攻克现代物联网设备中的多无线射频共存难题
物联网在不断发展，用户需求也随之升级。终端用户对联网设备提出更高要求，希望设备能够与全屋智能家居生态系统互联互通。在 Matter 等智能家居标准的推动下，市场亟需可兼容多种无线语言的设备。智能网关、智能语音助手、智能音箱或机顶盒仅搭载 Wi-Fi 已经无法满足需求。如今市场普遍要求这类产品可作为成熟的 Thread 边界路由器或 Zigbee 网关使用。这就需要在小巧的硬件设计方案中，同时集成 802.15.4、Wi-Fi、蓝牙多种射频模块。
Silicon Labs 直面这一技术难题，推出专为复杂多协议稳定运行场景打造的无线 SoC 与模块。
2.4 GHz 网络面临的压力日益增大，干扰会对 802.15.4 造成哪些影响
2.4 GHz 频段的频谱拥堵问题愈发严峻。每新增一台 Wi-Fi 路由器，都会增加噪声。802.15.4 是低功耗、低传输速率的通信协议，可靠性是它的核心价值，而 Wi-Fi 干扰会直接破坏其通信可靠性，对其构成致命威胁
当 802.15.4 射频在重叠信道内受到近距离、大功率 Wi-Fi 信号干扰时，将会产生诸多不良后果，具体包括：
- 通信距离缩短：干扰通过带内干扰抬高了有效噪声基底。接收器想要成功解码数据包，接收信号强度必须显著高于干扰。干扰越强，设备有效通信距离就会大幅衰减。
- 通信时延增加：数据包受干扰发生损坏后，协议层必须重新发包。除此之外，CSMA/CA 的退避时延也会随之变长。每次重传都会增加时延，最终造成设备运行卡顿、反应迟钝，严重影响用户使用体验。
- 电池寿命缩短：对于电池供电的物联网设备而言，无线射频发射是功耗最高的工作环节。频繁的数据重传会让射频模块长期处于工作状态，从而大幅缩短电池寿命；受使用环境影响，电池寿命甚至可能从原本数年缩短至仅有数月。
- 网络不稳定：情况严重时，设备多次发送数据均失败，进而断开网络连接，需要重新接入网络。
充分理解上述影响，就能明白一套可靠的射频共存方案，是物联网产品稳定运行的必备基础。
非受控无线共存方案的局限性
抵御干扰的第一道防线是非受控无线共存方案，各个射频系统独立运行，依靠设计来尽可能避免互相产生冲突。这种方案依赖于物理设计、协议行为和射频性能的结合。
更为有效的手段之一便是频段隔离。让 802.15.4 网络选用远离活跃 Wi-Fi 信道的频段，可降低信道重叠产生干扰的概率。但该策略存在局限性。Wi-Fi 属于宽带信号，信号强度较高，即便二者信道理论上互不重叠，Wi-Fi 依然能够造成干扰。当 Wi-Fi 热点与物联网设备相距一米以内时，该干扰现象尤为明显。
空间隔离是另一项重要设计思路。增加设备之间的物理距离或提升天线隔离度，可以显著减少干扰。分散布局的终端设备容易实现空间隔离，但结构紧凑的多射频一体化产品很难做到。
对于与嘈杂外部环境交互的设备而言，采用稳健的射频来被动抵抗干扰的“非受控”共存方案是有益的。然而，当多个射频模块在同一块电路板上相距仅几十毫米同时工作时，这种策略就不够用了。附近 Wi-Fi 射频的发射功率，足以彻底压制低功耗的 802.15.4 射频。
如今，复杂的多射频设备已逐渐成为主流，这类设备需要采用主动式受控无线共存策略。
受控无线共存方案：数据包流量仲裁 (PTA) 是射频协同工作的基础
受控共存模式告别被动抗干扰，升级为硬件层面主动协同调度。业界通用的实现方案为数据包流量仲裁 (PTA)。Silicon Labs 的 EFR32MG24 SoC 可灵活适配所有标准 PTA 硬件配置，能够与各类 Wi-Fi 芯片组无缝搭配使用。
