利用ConcurrentConnect?天線分集技術(shù)擴大通信范圍

Qorvo的ConcurrentConnect技術(shù)解決了四個系統(tǒng)設(shè)計難題，對于實現(xiàn)用戶友好、順暢、可靠的通信，同時保持小 巧美觀的外形至關(guān)重要。

Qorvo的ConcurrentConnect天線分集技術(shù)適用于低功耗無線控制器，可在典型的室內(nèi)環(huán)境中提供卓越的范圍和可靠性。其基礎(chǔ)算法已嵌入Qorvo通信控制器的硬件中。因此，它不僅快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟高效，而且對用戶透明。

本文將討論這項技術(shù)的性能優(yōu)勢，并介紹它在運行于受限環(huán)境中的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中易于部署的特點。

圖1 ConcurrentConnect 技術(shù)的四個方面/象限概述

1 背景

經(jīng)過20年的發(fā)展，用于低速率無線網(wǎng)絡(luò)的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)已涵蓋了在多個頻段運行的約20 種不同的PHY。該標(biāo)準(zhǔn)中最成功的PHY 之一是在2.4 GHz頻段工作的IEEE 802.15.4 OQPSK PHY。它是第一版IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)中就有的PHY 之一，并為Zigbee、Thread和Matter等知名的智能家居標(biāo)準(zhǔn)提供支持。

在此背景下，許多技術(shù)陸續(xù)開發(fā)出來，以改善基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗無線設(shè)備的無線鏈路。其中一種技術(shù)是天線分集，使用兩個或多個天線來增強無線設(shè)備之間的通信。這尤其適用于室內(nèi)環(huán)境，因為室內(nèi)射頻信號會受到反射、衰減、干擾和失真的影響，從而導(dǎo)致連接中斷并限制通信范圍。

有效地實施天線分集，能夠?qū)崟r選擇具有最佳通信鏈路的天線，以提高接收器探測信號的能力。這提高了數(shù)據(jù)接收效率并降低連接損耗。

然而，天線分集技術(shù)也會在設(shè)計復(fù)雜性和天線選擇算法有效性方面帶來額外的挑戰(zhàn)。其中包括需要額外的計算處理，如不加以優(yōu)化，會導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加。此外，多天線設(shè)計比單根天線需要更多空間。

Qorvo的ConcurrentConnect天線分集技術(shù)采用特有的算法解決了這些挑戰(zhàn)。該技術(shù)可與適用于小尺寸物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的緊湊型天線設(shè)計技術(shù)相結(jié)合。

圖2 ConcurrentConnect天線分集算法簡化流程圖

2 Qorvo天線分集技術(shù)

Qorvo的ConcurrentConnect天線分集技術(shù)已應(yīng)用于數(shù)億臺設(shè)備，與其他天線分集方法相比， 該技術(shù)具有獨特的 優(yōu)勢。

Qorvo的Rx分集算法通過硬件實現(xiàn)。圖2展示了簡化流程圖。相關(guān)性分析采取并行計算方式，可在幾微秒內(nèi)選出合適的天線。使用了IEEE 802.15.4 信號信噪比(SNR)相關(guān)性，與RSSI 等方法相比，它具有更高的準(zhǔn)確性。

在硬件層面實施算法不僅速度快，而且對用戶（通常是OEM 公司）完全透明。此外，Qorvo 的天線分集在芯片上集成了開關(guān)以確保設(shè)計簡便性，無需任何特殊的射頻知識或軟件管理。

低功耗IEEE 802.15.4無線控制器中的傳統(tǒng)方法僅可以支持sub-Ghz協(xié)議中的接收分集。此外，傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包檢測和最佳天線選擇的耗時較長，這就意味著需要更長的處理時間和更多功耗。Qorvo 的方法可在前導(dǎo)碼時間內(nèi)快速檢測到有效的前導(dǎo)碼并選擇合適的天線。

