多協(xié)議連接提供了一種獨特的方法來添加消費者和企業(yè)所要求的功能。為了在家庭或樓宇自動化場景中提供必要的可擴展性和穩(wěn)定性，通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡進行設備間通信是一種理想的實現(xiàn)方式。同時，能夠直接從智能手機設置、控制或監(jiān)視單個設備或一組設備的功能也是一種簡化消費者體驗并向技術人員提供更多即時診斷信息以輔助安裝的特性需求。

增值服務可以通過連接的設備(例如燈)進行交付，例如在零售環(huán)境中提供基于接近感知的廣告，為技術人員傳輸系統(tǒng)健康信息以及跟蹤倉庫中的資產(chǎn)。同時，人們希望參與多個生態(tài)系統(tǒng)，無論是Alexa、Apple HomeKit還是Google Home，每個生態(tài)系統(tǒng)都有各自的協(xié)議或集成要求。通過在單個設備上支持多協(xié)議，我們可以滿足我們剛剛討論過的許多需求。

目錄

通過多種無線方式提供新體驗

尋找一種經(jīng)濟有效的方式來支持多協(xié)議

在單個無線電上同時執(zhí)行多協(xié)議

在單個無線電進行Zigbee和藍牙操作的調度要求

評估動態(tài)多協(xié)議性能

設計具有多協(xié)議連接的系統(tǒng)

通過多種無線協(xié)議提供新體驗

讓我們研究一下如何使用支持多協(xié)議的設備來改善家庭自動化場景中的體驗。Zigbee通過其網(wǎng)狀網(wǎng)絡功能提供整個家庭的覆蓋范圍，并且可以通過網(wǎng)關從家庭外部進行控制。但是，有了多協(xié)議支持，我們可以進一步擴展使用場景，用具有低功耗藍牙的電話進行本地控制和位置感知。

通過同時支持藍牙和Zigbee連接，門鎖在接收到藍牙通信后便會解鎖，同時能夠發(fā)送Zigbee消息以打開客廳燈。當將智能手機帶入臥室時，使用接近感應服務(例如藍牙信標)，燈可以發(fā)送藍牙信標消息，允許消費者打開房間中的全部或部分燈。

在零售或商業(yè)環(huán)境中，希望利用諸如藍牙信標之類的技術來提供基于位置的廣告、跟蹤資產(chǎn)，以及去開發(fā)人流的熱圖(heat map)。大規(guī)模采用的挑戰(zhàn)之一是需要專用的信標設備。對于設備生命周期管理，連接范圍也會影響更新設備的統(tǒng)籌安排。

通過將藍牙信標集成到其他連接的基礎設施(例如照明)中，我們可以建立大規(guī)模且密集的信標覆蓋區(qū)域。不必同時部署連接燈和信標，連接的燈或燈具也可以用作藍牙信標。與部署單獨的專用信標設備相比，這可以提供一種更具成本效益的方式來提高信標密度，并且具有無需監(jiān)視和維護必須由電池供電的信標設備的額外優(yōu)勢。

用多功能燈提高信標密度

多協(xié)議還使其他使用案例成為可能。例如，無線更新可能會在網(wǎng)狀網(wǎng)絡上花費很長時間，但是藍牙的更高吞吐量可以在不消耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡帶寬的情況下提供更新固件映像的更快傳輸。

用多功能燈提高信標密度

尋找一種經(jīng)濟有效的方式來支持多協(xié)議

在支持多協(xié)議的情況下提供這些改進的體驗所面臨的挑戰(zhàn)之一是要求擁有多個芯片或SoC，每種協(xié)議一個。然而，使用多協(xié)議芯片，設備現(xiàn)在可以靈活地運行不同的協(xié)議。下表描述了多協(xié)議設備的一些常見示例。

