在互聯家庭中處理多種連接標準

把智能家居產品打造使用方便且直觀的小工具是智能家居的夢想；但這很容易變成一場噩夢，因為協議標準互不兼容的產品無法進行有效通信。除了我們熟悉的Wi-Fi協議外，還有如低功耗藍牙（Bluetooth LE）、Zigbee和Thread等幾種常見的物聯網（IoT）標準正在崛起。此類低功耗、低數據速率的無線標準通常用于門鎖、LED照明、智能揚聲器和家電等物聯網連接產品，見圖1。

圖1，隨著智能家居技術的激增，互操作性挑戰也隨之而來

為提高互操作性并降低智能家居消費者所面對的復雜性，包括亞馬遜、蘋果、谷歌和三星在內的行業領導者正攜手推進名為“Matter”的全新標準。它將統一協議體系，為真正的互聯家庭提供即插即用的消費類物聯網設備。Matter建立在Wi-Fi和Thread基礎之上，面向基于互聯網協議（IP）的數據通信，同時利用低功耗藍牙進行簡單的設備接入。

不同標準所面臨的挑戰在于每種標準都對產品設計有其獨特的要求——因此，供應商必須在設計新設備前決定采用哪種標準。盡管Matter作為一項推動標準化的舉措值得歡迎，但遷移至Matter卻難以一蹴而就；消費者希望其能繼續支持手中舊有的Zigbee和低功耗藍牙Mesh設備。

展望未來，越來越多的技術正在瞄準智能家居市場，例如將802.15.4和低功耗藍牙融合為單一標準的IP互聯家庭（Connected Home Over IP）計劃。遺憾的是，這樣的發展將讓我們更加難以在技術和面向未來的解決方案間做出選擇。

多協議網絡的挑戰

與局限在一種技術而不可避免地做出妥協相比，消費者更希望能夠選擇支持多種無線協議的設備。當今的一些通信設備都支持某種形式的動態多協議（DMP），但這種方法會導致不同形式的折衷，因為僅靠DMP無法充分實現互聯家庭的全部優勢。

相反，真正無縫的連接只有在您能夠同時接收和監聽網絡上的所有設備時才能實現，而不僅僅是少數幾個設備。然而，當單個無線電必須同時支持多個協議時，在硬件和軟件層面都會面臨重大挑戰。這是因為每個協議都有自己的規范，規定了設備應如何以及何時監聽傳入數據包，并發送傳出數據包。

協議中的某些運行階段可能有固定的時間間隔，在此期間無線電可以預測何時應切換至正確的頻率（例如低功耗藍牙的“連接中”階段）。但是，在大多數情況下，特別是在監聽階段——即在檢測候選連接時的實際連接階段之前——無線電需要不斷異步檢測接收到的數據包，而事先并不知道無線電需要打開接收窗口并接收數據包的具體時間。

此外，應用程序需要一個簡單易用的接口，以便以無縫的方式在多個協議上運行；由此讓應用程序開發人員擺脫協議依賴性，消除了在需要時切換到相應協議的負擔。

并發監聽解決方案聽解決方案 

為應對支持DMP的挑戰，Qorvo開發了ConcurrentConnect技術。它可以使用不同的協議，流暢、連續地為兩個或多個網絡提供服務，無論是Zigbee+Matter或Zigbee+低功耗藍牙，還是智能手機或Matter+低功耗藍牙Mesh，亦或其它多網絡協議用例。

ConcurrentConnect使家庭中通過不同網絡連接的設備能夠無縫運行，而不會造成性能損失，并可將產品設計直接遷移至Matter。為了說明這一點，讓我們來看一個真實的網絡情況，即使用不支持ConcurrentConnect的標準節點將Zigbee或Thread/Matter和低功耗藍牙設備結合在一起，見圖2。

圖2，在物聯網早期階段支離破碎的標準生態體系

由于此類節點不具備并發連接/監聽能力，只能在這些標準間來回切換，每次只能與一種標準通信。除了明顯的低效率外，這種切換還可能導致通信中斷和延遲；因為只有一個標準進行通信，而另一個標準則被阻塞，直到介質恢復空閑。因此，在設定的時間范圍內，通信量受到了挑戰。

