樂鑫WiFi、藍(lán)牙共存方案介紹，無線通信技術(shù)連接

一、簡介

什么是共存

共存是指允許多個2.4GHZ（頻段范圍2400-2483.5MHZ）技術(shù)（包括WiFi、Zigbee、Thread和藍(lán)牙）同時存在而不會發(fā)生來自一個無線電的信號干擾相鄰無線信號的現(xiàn)象

為什么要用WiFi、藍(lán)牙共存

藍(lán)牙和WiFi是現(xiàn)代生活中常用的無線通信技術(shù)。通過將藍(lán)牙和WiFi功能整合到一個設(shè)備中，用戶可以享受到更加便利和靈活的無線連接體驗，提高設(shè)備之間的互操作性和數(shù)據(jù)傳輸速度。藍(lán)牙WiFi二合一不僅簡化了設(shè)備配置和連接過程，還為用戶提供了更廣泛的無線通信選項。

藍(lán)牙和WiFi作為無線通信技術(shù)，各自具備獨特的優(yōu)勢和用途。藍(lán)牙主要用于短距離的設(shè)備間通信，如無線耳機(jī)和智能手環(huán)等，而WiFi則提供了更高速的長距離數(shù)據(jù)傳輸能力，適用于連接互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)。然而，為了實現(xiàn)不同設(shè)備之間的連接和數(shù)據(jù)傳輸，用戶經(jīng)常需要同時使用藍(lán)牙和WiFi，這可能導(dǎo)致連接繁瑣、資源浪費和用戶體驗下降的問題。藍(lán)牙WiFi二合一的概念應(yīng)運而生，旨在解決這些問題并提供更便利的無線連接選項。

1、簡化設(shè)備配置和連接過程：

藍(lán)牙WiFi二合一的好處之一是簡化設(shè)備配置和連接過程。傳統(tǒng)情況下，用戶需要分別打開藍(lán)牙和WiFi功能，并在設(shè)備之間進(jìn)行繁瑣的配對和連接步驟。而藍(lán)牙WiFi二合一設(shè)備將這兩種功能整合到一個設(shè)備中，用戶只需進(jìn)行一次設(shè)備連接配置，即可同時使用藍(lán)牙和WiFi，簡化了操作流程，提高了使用便捷性。

2.提高設(shè)備互操作性：

藍(lán)牙WiFi二合一的另一個好處是提高了設(shè)備之間的互操作性。傳統(tǒng)情況下，某些設(shè)備可能只支持藍(lán)牙連接，而另一些設(shè)備則只支持WiFi連接。藍(lán)牙WiFi二合一設(shè)備的出現(xiàn)，使得不同類型的設(shè)備能夠通過同一個設(shè)備實現(xiàn)連接和通信，消除了互操作性的限制。例如，用戶可以通過藍(lán)牙WiFi二合一耳機(jī)將手機(jī)上的音樂通過藍(lán)牙傳輸?shù)蕉鷻C(jī)，并通過WiFi連接上互聯(lián)網(wǎng)收聽在線音樂，實現(xiàn)了不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的音樂播放。

3.提供更廣泛的無線通信選項：

藍(lán)牙WiFi二合一設(shè)備還為用戶提供了更廣泛的無線通信選項。藍(lán)牙和WiFi仍然是各自獨立的無線通信技術(shù)，藍(lán)牙WiFi二合一設(shè)備只是在同一設(shè)備中集成了這兩種功能，以提供更便捷的連接方式。藍(lán)牙WiFi二合一設(shè)備的主要好處是簡化設(shè)備配置和連接過程，以及提高設(shè)備之間的互操作性。用戶無需同時使用兩個獨立設(shè)備或在不同設(shè)備之間切換，而是可以通過一個設(shè)備實現(xiàn)藍(lán)牙和WiFi的連接和通信。