如下图所示，数据包流量仲裁的原理简洁且高效：负责 802.15.4 通信的 MG24 射频与 Wi-Fi 射频之间互相收发请求与许可信号。
数据包流量仲裁工作原理
- 802.15.4 需要访问权限
802.15.4 射频有待发送或待接收的数据。 - 发起请求
802.15.4 射频向 Wi-Fi 射频发出请求信号。 - Wi-Fi 评估
Wi-Fi 射频依据自身内部策略（例如优先级、公平机制、当前活动等）评估该请求。 - 下发许可
Wi-Fi 射频向 802.15.4 射频回复许可信号。 - 许可访问
802.15.4 射频占用信道进行通信，Wi-Fi 射频暂停或延后自身的数据发射。
可根据系统需求选用不同等级的协同方案：
- 两线式 PTA：MG24 输出 COEX_REQ 信号，Wi-Fi 射频输出 COEX_GRANT 信号。
- 正常工作：Wi-Fi 正在占用无线信道（无请求信号，802.15.4 处于空闲状态）。
- 802.15.4 请求访问：MG24 断言 COEX_REQ，申请占用无线信道。
- Wi-Fi 授予访问权限：Wi-Fi 通过断言 COEX_GRANT 进行确认。
- 802.15.4 传输：MG24 现在拥有无线信道，可以发送/接收。
- 三线式 PTA：添加 COEX_PRIORITY 信号，允许 MG24 标记其请求的紧急程度（例如，高优先级应答包、低优先级传感器读数）。
- 802.15.4 需要访问：MG24 存在待发送或待接收的数据。（Wi-Fi 可能已经在使用无线信道。）
- 发出请求与优先级标识：MG24 断言 COEX_REQ 并设置 COEX_PRIORITY 以指示紧急程度（高或低）。
- Wi-Fi 评估优先级：Wi-Fi 评估优先级，并决定是否授予访问权限（立即授予或延迟/推迟）。
- 返回授予结果：如果授予访问权限，Wi-Fi 将断言 COEX_GRANT。
- 802.15.4 使用无线信道：MG24 收发数据，不受 Wi-Fi 干扰。
- 四线式 PTA：额外新增信号用于区分数据包类型（TX 或 RX），以此提供最完整的通信上下文信息，让 Wi-Fi 仲裁单元获取更全信息，实现最高效率的流量调度。
- 802.15.4 需要访问：MG24 存在待发送或待接收的数据。
- 发出 COEX_REQ + COEX_PRIORITY + COEX_FREQ：MG24 断言 COEX_REQ，并使用以下内容提供上下文：COEX_PRIORITY 表示紧急程度，COEX_FREQ 表示频率/信道信息。
- Wi-Fi 评估请求 + 频率上下文：Wi-Fi 射频结合当前活动、优先级和 COEX_FREQ 频率/信道信息评估请求。
- 返回 COEX_GRANT：如果允许访问，Wi-Fi 射频将断言 COEX_GRANT。
- 802.15.4 使用无线信道：在 Wi-Fi 延迟其活动时，MG24 在专属受保护时段完成数据收发。
下方时序图展示了 MG24 如何借助数据包流量仲裁 (PTA) 划分清晰、受保护的工作时隙。MG24 在传输开始之前断言其 REQ 信号。它不仅在自己的发送 (TX) 期间保持 REQ 有效，而且在等待接收确认 (RX ACK) 的关键窗口期间也保持 REQ 有效。只有整笔传输事务全部结束后，才会取消断言 REQ。该流程可保证完整的 802.15.4 事务不受自干扰影响。
用于高级管理的占空比式数据包流量仲裁
