藍(lán)牙和Wi-Fi共存在智能手機(jī)上的方案對(duì)比

　　1 引言

　　在要求同時(shí)工作模式的情況下,設(shè)計(jì)同時(shí)包含Wi-Fi和藍(lán)牙功能的消費(fèi)類電子產(chǎn)品會(huì)遇到很多問(wèn)題。藍(lán)牙和802.11b/gWLAN系統(tǒng)工作在2.4GHz頻段，這兩種技術(shù)都用到了可用頻譜的重要部分(見(jiàn)圖1)。

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　　當(dāng)WLAN設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備靠得很近并試圖同時(shí)收發(fā)無(wú)線信號(hào)時(shí)就會(huì)發(fā)生干擾。這兩種技術(shù)采用不同的方法進(jìn)行信號(hào)傳送：載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA)和跳頻擴(kuò)頻。前者用于802.11b/g收發(fā)器，它在發(fā)送信號(hào)前會(huì)偵聽(tīng)空閑信道。所發(fā)送的信號(hào)帶寬大約20MHz，將占用間距為25MHz、最多3個(gè)非重疊信道中的一個(gè)進(jìn)行傳輸。

　　而藍(lán)牙則采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)在79個(gè)帶寬為1MHz的信道間以每秒1,600跳的速率跳躍選頻，在每個(gè)跳頻點(diǎn)發(fā)送較短的時(shí)分復(fù)用數(shù)據(jù)包。當(dāng)一個(gè)設(shè)備發(fā)起連接并成為該子網(wǎng)的主設(shè)備時(shí)，藍(lán)牙連接就成功建立了。如果知道目標(biāo)地址，設(shè)備就直接發(fā)送頁(yè)面消息。如果目標(biāo)地址未知，會(huì)先發(fā)送一個(gè)查詢消息，跟著再發(fā)頁(yè)面消息。一旦兩個(gè)設(shè)備同步上以后，這兩個(gè)具備藍(lán)牙功能的設(shè)備就處于連接狀態(tài)，并且每個(gè)設(shè)備會(huì)設(shè)定一個(gè)唯一的MAC)地址。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可以證實(shí)，藍(lán)牙發(fā)射器輸出的信號(hào)與802.11b/g信號(hào)在大約25%的時(shí)間內(nèi)會(huì)有沖突。

　　這種共同信道干擾效應(yīng)與信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度與數(shù)據(jù)包的發(fā)送長(zhǎng)度和占空比密切相關(guān)。針對(duì)這種干擾現(xiàn)象所做的各種分析和仿真試驗(yàn)表明，干擾會(huì)嚴(yán)重影響其中一種或兩種信號(hào)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供了不同信號(hào)設(shè)計(jì)方法——802.11b使用的直接序列擴(kuò)展頻譜(DSSS)、802.11g使用的正交頻分復(fù)用(OFDM)及藍(lán)牙使用的跳頻所導(dǎo)致的干擾反彈程度。這些標(biāo)準(zhǔn)還使用基于數(shù)據(jù)包重傳和數(shù)據(jù)速率降低的協(xié)議。然而，這些對(duì)策會(huì)極大地降低數(shù)據(jù)吞吐量，從而嚴(yán)重影響一些設(shè)備的性能。例如藍(lán)牙音頻傳送或WLAN上的VoIP，數(shù)據(jù)包差錯(cuò)率只要超過(guò)幾個(gè)百分點(diǎn)就會(huì)導(dǎo)致無(wú)法忍受的音頻時(shí)延甚至通話中斷。下面提出了解決共存干擾的的兩種方法——AFH(自適應(yīng)跳頻)和AFH與三線共存(時(shí)分復(fù)用)結(jié)合使用的技術(shù)。

　　2 AFH(自適應(yīng)跳頻)技術(shù)介紹及試驗(yàn)結(jié)果

　　AFH技術(shù)是對(duì)原始藍(lán)牙跳頻序列的一種改進(jìn)，它允許藍(lán)牙設(shè)備縮減跳頻點(diǎn)的數(shù)量，其基本原理是通過(guò)分辨出ISM頻段中優(yōu)良和惡化的信道，從而避兔使用惡化信道，減少受干擾的程度。當(dāng)藍(lán)牙微微網(wǎng)進(jìn)入AFH狀態(tài)后，其跳頻序列可使用的跳頻點(diǎn)N的數(shù)量是動(dòng)態(tài)變化的，其最大值不超過(guò)79。AFH只用于連接狀態(tài)，而不會(huì)改變尋呼、查詢等狀態(tài)時(shí)的跳頻序列。

　　自適應(yīng)跳頻選擇機(jī)制的實(shí)現(xiàn)是基于原79跳系統(tǒng)(Bluetooth1.2協(xié)議中規(guī)定不再使用23跳系統(tǒng))的頻率選擇核心，在其基礎(chǔ)上增加了AFH_mode和AFH_channel_map兩個(gè)參數(shù)。

　　AFH_mode指出當(dāng)前選頻核心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，原選頻核心生成一個(gè)信道，如果這個(gè)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(guò)重定位函數(shù)將其映射成一個(gè)可用的信道。這種映射關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)的，就是說(shuō)，如果給定了藍(lán)牙地址、時(shí)鐘以及AFH_channel_map，一個(gè)不可用的射頻信道將被唯一地轉(zhuǎn)換為一可用信道，這樣保證了在同一微微網(wǎng)中使用AFH機(jī)制的主從設(shè)備能夠保持跳頻序列的同步。

　　在這種實(shí)現(xiàn)機(jī)制下，非自適應(yīng)的79跳系統(tǒng)的跳頻序列等于將全部信適設(shè)為可用的AFH選頻核心產(chǎn)生的頻率序列，這一屬性使得可以方便地與原非AFH設(shè)備保持兼容。

　　AFH技術(shù)的另一點(diǎn)改變是：在原跳頻系統(tǒng)中，主從節(jié)點(diǎn)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(shí)，在一次主從對(duì)話期間，從節(jié)點(diǎn)使用與主節(jié)點(diǎn)相同的射頻信道向主節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在發(fā)送響應(yīng)分組時(shí)跳到可能發(fā)生沖突的信道上，保證至少在一次主從對(duì)話的過(guò)程中數(shù)據(jù)不易受到干擾，達(dá)到提高吞吐率的目的。

　　不幸的是，諸如AFH等技術(shù)是專門為2.4GHz設(shè)備設(shè)計(jì)用于檢測(cè)和避免干擾的，還不足以實(shí)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(jì)中時(shí)作為獨(dú)立技術(shù)的AFH是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這主要是因?yàn)閃LAN設(shè)備必須提供較高的輸出功率才能支持長(zhǎng)距離、高數(shù)據(jù)速率、可靠的互聯(lián)網(wǎng)、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸。圖2給出了手機(jī)在同時(shí)使用藍(lán)牙和Wi-Fi時(shí)的仿真圖，此時(shí)Wi-Fi正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙耳機(jī)正在接聽(tīng)由小靈通打進(jìn)的電話。

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　　單獨(dú)使用AFH技術(shù)，結(jié)果使得Wi-Fi吞吐量下降20%左右，小靈通接聽(tīng)雜音大。由此可以看出手機(jī)的WIFI發(fā)送會(huì)干擾到手機(jī)藍(lán)牙的接收。