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

Qorvo的ConcurrentConnect天線分集技術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。其基礎算法已嵌入Qorvo通信控制器的硬件中。因此，它不僅快速、準確、經(jīng)濟高效，而且對用戶透明。

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

圖1 ConcurrentConnect 技術的四個方面/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)絡的IEEE 802.15.4標準已涵蓋了在多個頻段運行的約20 種不同的PHY。該標準中最成功的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 標準中就有的PHY 之一，并為Zigbee、Thread和Matter等知名的智能家居標準提供支持。

在此背景下，許多技術陸續(xù)開發(fā)出來，以改善基于IEEE 802.15.4標準的低功耗無線設備的無線鏈路。其中一種技術是天線分集，使用兩個或多個天線來增強無線設備之間的通信。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，天線分集技術也會在設計復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，會導致系統(tǒng)能耗增加。此外，多天線設計比單根天線需要更多空間。

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

圖2 ConcurrentConnect天線分集算法簡化流程圖

2 Qorvo天線分集技術

Qorvo的ConcurrentConnect天線分集技術已應用于數(shù)億臺設備，與其他天線分集方法相比， 該技術具有獨特的 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)相關性，與RSSI 等方法相比，它具有更高的準確性。

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以確保設計簡便性，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)技術進行數(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 的方法可在前導碼時間內(nèi)快速檢測到有效的前導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，并在該天線上進行同樣的分析。隨后將選擇結果最好（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時序圖對此進行了說明。對于3 個信道的天線分集，16 μs時隙以時分復用方式進行分析：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，設備不會切換到CH2A0，而是會檢查CH1AN0，并選擇結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 無線設備的仿真結果：QPG6105 用作終端節(jié)點( 發(fā)射端)，QPG7015M 用作網(wǎng)關/ 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構衰減更明顯，導致通信范圍更小。

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?？v軸上的噪聲水平為來自外部噪聲源（Wi-Fi、藍牙等）的平均噪聲水平。結果表明，在這兩種環(huán)境中，Qorvo的天線分集技術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備(QPG7015M)非視距通信的發(fā)射設備(QPG6100)。在接收端，設備被放置在一個旋轉臺上，以較慢的速度旋轉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。為獲得真實的結果，應防止旋轉臺在重試時將設備移出信號衰減區(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)將多個接收端設備放在旋轉臺上，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行分析的，在該測試中，發(fā)射端設備以100 毫秒的數(shù)據(jù)包間隔發(fā)送5000個數(shù)據(jù)包，并進行5 次MAC 重試。當發(fā)射端(QPG6100)收到確認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 接收期間的鏈路預算對稱，接收設備(QPG7015M) 被設置為用與發(fā)射設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)量進行范圍測試的結果。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

這些結果表明，隨著發(fā)射和接收設備之間距離的增加（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)設備制造商面臨的挑戰(zhàn)是如何確保傳感器和其他設備能夠快速通信，并以良好的通信范圍可靠地運行，即使在添加多個新設備的情況下也是如此。Qorvo ConcurrentConnect 天線分集技術在其低功耗無線芯片組合中實現(xiàn)了快速前導碼檢測算法，可以輕松構建出色的系統(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。

●   與其他方法相比，在選擇IEEE 802.15.4 信號時，利用信噪比相關性進行選擇更為準確。

●   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：

[1] IEEE 802.15.4: 低速率無線網(wǎng)絡 IEEE 標準

[2] 參考設計說明 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）