相比之下，采用ConcurrentConnect技術的節點可實現并發監聽，這反過來也允許從低功耗藍牙到Zigbee或Thread/Matter的近乎瞬時切換，而很少或根本不會出現通信中斷。因此，設備間的通信速度更快、效率更高、可擴展性更強，并能接收更多數據包。

Qorvo的單芯片、單射頻解決方案與易于使用的軟件開發工具包相結合，可同時管理來自多個標準或協議的數據流量，并且不會出現可檢測到的延遲。此外，設計人員還可以縮減組件數量，從而實現更小巧、更時尚的外形，和更低的產品成本，并更容易提供相關支持。

技術工作原理

ConcurrentConnect在硬件層面上實現了不同協議數據包的異步交錯，從而使設備能夠同時監聽多個協議，并且在監聽階段不會檢測到盲點（見圖3）。由于該技術在監聽來自多個協議異步事件的同時保持同步連接，因此這種方法可以最大限度地利用媒介。

圖3，Zigbee和低功耗藍牙數據包借助ConcurrentConnect技術的支持進行交錯

這一技術同DMP的關鍵區別在于可預測性與不可預測性。DMP支持基于接收和發送數據包的可預測性；例如，它必須知道切換至低功耗藍牙后再切換回Zigbee或Thread/Matter的時間。ConcurrentConnect技術則支持不可預測性，可同時進行同步和異步操作。

ConcurrentConnect技術在Qorvo的軟件開發工具包中進行了抽象；該工具包提供簡單明了的API，因此應用開發人員可以在其應用中輕松使用該功能。它基于Qorvo平臺的硬件功能，能夠實現數據包的高效檢測和識別。一旦檢測到數據包，數據包就會在硬件層上被實時識別，然后發送至相應的協議棧，從而無需在更高的軟件層上進行額外的非實時路由邏輯處理，見圖4。

圖4，ConcurrentConnect支持 Qorvo硬件上的數據包路由；處理工作在硬件和軟件層完成

Qorvo軟件開發工具包下一步將為應用提供首選協議組合，讓應用“認為”它擁有自己的無線電；由此簡化了應用開發，使開發人員能夠專注于實際應用的差異化。

因此，這一技術為家庭網絡中的各類用例，包括網關、集線器和終端設備等提供了可能；這些用例需要支持多個不同設備間的高頻數據傳輸。現在，網關可以在家庭網絡中存在的所有標準與協議間無縫切換，從而能夠連接和控制更多基于不同標準的終端設備。此外，設計人員和設備所有者在擴展家庭連接時也不會被鎖定在某種技術上。

推動全新用例 推動全新用例

由于ConcurrentConnect技術所支持的網關現在能夠同時理解多種協議，并允許混合使用終端設備，由此讓物聯網的新用例成為可能；此外，終端設備本身也允許更多的用例。例如，設備可以同時連接至低功耗藍牙Mesh和Zigbee或Thread/Matter網絡；或者，支持低功耗藍牙的智能手機可以直接連接到設備，同時在Zigbee或Thread/Matter網絡中運行。

并發監聽的能力還為組合協議開辟了以前不可能實現的其它新用例；例如，基于Zigbee或Thread/Matter的設備可以通過持續掃描低功耗藍牙跟蹤器發出的低功耗藍牙信標來實現“位置感知”。

在智能家居領域，聯網照明是將受益于ConcurrentConnect技術的一個重要應用。燈泡有史以來首次可以同時由基于Zigbee或Thread/Matter的開關和低功耗藍牙開關實現控制。運動傳感器、恒溫器和其它智能家居感知與控制設備也可獲得類似的優勢。

結論 

Qorvo的ConcurrentConnect技術成為超越動態多協議支持的下一代技術。它為物聯網帶來了極高的效率，推動并發操作達到全新水平，讓設計人員能夠無縫支持多種協議，并“干凈利落”地推進向Matter的過渡，最終為消費者帶來真正可互操作、用戶友好的聯網家庭體驗。