圖3所示為IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)包的接收時序圖。一個符號的長度為16 μs。在一個天線時隙完成數(shù)據(jù)包檢測和分析后，就會選擇第二個天線，并在該天線上進(jìn)行同樣的分析。隨后將選擇結(jié)果最好（或足夠好）的天線來接收其余數(shù)據(jù)包，從而消除干擾和其他影響性能的環(huán)境因素。

圖3 Qorvo Rx分集算法序列

Qorvo算法的另一個優(yōu)點是，它支持三個不同射頻信道上的天線分集。圖4時序圖對此進(jìn)行了說明。對于3 個信道的天線分集，16 μs時隙以時分復(fù)用方式進(jìn)行分析：CH0AN0、CH0AN1、CH1AN0、CH1AN1、CH2AN0、CH2AN1。一旦在其中一個時隙上檢測到數(shù)據(jù)包，設(shè)備就會切換到檢測到數(shù)據(jù)包的同一信道上的另一根天線，并選擇結(jié)果最好的天線。

如圖4 所示，如果在時隙CH1AN1 上檢測到數(shù)據(jù)包，設(shè)備不會切換到CH2A0，而是會檢查CH1AN0，并選擇結(jié)果最好的天線來檢測數(shù)據(jù)包的其余部分。由于家庭、辦公室和商業(yè)環(huán)境中聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量不斷增加，多信道功能的可靠性變得越來越重要。

圖4 ConcurrentConnect多信道運行模式下的Qorvo Rx分集算法序列

3 在不同環(huán)境下利用天線分集擴大通信范圍

本章介紹使用以下Qorvo 無線設(shè)備的仿真結(jié)果：QPG6105 用作終端節(jié)點( 發(fā)射端)，QPG7015M 用作網(wǎng)關(guān)/ 路由器( 接收端)。

圖5和圖6比較了在不同噪聲水平下采用和未采用Qorvo 天線分集技術(shù)的通信范圍。我們考慮了兩種不同的室內(nèi)環(huán)境：住宅公寓（多房間）和開放式辦公室（單房間）。

圖5 QPG6105和QPG7015M在使用和不使用天線分集情況下的通信范圍（住宅公寓環(huán)境）

與開放式辦公室或單房間相比，多房間住宅公寓的建筑結(jié)構(gòu)衰減更明顯，導(dǎo)致通信范圍更小。

對于住宅公寓，圖5 中的路徑損耗模型使用一面磚墻和一面加氣（蜂窩狀）混凝土墻作為視距遮擋。它們的衰減分別為8 dB和4 dB。在QPG6105 和QPG7015M上分別使用10 dBm 和20 dBm 的發(fā)射功率，2 dBi 的天線增益計算通信距離。縱軸上的噪聲水平為來自外部噪聲源（Wi-Fi、藍(lán)牙等）的平均噪聲水平。結(jié)果表明，在這兩種環(huán)境中，Qorvo的天線分集技術(shù)均顯著擴大了通信范圍。

圖6 QPG6105和QPG7015M在使用和不使用天線分集情況下的通信范圍（開放式辦公環(huán)境）

4 測量天線分集在辦公環(huán)境中的增益效果

本章展示在有人員隨機移動和存在Wi-Fi干擾的辦公環(huán)境中，基Qorvo天線分集的通信鏈路預(yù)算的改善情況。如圖7(a) 所示，測量裝置包括放置在固定位置且與接收設(shè)備(QPG7015M)非視距通信的發(fā)射設(shè)備(QPG6100)。在接收端，設(shè)備被放置在一個旋轉(zhuǎn)臺上，以較慢的速度旋轉(zhuǎn)¹，以便在測試過程中產(chǎn)生衰減。請參見圖7(b)。

¹ 在這種情況下，“慢”是指初始數(shù)據(jù)包和重試的數(shù)據(jù)包在傳輸和ACK接收過程中，無線電信道屬性不會發(fā)生變化。為獲得真實的結(jié)果，應(yīng)防止旋轉(zhuǎn)臺在重試時將設(shè)備移出信號衰減區(qū)。

