交互式信道通信方法
阅读：584发布：2023-02-05
专利汇可以提供交互式信道通信方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种交互式信道协调方法，其中，包括：Zigbee模 块 向WiFi模块发送带有数据优先级的信道 请求 ；WiFi模块对比自身与Zigbee的数据优先级；如果Zigbee的数据优先级高，则WiFi模块缓冲延迟WiFi发射；缓冲延迟时间段中，Zigbee模块进行数据收发。本发明的在WiFi和Zigbee之间设计交互机制，协调WiFi和Zigbee 信号 收发，减少两种射频模块之间的信号干扰，减少重传次数，提高Zigbee接收灵敏度，降低数据丢包率，改善用户体验。，下面是交互式信道通信方法专利的具体信息内容。
1.一种交互式信道协调方法，其特征在于，包括：Zigbee模块向WiFi模块发送带有数据优先级的信道请求，WiFi模块对比自身与Zigbee的数据优先级，如果Zigbee的数据优先级高，则WiFi模块缓冲延迟WiFi发射，缓冲延迟时间段中，Zigbee模块进行数据收发。
2.根据权利要求1所述的交互式信道协调方法，其特征在于，Zigbee模块与WiFi模块通过三根GPIO通信：数据优先级、信道请求、信道允许。
3.根据权利要求2所述的交互式信道协调方法，其特征在于，Zigbee模块发送数据前进行空闲信道评估，Zigbee模块在空闲信道评估完成之前使能信道请求，Zigbee模块在使能信道请求后使能数据优先级；WiFi模块获取Zigbee模块信道请求后，WiFi模块对比自身与Zigbee的数据优先级，如果Zigbee的数据优先级高，则使能信道允许，缓冲延迟WiFi发射。
4.根据权利要求3所述的交互式信道协调方法，其特征在于，Zigbee模块完成空闲信道评估，如果接收的信号强度指示低于空闲信道评估门限，且信道允许使能，则Zigbee模块发射数据；Zigbee模块发射数据时，将功放及低噪放大器从接收模式切换为发射模式，Zigbee模块发射数据完成后关闭数据优先级，关闭信道请求，将功放及低噪放大器从发射模式切换为接收模式，等待确认字符直至超时。
5.根据权利要求4所述的交互式信道协调方法，其特征在于，如果确认字符等待超时、信道允许不使能、信号强度高于空闲信道评估门限三种情况发生任意一种，则执行重传机制。
6.根据权利要求2所述的交互式信道协调方法，其特征在于，还包括Zigbee接收数据方法，Zigbee模块接收到有效数据包，使能信道请求，使能数据优先级；Zigbee模块检查数据包地址是本设备地址，如果同时满足：数据包的循环冗余校验码没有错误，该数据包要求回复确认字符，信道允许使能这三个条件，则Zigbee模块发送确认字符，否则，Zigbee模块不发送确认字符。
7.根据权利要求6所述的交互式信道协调方法，其特征在于，Zigbee模块检查数据包地址，如果不是本设备的地址，则关闭数据优先级、关闭信道请求。
8.根据权利要求6所述的交互式信道协调方法，其特征在于，Zigbee模块发送确认字符后关闭数据优先级，关闭信道请求。
交互式信道通信方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种通信方法，尤其涉及一种避免WiFi与Zigbee信道干扰的交互式信道协调通信方法。
背景技术
[0002] 我国拥有超过4亿户家庭，智能家居行业的市场前景非常广阔，而且智能家居作为一个应用平台，可以衍生出无数的商业需求，有如PC及手机，市场潜力巨大。
[0003] 目前市场上主流的智能家居协议有Zigbee、Z-Wave、Lora等等，其中Zigbee由于具有以下优点，得到越来越多的厂家支持：
[0006] 3.短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。
[0007] 4.高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，一个主节点可管理254个子节点，最多可组成65000个节点的大网。
[0008] 智能家居系统的核心设备是智能家居网关,智能家居网关通过智能家居协议(比如Zigbee)连接智能家居传感器，然后通过WiFi与控制终端连接，从而实现智能家居系统的信息采集、远程控制、集中管理等功能。在使用过程中，遇到的最大问题是WiFi 802.11b/g/n和Zigbee都工作在2.4G ISM频段，当两种射频在同时工作时，会相互干扰，降低产品射频性能。并且智能家居网关产品有以下趋势，倾向于增大WiFi功率，用来增加传输距离；视频传输增多，数据量增加导致WiFi信号占空比提高；产品体积越来越小。这些趋势使得干扰问题益发严重。
[0009] 为了提高抗干扰性能，WiFi和Zigbee在各自不同的层面上设计有冲突检测和重传机制。现有的解决方案通常是非交互式的解决干扰方案，在低带宽、低功率、物理隔离性较好时，WiFi和Zigbee性能不会显著降低。具体实现方法有以下几种：