無線多協(xié)議方案

來自像Silicon Labs這樣的公司的單芯片解決方案結合了軟件和硬件方面的先進技術，使設備既支持Zigbee也支持藍牙，從而滿足目前為止討論的使用案例需求。相對于兩個無線電，通過使用一個SoC無線子系統(tǒng)，可以將BoM成本降低40%，并且通過消除設計中兩個無線電之間可能存在的干擾，還可以簡化PCB設計。

在單個無線電上同時執(zhí)行多協(xié)議

讓我們更詳細地研究動態(tài)多協(xié)議調度如何通過單個無線電支持多協(xié)議。當不發(fā)送信號時，Zigbee路由器始終將其無線電設為接收模式。這樣一來，網(wǎng)絡中的其他設備就可以始終向其發(fā)送數(shù)據(jù)包或通過它路由。由于Zigbee流量的低占空比和Zigbee網(wǎng)絡協(xié)議棧中的重傳機制，Zigbee路由器可以在短時間內將其無線電更改為另一個協(xié)議，而不會在應用層級上丟棄任何消息。這使得我們可以在同一芯片上對Zigbee和藍牙通信進行時間切片。除Zigbee路由外，Silicon Labs動態(tài)多協(xié)議技術還支持藍牙連接和藍牙信標。

協(xié)議連接間隔可以基于應用需求而配置。對于藍牙信標，無線電只需要大約1ms即可發(fā)送信標，并且信標之間的連接間隔通常不小于100ms。對于高速OTA固件更新，可能需要將設備配置為支持更長的藍牙連接時間。這些例子面對的應用場景相反。但是，通過可配置的連接間隔，Silicon Labs多協(xié)議解決方案提供了靈活的框架，可以滿足不同應用的獨特需求。

為了實現(xiàn)有效的多協(xié)議通信，Silicon Labs已經(jīng)在軟件和硬件上進行了大量投資。Silicon Labs無線協(xié)議棧經(jīng)過專門設計，可以共享相同的低級別的無線電驅動程序和庫(RAIL)。利用RAIL可確保使用一致的API和接口來共享無線電。

另外，無線電調度器管理來自協(xié)議的請求以訪問無線電，而Micrium OS內核管理協(xié)議棧之間的資源共享。

Silicon Labs多協(xié)議調度考慮了要調度的協(xié)議，并使用基于優(yōu)先級的調度方法。藍牙需要固定的連接間隔才能有效運行，而采用MAC重傳方法的Zigbee更加寬容。因此，對于Zigbee和藍牙多協(xié)議操作，藍牙以更高的優(yōu)先級運行。由于使用RAIL、無線電調度器和Micrium OS的無線協(xié)議棧具有統(tǒng)一的體系結構，該系統(tǒng)能夠使用基于優(yōu)先級的調度方法來平衡Zigbee和藍牙操作。

在單個無線電上進行Zigbee和藍牙操作的調度要求

許多調度方案可能都要求使用單個無線電實現(xiàn)Zigbee和藍牙的正確操作。調度器可以配置成使得任一協(xié)議在無線訪問方面具有更高的優(yōu)先級。但是，最可能的配置是使藍牙連接和信標具有更高的優(yōu)先級，并且在不執(zhí)行其他任何操作時將無線電保持在Zigbee接收模式。

具有優(yōu)先權的Bluetooth LE和Zigbee后臺接收

在上圖中，我們可以看到低優(yōu)先級的Zigbee接收是默認的，但是當需要Zigbee傳輸時，它將中斷該過程。這是Zigbee設備的正常行為。當Bluetooth LE連接被調度時，采用先例，調度器要及時退出Zigbee接收模式，以用于藍牙連接。如果調度器要求進行Zigbee傳輸?shù)恼埱蟪^下一個藍牙連接或信標發(fā)出之前無線電上可用的時間，則調度器將重新安排Zigbee傳輸以在藍牙活動完成之后進行。

