利用ConcurrentConnect™天线分集技术扩大通信范围

Qorvo的ConcurrentConnect技术解决了四个系统设计难题，对于实现用户友好、顺畅、可靠的通信，同时保持小 巧美观的外形至关重要。

Qorvo的ConcurrentConnect天线分集技术适用于低功耗无线控制器，可在典型的室内环境中提供卓越的范围和可靠性。其基础算法已嵌入Qorvo通信控制器的硬件中。因此，它不仅快速、准确、经济高效，而且对用户透明。

本文将讨论这项技术的性能优势，并介绍它在运行于受限环境中的联网设备中易于部署的特点。

图1 ConcurrentConnect 技术的四个方面/象限概述

1 背景

经过20年的发展，用于低速率无线网络的IEEE 802.15.4标准已涵盖了在多个频段运行的约20 种不同的PHY。该标准中最成功的PHY 之一是在2.4 GHz频段工作的IEEE 802.15.4 OQPSK PHY。它是第一版IEEE 802.15.4 标准中就有的PHY 之一，并为Zigbee、Thread和Matter等知名的智能家居标准提供支持。

在此背景下，许多技术陆续开发出来，以改善基于IEEE 802.15.4标准的低功耗无线设备的无线链路。其中一种技术是天线分集，使用两个或多个天线来增强无线设备之间的通信。这尤其适用于室内环境，因为室内射频信号会受到反射、衰减、干扰和失真的影响，从而导致连接中断并限制通信范围。

有效地实施天线分集，能够实时选择具有最佳通信链路的天线，以提高接收器探测信号的能力。这提高了数据接收效率并降低连接损耗。

然而，天线分集技术也会在设计复杂性和天线选择算法有效性方面带来额外的挑战。其中包括需要额外的计算处理，如不加以优化，会导致系统能耗增加。此外，多天线设计比单根天线需要更多空间。

Qorvo的ConcurrentConnect天线分集技术采用特有的算法解决了这些挑战。该技术可与适用于小尺寸物联网设备的紧凑型天线设计技术相结合。

图2 ConcurrentConnect天线分集算法简化流程图

2 Qorvo天线分集技术

Qorvo的ConcurrentConnect天线分集技术已应用于数亿台设备，与其他天线分集方法相比， 该技术具有独特的 优势。

Qorvo的Rx分集算法通过硬件实现。图2展示了简化流程图。相关性分析采取并行计算方式，可在几微秒内选出合适的天线。使用了IEEE 802.15.4 信号信噪比(SNR)相关性，与RSSI 等方法相比，它具有更高的准确性。

在硬件层面实施算法不仅速度快，而且对用户（通常是OEM 公司）完全透明。此外，Qorvo 的天线分集在芯片上集成了开关以确保设计简便性，无需任何特殊的射频知识或软件管理。

低功耗IEEE 802.15.4无线控制器中的传统方法仅可以支持sub-Ghz协议中的接收分集。此外，传统技术进行数据包检测和最佳天线选择的耗时较长，这就意味着需要更长的处理时间和更多功耗。Qorvo 的方法可在前导码时间内快速检测到有效的前导码并选择合适的天线。

图3所示为IEEE 802.15.4数据包的接收时序图。一个符号的长度为16 μs。在一个天线时隙完成数据包检测和分析后，就会选择第二个天线，并在该天线上进行同样的分析。随后将选择结果最好（或足够好）的天线来接收其余数据包，从而消除干扰和其他影响性能的环境因素。

图3 Qorvo Rx分集算法序列

Qorvo算法的另一个优点是，它支持三个不同射频信道上的天线分集。图4时序图对此进行了说明。对于3 个信道的天线分集，16 μs时隙以时分复用方式进行分析：CH0AN0、CH0AN1、CH1AN0、CH1AN1、CH2AN0、CH2AN1。一旦在其中一个时隙上检测到数据包，设备就会切换到检测到数据包的同一信道上的另一根天线，并选择结果最好的天线。

如图4 所示，如果在时隙CH1AN1 上检测到数据包，设备不会切换到CH2A0，而是会检查CH1AN0，并选择结果最好的天线来检测数据包的其余部分。由于家庭、办公室和商业环境中联网设备的数量不断增加，多信道功能的可靠性变得越来越重要。