二、WiFi、藍(lán)牙共存原理

技術(shù)難點

藍(lán)牙和WiFi都工作在2.4GHZ頻段，最主要的技術(shù)難點就是信號干擾，通常來說在設(shè)計上有些方法能夠減少相互干擾，現(xiàn)主流的方法是AFH（自適應(yīng)跳頻）和分時復(fù)用；而在設(shè)計上去減少干擾，首先需要知道有哪些方面會存在相互干擾和相互干擾是否嚴(yán)重，受以下幾條影響：

1．共用天線還是單獨用自己天線

2．干擾是噪音還是阻塞

3．藍(lán)牙通信頻率是否落在wifi帶內(nèi)

4．藍(lán)牙和wifi是接收還是發(fā)射

5．藍(lán)牙和wifi的具體應(yīng)用的通信特點

共用天線還是單獨用自己天線

如果藍(lán)牙和wifi使用單獨的天線，藍(lán)牙天線和wifi天線之間的隔離大小會影響干擾的程度。如果認(rèn)為有一定的隔離度，藍(lán)牙和wifi是可以同時發(fā)射或者接收的。如果藍(lán)牙和wifi共用天線，藍(lán)牙和wifi不可以同時工作。

干擾是噪音還是阻塞

干擾分為兩種。一種是噪音，主要發(fā)生在頻率沖突時；另一種是大信號阻塞，和頻率是否沖突沒有關(guān)系，和具體射頻設(shè)計及天線間隔離有關(guān)系。

藍(lán)牙通信頻率是否落在wifi帶內(nèi)

如果藍(lán)牙通信頻率落在wifi頻帶內(nèi)，噪音干擾和阻塞干擾都會有。如果藍(lán)牙通信頻率落在wifi頻帶外，只有阻塞干擾。AFH是針對噪音干擾最好的方法，藍(lán)牙和wifi的性能都能維持100％。唯一問題是無法解決阻塞干擾。

藍(lán)牙和wifi是接收還是發(fā)射

假設(shè)藍(lán)牙和wifi使用自己單獨的天線，藍(lán)牙和wifi是能夠同時發(fā)射和同時接收的。如果一個發(fā)射，一個接收，在頻率沖突時會有相互干擾。另外，同時發(fā)射可能會對另一側(cè)設(shè)備帶來干擾。

藍(lán)牙和wifi的具體應(yīng)用的通信特點

共存時相互干擾是否嚴(yán)重還和具體應(yīng)用時通信特點有關(guān)。比如數(shù)據(jù)量是否大，是否是數(shù)據(jù)流，是否是timecritical的。所以有的設(shè)計是host可以根據(jù)不同應(yīng)用配置不同的優(yōu)先級，以達(dá)到最好的平衡。

AFH（自適應(yīng)跳頻）和分時復(fù)用

AFH(自適應(yīng)跳頻)

AFH是解決噪音干擾的最好方法。通過在跳頻頻率中避開wifi的頻帶，既可以避免頻率沖突帶來的干擾，也絲毫不損失藍(lán)牙和wifi的性能。另外，當(dāng)藍(lán)牙進(jìn)入AFH狀態(tài)后，其跳頻序列可使用的跳頻點N的數(shù)量是動態(tài)變化的，其值不超過79。

自適應(yīng)跳頻選擇機(jī)制的實現(xiàn)是基于原79跳系統(tǒng)的頻率選擇，在其基礎(chǔ)上增加了AFH_mode和AFH_channel_map兩個參數(shù)。

AFH_mode指出當(dāng)前選頻是否可以使用自適應(yīng)跳頻序列；AFH_channel_map中指明哪些信道是可用的，哪些信道是不可用的。首先，原選頻生成一個信道，如果這個信道是AFH_channel_map中定義的可用信道，則不作任何調(diào)整，直接作為跳頻序列的輸出；如果此信道包含在不可用信道中，則通過重定位函數(shù)將其映射成一個可用的信道。這種映射關(guān)系是一一對應(yīng)的，就是說，如果給定了藍(lán)牙地址、時鐘以及AFH_channel_map，一個不可用的射頻信道將被地轉(zhuǎn)換為一可用信道，這樣保證了在同一網(wǎng)段中使用AFH機(jī)制的主從設(shè)備能夠保持跳頻序列的同步。