圖7 辦公環(huán)境中的天線分集測量裝置

a)發(fā)射和接收端之間的多路徑通信鏈路

b)將多個接收端設(shè)備放在旋轉(zhuǎn)臺上，以便在測試過程中產(chǎn)生衰減

天線分集性能是基于范圍測試進(jìn)行分析的，在該測試中，發(fā)射端設(shè)備以100 毫秒的數(shù)據(jù)包間隔發(fā)送5000個數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行5 次MAC 重試。當(dāng)發(fā)射端(QPG6100)收到確認(rèn)ACK 時，數(shù)據(jù)傳輸即被視為成功。為保證數(shù)據(jù)包傳輸和ACK 接收期間的鏈路預(yù)算對稱，接收設(shè)備(QPG7015M) 被設(shè)置為用與發(fā)射設(shè)備相同的功率水平傳輸ACK。

下面的圖8 展示了在使用和不使用天線分集的情況下，通過掃頻發(fā)射功率和計算每個功率步長接收到的ACK 數(shù)量進(jìn)行范圍測試的結(jié)果。在以1% 的信息錯誤率 (MER) 定義的范圍極限上，與單根天線的結(jié)果相比，天線分集顯著改善了通信鏈路，提高了約7 dB。

圖8 接收端使用和不使用天線分集的范圍測試

如圖9所示，如果在發(fā)射設(shè)備上也啟用分集功能，天線分集增益在1%MER時增加了約8 dB，在0.1%MER時增加了約12 dB。與之前的范圍測試分析（圖8）相比，可以進(jìn)一步提高性能。

圖9接收端在接收ACK時啟用和未啟用天線分集的范圍測試

這些結(jié)果表明，隨著發(fā)射和接收設(shè)備之間距離的增加（較低的發(fā)射功率），Qorvo 的天線分集解決方案具有更高的可靠性，而基于單根天線的替代解決方案則出現(xiàn)了顯著的可靠范圍損失。在嘈雜環(huán)境和衰減環(huán)境中，根據(jù)信噪比選擇最佳天線是一種強有力的工具。由于噪聲和所需信號都在衰減，兩根分集天線上的RSSI 和信噪比都會不斷變化。

5 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)的擴展，系統(tǒng)工程師和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商面臨的挑戰(zhàn)是如何確保傳感器和其他設(shè)備能夠快速通信，并以良好的通信范圍可靠地運行，即使在添加多個新設(shè)備的情況下也是如此。Qorvo ConcurrentConnect 天線分集技術(shù)在其低功耗無線芯片組合中實現(xiàn)了快速前導(dǎo)碼檢測算法，可以輕松構(gòu)建出色的系統(tǒng)解決方案。因此，Qorvo在為小尺寸物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供天線分集的可靠性方面具有優(yōu)勢。

總之，Qorvo 的天線分集技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

●   天線分集在硬件層面實現(xiàn)，并行執(zhí)行相關(guān)性計算，速度快且對客戶透明。高效減少干擾。無需外部天線開關(guān)。

●   與其他方法相比，在選擇IEEE 802.15.4 信號時，利用信噪比相關(guān)性進(jìn)行選擇更為準(zhǔn)確。

●   Qorvo 的天線分集憑借快速選擇能力，實現(xiàn)了與Qorvo 的ConcurrentConnect 多信道操作的無縫集成。

參考文獻(xiàn)：

[1] IEEE 802.15.4: 低速率無線網(wǎng)絡(luò) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)

[2] 參考設(shè)計說明 QPG7015M; Qorvo 文檔 GP_P1053_RDD_15950

[3] QPG7015M 數(shù)據(jù)手冊; Qorvo 文檔 GP_P008_DS_13639

[4] QPG6105 數(shù)據(jù)手冊; Qorvo 文檔 GP_P008_DS_17366

[5] ConcurrentConnect 共存應(yīng)用筆記; Qorvo 文檔 GP_P008_AN_20238

[6] GP_P414_TR_15190_802.15.4_Indoor_Range_Calculation_Tool.xlsm

（本文來源于《EEPW》2024.5）