如果Zigbee數(shù)據(jù)包的傳輸時間超出了預期，可能是由于退避或清除信道評估所致，調度器可以中斷該傳輸并切換到藍牙。如圖2所示，對于Zigbee協(xié)議棧來說，這看起來像是一次失敗的嘗試，因此它進行了重傳，這次成功了。

藍牙連接中斷Zigbee傳輸

同樣，如果遠程Zigbee節(jié)點在處于藍牙連接或信標中間時嘗試將數(shù)據(jù)包發(fā)送到設備，則該設備將無法接收該數(shù)據(jù)包，但是發(fā)送設備將重傳(IEEE 802.15.4 MAC重傳)，數(shù)據(jù)包將在第二次嘗試時被接收。另外，如果在建立藍牙連接或信標時設備正處于接收Zigbee數(shù)據(jù)包的中間，調度器可能會中斷數(shù)據(jù)包的接收，并且發(fā)送設備將不會收到確認。因此，它將重傳并在第二次嘗試時被成功接收。圖3顯示了這兩種情況。

無線電調度器必須處理各種情況，以管理無線協(xié)議之間的沖突，但是各個協(xié)議棧彼此并不會有任何察覺，只是他們必須請求訪問無線電并且判斷它們的發(fā)送或接收是否成功。

評估動態(tài)多協(xié)議性能

為了了解運行多協(xié)議時的設備行為，重要的是測量和比較多種配置下的性能。對于在同一SoC和單個無線電上運行Zigbee和藍牙的情況，方案可能包括：

Zigbee吞吐量對比藍牙連接和/或廣播間隔

Zigbee延遲對比藍牙連接和/或廣播間隔

Zigbee吞吐量或延遲對比變化的藍牙數(shù)據(jù)包類型和大小

Zigbee重試和網(wǎng)絡行為對比變化的藍牙連接和/或廣播

動態(tài)多協(xié)議測試設置

使用圖4中概述的測試設置，在Silicon Labs Wireless Gecko STK板上使用輻射測試設置執(zhí)行的示例測試給出以下結果：

對于顯示結果，我們使能了802.15.4 MAC和Zigbee NWK層重傳，但未使能Zigbee APS層重傳。該設備配置為在單個跳躍點上傳輸70個字節(jié)的有效負載，同時在指定的連接間隔內保持藍牙連接并保持活動狀態(tài)。隨著藍牙連接間隔的減小，由于Zigbee網(wǎng)絡上無線電時間的減少，藍牙連接事件的數(shù)量增加，Zigbee吞吐量降低。需要注意的是，這里獲得了100%的端到端消息可靠性，并且雖然由于較長的數(shù)據(jù)傳輸時間導致吞吐量降低，但沒有丟失Zigbee應用消息。

為了驗證廣播間隔的影響，設備配置為以變化的間隔傳輸藍牙廣播，而不是保持藍牙連接。由于藍牙廣播數(shù)據(jù)包比藍牙連接保持活動的數(shù)據(jù)包更長，因此在相同時間間隔內，它們對Zigbee吞吐量的影響略高。短至0.5s的廣播間隔對Zigbee吞吐量幾乎沒有影響，應該可以滿足大多數(shù)用例的需求。

設計具有多協(xié)議連接的系統(tǒng)

借助動態(tài)多協(xié)議硬件和軟件，現(xiàn)在可以在一個SoC上以經(jīng)濟高效的方式去整合多協(xié)議的優(yōu)勢。通過在設備上結合Zigbee和藍牙連接，家庭自動化、資產(chǎn)跟蹤和零售廣告可從中受益。

每個設備和應用都有獨特的需求，這些需求要求對軟件進行可配置性設置，例如藍牙連接間隔。在著手開發(fā)之前，重要的是要確?；A軟件和硬件體系結構被設計用于無線電的有效資源共享，并支持高級調度方案。此外，應根據(jù)特定的應用和系統(tǒng)用例來定義測試和性能基準，以確保在現(xiàn)場正確運行。