AFH技術(shù)的另一點改變是：在原跳頻系統(tǒng)中，主從節(jié)點分別采用不同的頻率發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)處于AFH狀態(tài)時，在主從對話期間，從節(jié)點使用與主節(jié)點相同的射頻信道向主節(jié)點響應(yīng)數(shù)據(jù)包，這被稱作AFH的相同信道機(jī)制。使用相同信道機(jī)制主要是由于在網(wǎng)中存在干擾的情況下，減少跳頻可以防止從節(jié)點在發(fā)送響應(yīng)分組時跳到可能發(fā)生沖突的信道上，保證至少在主從對話的過程中數(shù)據(jù)不易受到干擾，達(dá)到提高吞吐率的目的。

什么是79跳系統(tǒng)？

在Bluetooth中,ISM頻段被劃分為79個帶寬1 MHz的頻道,載頻間距1 MHz,彼此之間正交。跳頻系統(tǒng)載頻受偽隨機(jī)碼控制,不斷隨機(jī)跳變,可以看成載波按一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控。

分時復(fù)用

有AFH機(jī)制后，為什么還要采用分時復(fù)用機(jī)制？

因為諸如AFH等技術(shù)是專門為2.4GHz設(shè)備設(shè)計用于檢測和避免干擾的，還不足以實現(xiàn)藍(lán)牙與WLAN的共存。當(dāng)藍(lán)牙與802.11設(shè)備共存于同一設(shè)計中時作為獨立技術(shù)的AFH是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這主要是因為WLAN設(shè)備必須提供較高的輸出功率才能支持長距離、高數(shù)據(jù)速率、可靠的互聯(lián)網(wǎng)、語音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸。單獨使用AFH技術(shù)使用藍(lán)牙耳機(jī)的通話效果不是很好，為了解決這種問題，在使用AFH技術(shù)的基礎(chǔ)上又使用了分時復(fù)用技術(shù)。

分時復(fù)用原理：

分時是利用藍(lán)牙和wifi間的握手信號，使藍(lán)牙和wifi分時在2.4G工作，這樣可以避免噪音干擾和阻塞干擾。問題是會降低藍(lán)牙和wifi的throughput。所以這個機(jī)制應(yīng)該只在AFH不能提供良好效果時使用。這些握手信號都差不多。簡單說明如下：

1. 兩線方案

Wifi給藍(lán)牙信號WIFI_ACTIVE，表示wifi有通信，如果這個信號asserted，藍(lán)牙應(yīng)該只接收/發(fā)射highpriority的包，其它包delay。

藍(lán)牙給wifi信號BT_priority，表示藍(lán)牙要發(fā)highpriority的包，wifi必須停止當(dāng)前通信。

可以看出，這兩根信號分別是保護(hù)wifi和藍(lán)牙通信的。

從藍(lán)牙芯片設(shè)計的角度，藍(lán)牙芯片必須支持對于包優(yōu)先級的區(qū)分和delay包的處理。一般來說，定時同步，inquiry，page，SCO等是高優(yōu)先級，傳送數(shù)據(jù)的包則是普通優(yōu)先級。如果處理得細(xì)致和靈活，很多參數(shù)是需要可以配置和可調(diào)的，因為可能需要host根據(jù)具體應(yīng)用來配置。

2. 三線方案

三線方案和兩線方案相似。多加一根藍(lán)牙輸出的bt_active，這樣和bt_priority一起可以表示兩種優(yōu)先級的藍(lán)牙通信。

一般是3線模式，有3根線，分別是BT_ACTIVE、WIFI_ACTIVE 和BT_priority。

當(dāng)Bluetooth（BT 和 BLE）要用天線的時候BT_ACTIVE 信號有效，告訴WIFI，希望將天線切換到Bluetooth（BT 和 BLE）狀態(tài)；