对于重视省电续航的电池供电设备，MG24 平台还支持占空比式 PTA。MG24 无需持续发出请求，可通过配置，仅在预先规划的特定时间窗口内申请信道使用权。Wi-Fi 射频可识别该时序安排，在上述关键短暂时段主动暂停收发，进入静默状态。这样可以更大限度缩短 Wi-Fi 射频的暂停时长，在保障关键 802.15.4 数据流调度、节约功耗的同时，提升整体吞吐量。
信号识别器：MG24 智能方面的专利突破性技术
传统 PTA 允许 802.15.4 射频请求使用共享信道资源，并暂缓 Wi-Fi 工作以避免信号冲突。但该方案存在固有限制。Wi-Fi 空闲期间，系统无法感知正在传输的蓝牙低功耗 (LE)、Zigbee 活动，只能采用保守或激进的调度策略，例如抬高优先级、启用占空比机制。这些方法要么会造成 Wi-Fi 性能下降，要么无法保障低功耗无线通信的稳定性。
信号识别器 (SI) 是集成于 Silicon Labs MG24 SoC 的独有专利硬件功能，可实现更高层级的射频共存智能调度。SI 不会检测 Wi-Fi 数据包，而是基于协议解析能力持续监测无线信道中有效的蓝牙低功耗和 Zigbee 信号。
在 Wi-Fi 数据包传输的自然间隙时段，SI 侦测是否存在正在收发的蓝牙低功耗或 Zigbee 数据包。一侦测到有效信号，SI 会立即断言高优先级 PTA 请求，推迟下一次 Wi-Fi 传输。由此开辟一段受保护的接收窗口期，让蓝牙低功耗或 Zigbee 数据包被不受干扰地成功接收。
这套智能共存机制让 MG24 能够动态保护关键低功耗无线数据流，同时尽可能避免对 Wi-Fi 性能造成不必要的影响，大幅提升通信稳定性与射频共存效率。
下述流程将演示 MG24 信号识别器如何在与 Wi-Fi 共存场景下智能保护 BLE、Zigbee 通信，相较仅依靠传统 PTA 的方案，运行效率与可靠性大幅提升：
- Wi-Fi 开始传输：Wi-Fi 射频处于发送状态，占用信道。
- 出现 Wi-Fi 间隙：Wi-Fi 数据包之间出现天然空闲间隙，为其他射频模块提供短暂通信时机。
- SI 检测到有效蓝牙低功耗/Zigbee 信号：在 Wi-Fi 传输间隙期间，SI 在无线信道中侦测到有效的蓝牙低功耗或 Zigbee 数据包。
- SI 请求 Wi-Fi 延迟：SI 立即断言高优先级 PTA 请求，推迟下一次 Wi-Fi 传输。
- Wi-Fi 延迟传输：Wi-Fi 射频遵从 PTA 请求，临时暂停下一次传输。
- 蓝牙（低功耗）/Zigbee 继续通信：在受保护的时间窗口内，MG24 可安全地收发蓝牙低功耗/Zigbee 数据包。
- 通信事务完成：蓝牙低功耗/Zigbee 通信顺利完成，全程不受 Wi-Fi 干扰。
- Wi-Fi 恢复传输：PTA 请求被释放，Wi-Fi 随即恢复正常传输。
这套专利智能共存机制，将射频共存由静态调度模式转化为具备协议识别能力的动态防护系统。MG24 仅在侦测到有效的蓝牙低功耗或 Zigbee 通信时才选择性延迟 Wi-Fi 传输，大幅提升无线通信稳定性与射频共存效率，成为该平台的核心差异化优势。
受控式无线射频共存是现代智能家居的必备条件
随着智能家居产业快速发展，加之 Matter 等协议标准推动更加集成的功能，受控射频共存已不再是小众附加功能。OpenThread 边界路由器 (OTBR) 与网关功能广泛搭载于各类消费设备后，射频共存能力已然成为一项硬性需求。开发者可依托 Silicon Labs MG24 系列内置的全套射频共存工具（包含灵活多线路 PTA 以及拥有专利的智能信号识别器），打造稳定可靠、高性能的多协议设备，支撑新一代物联网发展。