[0010] 1.在频率上尽量分开
[0011] 远离信道干扰小于相邻信道，相邻信道小于相同信道，相同信道干扰严重时会导致数据阻塞。WiFi AP建立和初始化信道时可以把WiFi信道和Zigbee信道尽量分开，达到减少干扰的目的。
[0012] 2.让WiFi工作在20MHz带宽下
[0013] 802.11n使用OFDM载波，可以工作在20MHz或者40MHz模式下，如果使用40M，相邻信道收到的干扰会比20M模式下高，在信道建立时，可以设置HT capabilities information，强制WiFi工作在20MHz模式。
[0014] 3.增加天线隔离度
[0015] 在相同强度信号源干扰的情况下，通过增加天线隔离度，可以降低干扰影响。可以通过两种方式增加天线隔离度
[0016] 1)增加天线之间的距离
[0017] 2)强化天线指向性
[0018] 4.利用Zigbee重传机制
[0019] 802.15.4规范规定了在MAC层进行重传的机制，为了更好的提高传输鲁棒性，可以在应用层增加重传机制。
[0020] 5.关闭FEM LAN
[0021] 使能FEM LAN可以提高接收灵敏度，但是在强WiFi环境下，使能FEM LAN会降低输入信噪比，反而会让接收灵敏度降低，为了提高接收灵敏度，可以让FEM LAN工作在bypass模式下。
[0022] 目前现有的解决信道干扰的方案主要存在以下三方面的不足：
[0023] 1.为了增加天线隔离度，必须增大天线之间的距离，导致产品无法小型化。另外改变天线指向性，也容易改变信号分布，影响信号接收范围。
[0024] 2.简单使用重传机制会增加模块工作时间，极大缩减传感器电池寿命，增加使用成本和维护成本。
[0025] 3.重传次数过多还会导致数据收发延迟增加，响应速度变慢，影响用户体验。
[0026] 2.4G ISM频段在大部分国家属于免费使用的频段，主要用于工业，医疗以及科学研究。目前很多无线通信标准都集中在该频段，比如智能家居产品中常用的WiFi、Zigbee协议。IEEE 802.1b/g/nWiFi在2.4G频段支持14个20/22M带宽的信道。IEEE 802.15.4Zigbee在2.4G频段支持16个互不重叠的2M信道。在使用过程中，当两种射频单元在同时工作时，由于信道相近或者重叠，信号之间会相互干扰，降低各自的射频性能。
[0027] 因此，为了改善智能家居网关的产品性能，设计了一种信道协调通信机制，协调WiFi和Zigbee的信号收发，避免两者之间相互干扰，可以明显提高接收灵敏度。
发明内容
[0028] 本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
[0029] 一种交互式信道协调方法，其中，包括：Zigbee模块向WiFi模块发送带有数据优先级的信道请求，WiFi模块对比自身与Zigbee的数据优先级，如果Zigbee的数据优先级高，则WiFi模块缓冲延迟WiFi发射，缓冲延迟时间段中，Zigbee模块进行数据收发。
[0030] 如上所述的交互式信道协调方法，其中，Zigbee模块与WiFi模块通过三根GPIO通信：数据优先级、信道请求、信道允许。
[0031] 如上所述的交互式信道协调方法，其中，Zigbee模块发送数据前进行空闲信道评估，Zigbee模块在空闲信道评估完成之前使能信道请求，Zigbee模块在使能信道请求后使能数据优先级；WiFi模块获取Zigbee模块信道请求后，WiFi模块对比自身与Zigbee的数据优先级，如果Zigbee的数据优先级高，则使能信道允许，缓冲延迟WiFi发射。
[0032] 如上所述的交互式信道协调方法，其中，Zigbee模块完成空闲信道评估，如果接收的信号强度指示低于空闲信道评估门限，且信道允许使能，则Zigbee模块发射数据；Zigbee模块发射数据时，将功放及低噪放大器从接收模式切换为发射模式，Zigbee模块发射数据完成后关闭数据优先级，关闭信道请求，将功放及低噪放大器从发射模式切换为接收模式，等待确认字符直至超时。
[0033] 如上所述的交互式信道协调方法，其中，如果确认字符等待超时、信道允许不使能、信号强度高于空闲信道评估门限三种情况发生任意一种，则执行重传机制。
[0034] 如上所述的交互式信道协调方法，其中，还包括Zigbee接收数据方法，Zigbee模块接收到有效数据包，使能信道请求，使能数据优先级；Zigbee模块检查数据包地址是本设备地址，如果同时满足：数据包的循环冗余校验码没有错误，该数据包要求回复确认字符，信道允许使能这三个条件，则Zigbee模块发送确认字符，否则，Zigbee模块不发送确认字符。