當(dāng)WIFI要用天線的時候 WIFI_ACTIVE信號有效，告訴Bluetooth（BT 和 BLE），WIFI要用天線；當(dāng)Bluetooth（BT 和 BLE）要用天線，Bluetooth（BT 和 BLE）的BT_priority 信號有效告訴WIFI，要求WIFI馬上將天線卻換到Bluetooth（BT 和 BLE）狀態(tài)。

3. 四線方案

四線方案和三線方案相似，再多加一根藍(lán)牙輸出的bt_freq，指示藍(lán)牙通信是否和wifi頻帶沖突。

三、樂鑫WiFi、藍(lán)牙共存方案

概覽

ESP32只支持一路RF，Bluetooth（BT 和 BLE）和Wi-Fi共享這一路RF，無法同時收發(fā)數(shù)據(jù)，因此采用分時復(fù)用的方法進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)包。

ESP32支持的共存場景

共存機(jī)制與策略

共存機(jī)制

基于優(yōu)先級搶占的 RF 資源分配機(jī)制，如下圖所示，Bluetooth 模塊和 Wi-Fi 模塊向共存模塊申請 RF 資源，共存模塊根據(jù)二者的優(yōu)先級高低裁決 RF 歸誰使用。

共存策略

共存周期和時間片

Wi-Fi、BT、BLE 三者對于 RF 的使用，主要是按照時間片來劃分的。在一個共存周期內(nèi)，按照 Wi-Fi、BT、BLE 的順序劃分時間片。在 Wi-Fi 的時間片內(nèi)，Wi-Fi 會向共存仲裁模塊發(fā)出較高優(yōu)先級的請求，同理，BT/BLE 在自己的時間片內(nèi)會具有較高優(yōu)先級。共存周期大小和各個時間片占比根據(jù) Wi-Fi 的狀態(tài)分成四類：

1. IDLE 狀態(tài)：BT 和 BLE 共存由 Bluetooth 模塊控制。

2. CONNECTED 狀態(tài)：共存周期以目標(biāo)信標(biāo)傳輸時間 (Target Beacon Transmission Time, TBTT) 點為起始點，周期大于 100 ms。

3. SCAN 狀態(tài)：Wi-Fi時間片以及共存周期都比在 CONNECTED 狀態(tài)下的長。為了確保藍(lán)牙的性能，藍(lán)牙的時間片也會做相應(yīng)的調(diào)整。

4. CONNECTING 狀態(tài)：Wi-Fi 時間片比在 CONNECTED 狀態(tài)下的長。為了確保藍(lán)牙的性能，藍(lán)牙的時間片也會做相應(yīng)的調(diào)整。

共存邏輯會根據(jù)當(dāng)前 Wi-Fi 和 Bluetooth 的使用場景來選取不同的共存周期和共存時間片的劃分策略。對應(yīng)一個使用場景的共存策略，我們稱之為“共存模板”。比如，Wi-Fi CONNECTED 與 BLE CONNECTED的場景，就對應(yīng)有一個共存模板。在這個共存模板中，一個共存周期內(nèi) Wi-Fi 和 BLE 的時間片各占50%，時間分配如下圖所示：

動態(tài)優(yōu)先級

共存模塊對 Wi-Fi 和 Bluetooth 不同的狀態(tài)賦予其不同的優(yōu)先級。每種狀態(tài)下的優(yōu)先級并不是一成不變的，例如每 N 個廣播事件 (Advertising event) 中會有一個廣播事件使用高優(yōu)先級。如果高優(yōu)先級的廣播事件發(fā)生在 Wi-Fi 時間片內(nèi)，RF 的使用權(quán)可能會被BLE搶占。