术难题：在网关睡眠期间，如何保持安防系统等关键应用的运行？在需要时如何唤醒网关？

Thread/Matter 唤醒解决方案

Silicon Labs 待批专利的 Thread/Matter 唤醒解决方案通过使 CPE 在空闲期间进入睡眠状态并在必要时瞬间唤醒，显著提高网关能效。网状连接可让物联网设备在需要连接时自动触发唤醒。该解决方案在节省网关能耗的同时，还保持关键智能家居应用的运行并改善用户体验，用户无需担心开关 CPE 的问题。

如何运行？

智能唤醒触发功能可让 CPE 进入深度睡眠，使功耗降至最低水平，而且能够随时唤醒，对智能家居活动做出响应。例如，如果运动传感器检测到移动或业主开启智能锁，CPE 会立即唤醒并恢复全连通性。睡眠模式与活动模式无缝过渡可确保用户充分体验智能家居的便捷性和安全性，避免不必要的能源成本。

集成 Matter 与 Thread

Silicon Labs 的 Thread/Matter 唤醒解决方案通过支持由这些协议触发的唤醒事件，充分利用了 Matter 和 Thread 协议的功能。例如，支持 Matter 或 Thread 的设备（如智能恒温器或安全传感器）可以发送信号唤醒 CPE，使其从睡眠模式苏醒过来。这确保了在 CPE 处于节能状态时，仍能对关键事件做出即时响应，而用户无需担心功能丧失。

这种方法对于安全系统和能源管理等应用尤其有效。安全摄像头或运动传感器可以在最低功耗状态下保持网络连接，只有检测到活动才会唤醒 CPE。同样，智能恒温器等环境控制功能可在需要调节温度时唤醒 CPE，既保障舒适的家庭环境，又不会浪费能源。

估算网关节能效果

本节结合低功耗网状网络技术的三个典型用例，估算了如果使用该技术且网关在睡眠模式下运行，CPE 可以节省多少能源。

夜间模式

到了晚上，绝大多数家庭几乎停止活动。智能灯、安全摄像头和传感器等设备通常处于备用模式，保持连接难免产生功耗。如果家中采用传统的始终在线 CPE，即使网络几乎没有任何通信，网关仍会全面运行。部署 Silicon Labs 低功耗网状网络技术后，CPE 可在闲置期间进入睡眠模式。只有当运动传感器检测到活动或用户与系统进行交互时，才会唤醒 CPE。这样可以大幅降低功耗，同时确保基本功能（例如，安全功能）保持运行：

度假模式

如遇假期或长时间外出，智能家居设备（例如，灯和暖通空调系统）使用频率可能会大大降低。不过，CPE 仍会全面运行，消耗电量。Silicon Labs 解决方案可在家中无人居住时将 CPE 设置为休眠模式，只有当发生关键事件（例如，启用 Thread 的安全传感器发出警报或启用 Matter 的恒温器进行远程温度调节）时才会唤醒。这样可以显著降低能耗，同时保证住宅安全并提高灵敏度。

非主要居所

非主要居所或度假屋通常配备联网设备，例如安全系统或环境监测器，此类设备长期处于备用状态。按照惯例，CPE 会全天候运行，确保这些系统保持通信。

Silicon Labs 技术允许非主要居所 CPE 进入深度睡眠状态，同时通过 Matter 或 Thread 保持网络连接。智能锁或环境传感器等设备可以根据需要唤醒 CPE，但在此之前，CPE 需保持最低功耗。

测算数据

基于设定前提，以下数据为采用 Thread/Matter 唤醒方案后的网关节能潜力估算。

百万台网关夜间模式节能收益

• 能耗减少：117,600 千瓦时/晚
• 电费节约金额：约 30,000 欧元/晚（0.25 欧元/千瓦时）
• 年度节约总额：约 1,000 万欧元

结论 — 网关能耗

即将出台的欧盟生态设计法规 2023/826 对电子设备提出了更严格的能耗限制。这为互联网服务提供商带来了一项复杂挑战：如何在设备闲置时使 CPE 进入睡眠，在有使用需求时唤醒设备，同时不影响智能家居功能与用户使用体验？Silicon Labs 的低功耗网状网络技术，为网关睡眠模式管理提供了创新、直观、自动化的方案。借助网状网络连接能力，物联网设备可在自身需要联网时唤醒 CPE。该方案可降低网关能耗，保障核心智能家居应用正常运行，同时优化用户体验。