[0035] 如上所述的交互式信道协调方法，其中，Zigbee模块检查数据包地址，如果不是本设备的地址，则关闭数据优先级、关闭信道请求。
[0036] 如上所述的交互式信道协调方法，其中，Zigbee模块发送确认字符后关闭数据优先级，关闭信道请求。
[0037] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明解决了现有技术中WiFi与Zigbee同时工作时相互干扰的问题，通过Zigbee模块与WiFi模块进行通信，Zigbee模块向WiFi模块传送带有优先级的信道请求，WiFi模块判断优先级，并据此进行是否缓冲操作的动作，同时反馈通知Zigbee模块是否进行收发。本发明的方法在WiFi和Zigbee之间设计交互机制，协调WiFi和Zigbee信号收发，减少两种射频模块之间的信号干扰，减少重传次数，提高Zigbee接收灵敏度，降低数据丢包率，改善用户体验。
具体实施方式
[0038] 下面对本发明做进一步描述：
[0039] 一种交互式信道协调方法，其中，包括：Zigbee模块向WiFi模块发送带有数据优先级的信道请求，WiFi模块对比自身与Zigbee的数据优先级，如果Zigbee的数据优先级高，则WiFi模块缓冲延迟WiFi发射，缓冲延迟时间段中，Zigbee模块进行数据收发。
[0040] 进一步的，Zigbee模块与WiFi模块通过三根GPIO通信：数据优先级、信道请求、信道允许。
[0041] 进一步的，Zigbee模块发送数据前进行空闲信道评估，Zigbee模块在空闲信道评估完成之前使能信道请求，Zigbee模块在使能信道请求后使能数据优先级；WiFi模块获取Zigbee模块信道请求后，WiFi模块对比自身与Zigbee的数据优先级，如果Zigbee的数据优先级高，则使能信道允许，缓冲延迟WiFi发射。
[0042] 进一步的，Zigbee模块完成空闲信道评估，如果接收的信号强度指示低于空闲信道评估门限，且信道允许使能，则Zigbee模块发射数据；Zigbee模块发射数据时，将功放及低噪放大器从接收模式切换为发射模式，Zigbee模块发射数据完成后关闭数据优先级，关闭信道请求，将功放及低噪放大器从发射模式切换为接收模式，等待确认字符直至超时。
[0043] 进一步的，如果确认字符等待超时、信道允许不使能、信号强度高于空闲信道评估门限三种情况发生任意一种，则执行重传机制。
[0044] 进一步的，还包括Zigbee接收数据方法，Zigbee模块接收到有效数据包，使能信道请求，使能数据优先级；Zigbee模块检查数据包地址是本设备地址，如果同时满足：数据包的循环冗余校验码没有错误，该数据包要求回复确认字符，信道允许使能这三个条件，则Zigbee模块发送确认字符，否则，Zigbee模块不发送确认字符。
[0045] 进一步的，Zigbee模块检查数据包地址，如果不是本设备的地址，则关闭数据优先级、关闭信道请求。
[0046] 进一步的，Zigbee模块发送确认字符后关闭数据优先级，关闭信道请求。
[0047] 在本发明的具体实施过程中，可以采用同时集成WiFi和Zigbee功能的电路板，其中，WiFi芯片采用88W8997，Zigbee芯片采用EFR32MG1。在具体的实施过程中，WiFi的数据量和带宽远大于Zigbee数据量和带宽，并且Zigbee通常是按秒级来收发数据的，所以这里主要考虑WiFi对Zigbee的影响。
[0048] 更进一步的，本发明已经应用于AMS4智能家居网关，WiFi和Zigbee通过三根GPIO进行通信，也可以使用其他总线接口进行通信，比如UART，通过不同的命令交互也可以实现同样的控制逻辑。
[0049] 为了获取本申请中相关的数据，具体进行了以下的测试：将WiFi设置为100％duty-cyle，802.11n(MCS3,20MHz带宽)模式，以不同发射功率发射信号作为干扰源。Zigbee在同一信道，相邻信道，远离信道上进行信号收发测试。
[0050] WiFi对Zigbee的影响得到以下结论：
[0051] 1.相同信道：
[0052] 1)EFR32MG1Zigbee模块最多能接收比WiFi低6dB的信号。
[0053] 2)当接收到的WiFi信号功率达到-75dBm时，因为Clear Channel Assessment门限的影响，Zigbee会停止发送。
[0054] 2.相邻信道
[0055] 当接收到的WiFi信号达到-35dBm时，Zigbee无法收到-80dBm以下的信号。
[0056] 3.远离信道
[0057] 当接收到的WiFi信号达到-15dBm时，Zigbee无法收到-80dBm以下的信号。
[0058] 4.在真实的环境里，WiFi并不能达到100％占空比，只有在低SNR环境下，进行文件或者视频传输时才可能达到100％占空比。当WiFi关闭时，Zigbee接收灵敏度会上升，当WiFi打开时Zigbee接收灵敏度会下降。