图4 ConcurrentConnect多信道运行模式下的Qorvo Rx分集算法序列

3 在不同环境下利用天线分集扩大通信范围

本章介绍使用以下Qorvo 无线设备的仿真结果：QPG6105 用作终端节点( 发射端)，QPG7015M 用作网关/ 路由器( 接收端)。

图5和图6比较了在不同噪声水平下采用和未采用Qorvo 天线分集技术的通信范围。我们考虑了两种不同的室内环境：住宅公寓（多房间）和开放式办公室（单房间）。

图5 QPG6105和QPG7015M在使用和不使用天线分集情况下的通信范围（住宅公寓环境）

与开放式办公室或单房间相比，多房间住宅公寓的建筑结构衰减更明显，导致通信范围更小。

对于住宅公寓，图5 中的路径损耗模型使用一面砖墙和一面加气（蜂窝状）混凝土墙作为视距遮挡。它们的衰减分别为8 dB和4 dB。在QPG6105 和QPG7015M上分别使用10 dBm 和20 dBm 的发射功率，2 dBi 的天线增益计算通信距离。纵轴上的噪声水平为来自外部噪声源（Wi-Fi、蓝牙等）的平均噪声水平。结果表明，在这两种环境中，Qorvo的天线分集技术均显著扩大了通信范围。

图6 QPG6105和QPG7015M在使用和不使用天线分集情况下的通信范围（开放式办公环境）

4 测量天线分集在办公环境中的增益效果

本章展示在有人员随机移动和存在Wi-Fi干扰的办公环境中，基Qorvo天线分集的通信链路预算的改善情况。如图7(a) 所示，测量装置包括放置在固定位置且与接收设备(QPG7015M)非视距通信的发射设备(QPG6100)。在接收端，设备被放置在一个旋转台上，以较慢的速度旋转¹，以便在测试过程中产生衰减。请参见图7(b)。

¹ 在这种情况下，“慢”是指初始数据包和重试的数据包在传输和ACK接收过程中，无线电信道属性不会发生变化。为获得真实的结果，应防止旋转台在重试时将设备移出信号衰减区。

图7 办公环境中的天线分集测量装置

a)发射和接收端之间的多路径通信链路

b)将多个接收端设备放在旋转台上，以便在测试过程中产生衰减

天线分集性能是基于范围测试进行分析的，在该测试中，发射端设备以100 毫秒的数据包间隔发送5000个数据包，并进行5 次MAC 重试。当发射端(QPG6100)收到确认ACK 时，数据传输即被视为成功。为保证数据包传输和ACK 接收期间的链路预算对称，接收设备(QPG7015M) 被设置为用与发射设备相同的功率水平传输ACK。

下面的图8 展示了在使用和不使用天线分集的情况下，通过扫频发射功率和计算每个功率步长接收到的ACK 数量进行范围测试的结果。在以1% 的信息错误率 (MER) 定义的范围极限上，与单根天线的结果相比，天线分集显著改善了通信链路，提高了约7 dB。

图8 接收端使用和不使用天线分集的范围测试

如图9所示，如果在发射设备上也启用分集功能，天线分集增益在1%MER时增加了约8 dB，在0.1%MER时增加了约12 dB。与之前的范围测试分析（图8）相比，可以进一步提高性能。

图9接收端在接收ACK时启用和未启用天线分集的范围测试

这些结果表明，随着发射和接收设备之间距离的增加（较低的发射功率），Qorvo 的天线分集解决方案具有更高的可靠性，而基于单根天线的替代解决方案则出现了显著的可靠范围损失。在嘈杂环境和衰减环境中，根据信噪比选择最佳天线是一种强有力的工具。由于噪声和所需信号都在衰减，两根分集天线上的RSSI 和信噪比都会不断变化。

5 结束语

随着物联网的扩展，系统工程师和物联网设备制造商面临的挑战是如何确保传感器和其他设备能够快速通信，并以良好的通信范围可靠地运行，即使在添加多个新设备的情况下也是如此。Qorvo ConcurrentConnect 天线分集技术在其低功耗无线芯片组合中实现了快速前导码检测算法，可以轻松构建出色的系统解决方案。因此，Qorvo在为小尺寸物联网设备提供天线分集的可靠性方面具有优势。

总之，Qorvo 的天线分集技术具有以下优势：

●   天线分集在硬件层面实现，并行执行相关性计算，速度快且对客户透明。高效减少干扰。无需外部天线开关。

●   与其他方法相比，在选择IEEE 802.15.4 信号时，利用信噪比相关性进行选择更为准确。

●   Qorvo 的天线分集凭借快速选择能力，实现了与Qorvo 的ConcurrentConnect 多信道操作的无缝集成。

参考文献：

[1] IEEE 802.15.4: 低速率无线网络 IEEE 标准

[2] 参考设计说明 QPG7015M; Qorvo 文档 GP_P1053_RDD_15950

[3] QPG7015M 数据手册; Qorvo 文档 GP_P008_DS_13639

[4] QPG6105 数据手册; Qorvo 文档 GP_P008_DS_17366

[5] ConcurrentConnect 共存应用笔记; Qorvo 文档 GP_P008_AN_20238

[6] GP_P414_TR_15190_802.15.4_Indoor_Range_Calculation_Tool.xlsm

（本文来源于《EEPW》2024.5）