[0059] 在本发明的具体实施方式中，WiFi和Zigbee之间通过3根GPIO进行通信，三根GPIO分别是PRIORITY(数据优先级)，REQUEST(信道请求)，GRANT(信道允许)，含义如下：PRIORITY：Zigbee输出，表示Zigbee数据的优先级。REQUEST：Zigbee输出，表示Zigbee请求使用2.4G频段。GRANT：WiFi输出，WiFi收到Zigbee的REQUEST信号中断后，读取PRIORITY，然后跟自己的数据优先级进行比较，来决定是否让Zigbee收发数据。
[0060] 具体的，Zigbee空闲信道评估(Clear Channel Assessment，CCA)包括：判断信道是否空闲。IEEE 802.15.4物理层在碰撞避免机制中提供CCA的能力，即如果信道被其他设备占用，则允许传输退出而不必考虑采用该信道的通信协议。现主要有3种空闲信道评估模式：
[0061] 1)判断信道的信号能量，若信号能量低于某一个门限量，则认为信道空闲。
[0062] 2)判断无线信道的特征，这特征主要包括两方面，即扩频信号和载波频率。
[0063] 3)综合前两种模式，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。
[0064] 具体的，Zigbee数据重传包括：
[0065] 802.15.4协议MAC层定义了三种帧类型，命令帧，数据帧，应答帧。命令帧由MAC子层发起。在ZigBee网络中，为了对设备的工作状态进行控制，同网络中的其他设备进行通信，MAC层将根据命令类型生成相应的命令帧。数据帧由应用层发起，在ZigBee设备之问进行数据传输的时候，要传输的数据由应用层生成，经过逐层数据处理后发送给MAC层，形成MAC数据帧。应答帧由MAC子层发起。为了保证设备之问通信的可靠性，发送设备通常要求接收设各在接收到正确的帧信息后返回一个应答帧，向发送设备表示已经正确接收。Zigbee在发送数据不成功的时候，会启用重发机制，而这个重发机制分为：MAC重发，APSC重发，NWK重发，而APSC和NWK重发是以接收到MAC ACK为前提，否则不会重发。
[0066] 根据测试，为了获得更好的性能，需要注意以下两点。
[0067] 1.WiFi需要支持TX Pre-emption
[0068] 当REQUEST使能后，如果WiFi设备不支持TX Pre-emption，WiFi不会使能GRANT,直到完成当前正在处理的包。WiFi在MCS0 20MHz的情况下，如果发送大包，这个延时能到16ms，REQUEST使能是在CCA完成之前200us，这个延迟大大超过了该时间。这会导致Zigbee丢包数量和重传次数增加。如果WiFi设备支持TX pre-emption，WiFi能够停止WiFi传输，关闭WiFi PA,快速使能GRANT信号，提高了Zigbee第一次传输成功的概率，减少了重传次数。
WiFi TX Pre-emption会导致WiFi TX数据发送失败，可能会导致WiFi设备切换到更低的MCS,在后续的传输过程中重新切回高MCS。这对WiFi性能有一定影响，但是由于Zigbee信号占空比很低，影响并不明显。
WiFi TX Pre-emption会导致WiFi TX数据发送失败，可能会导致WiFi设备切换到更低的MCS,在后续的传输过程中重新切回高MCS。这对WiFi性能有一定影响，但是由于Zigbee信号占空比很低，影响并不明显。
[0069] 2.Zigbee数据包优先级设置
[0070] Zigbee接收数据包是异步的，丢失数据包会导致重传，增加消息延时，减少电池寿命，所以Zigbee接收应该尽可能设置为高优先级。Zigbee发送数据时，因为本产品WiFi和Zigbee集成在一块板子上，并且连接到同一个MCU上，控制比较方便，并且该产品是电源供电，原则上Zigbee发射可以设为低优先级，但是如果应用场景对时延要求很高，比如连接控制器之类的Zigbee传感器，Zigbee发射同样需要设为高优先级。
[0071] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明相较于现有技术，取得了以下的积极效果：
[0072] 1.降低了对WiFi和Zigbee天线隔离度的要求，降低产品体积限制，设计更加灵活，便于实现产品小型化。同时降低了对天线指向性的要求，避免天线的复杂设计，提高天线的辐射效率，增加了信号接收的范围。
[0073] 2.大大降低了Zigbee数据重传的次数，减少了Zigbee传感器的工作时间，成倍提高电池使用寿命，降低了传感器使用成本和维护成本。
[0074] 3.由于重传次数降低，Zigbee数据传输时间缩短，传感器响应及时，优化了用户操作体验。
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