深入分析：802.11與藍牙信號間干擾的解決

　　藍牙是一種個人局域網(wǎng)(PAN)技術，并同樣可用于采用了802.11技術的區(qū)域內(nèi)。許多設備將集成這兩種技術，而且不少用戶也希望能同時使用它們。這種共容性設備的一個實例就是帶有藍牙鼠標和802.11b/g(以無線方式連接到局域網(wǎng))的個人計算機。我們能預期，蜂窩電話或多用途設備將配備802.11b/g，以訪問WLAN熱點(hot spot)，同時還會配備藍牙，以便取代與PC、耳機或打印機之間的線纜。

　　用戶們反映，當藍牙和802.11b/g設備運行于距離接近的位置時，系統(tǒng)的性能是可以接受的。直接序列擴頻(802.11b)、正交頻分復用(OFDM；802.11g)和跳頻(藍牙)等技術的內(nèi)在保護機制與可檢測錯誤并重發(fā)數(shù)據(jù)包的協(xié)議結(jié)合在一起，就可在許多情況下提供令人滿意的性能。但這是否就足夠了呢？

　　現(xiàn)在，我們來考慮當藍牙功能在附近激活時802.11b數(shù)據(jù)包傳輸成功的概率。當802.11b工作在11Mbps的速率下時，一個數(shù)據(jù)包需要約1毫秒的空中時間。采用單個時隙(one-slot)數(shù)據(jù)包(或按分頁模式傳輸)的藍牙連接通常會有兩個數(shù)據(jù)包與802.11數(shù)據(jù)包發(fā)生重疊。只有當頻率在某個范圍之內(nèi)時，這樣的重疊才會導致802.11傳輸失敗。這個標稱范圍占據(jù)了802.11信道的20MHz。

　　根據(jù)藍牙的隨機跳頻機制，兩個藍牙數(shù)據(jù)包處于此頻率范圍之外的概率約為50%。如果藍牙系統(tǒng)滿負荷工作，吞吐量預計將是原來的50%。不過，如果802.11b工作在它的最低數(shù)據(jù)速率(1Mbps)，數(shù)據(jù)包的持續(xù)時間為10ms，那么數(shù)據(jù)傳送成功的概率將變成1%左右。

　　分析802.11對藍牙的影響也表明，根據(jù)干擾信號的強度和組合占空比的不同，這種影響將介于中等到嚴重之間。藍牙傳輸通常將只與802.11數(shù)據(jù)包發(fā)生一次沖突，但有效的藍牙傳輸要求兩個數(shù)據(jù)包(Tx和Rx)都必須被成功送達(單比特序列數(shù))。這使得傳輸?shù)某晒Ω怕室彩?0%。

　　盡管50%的吞吐量并不很理想，但由于鄰近的802.11設備通常具有較低的占空比，因而藍牙數(shù)據(jù)包將很少受到干擾。但是，在一個藍牙音頻連接中，如果傳輸數(shù)據(jù)包損失達到5%以上，將導致可察覺的性能下降；當傳送失敗的比率超過10%時，音頻質(zhì)量將被顯著削弱。因此，我們需要對干擾進行更嚴格的控制。

　　當藍牙頻率處于802.11信道的20MHz范圍之內(nèi)時，兩者將互相干擾；不過，這個簡單的模型只有當載波對干擾幅度之比(C/I)在有限的范圍之內(nèi)時才是有效的。如果802.11信號幅度提高30dB，干擾范圍將擴大到40MHz。隨著受干擾范圍的增大，藍牙在整個ISM頻段的靈敏度都將被削弱。最后，在任何一方接收器遭受極端干擾的情況下，前端過載問題將導致所有接收信號被阻塞。

　　對于數(shù)據(jù)應用，一些公司決定采用簡單的“忍受”機制，依靠重發(fā)送協(xié)議使數(shù)據(jù)通過信道。但這種方法可能很危險，因為更高層的協(xié)議會面臨超時，而后備算法做出的反應可能會使干擾所造成的影響復雜化。更為重要的是，藍牙和802.11b/g中的錯誤檢測機制(報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余校驗)會因數(shù)據(jù)中的錯誤而失效，并將被愚弄而把錯誤的數(shù)據(jù)傳送給鏈接管理協(xié)議和用戶級應用。避免這種情況發(fā)生是系統(tǒng)設計者義不容辭的責任。

　　可選用的幾項技術

　　我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，基于802.11與藍牙設備之間某種形式硬連線信令的協(xié)作式實時控制能提供可接受的性能。以下討論的每項技術在特定場合下能顯著改善性能，而在某些情況中，可能需要用到所有這些技術。

　　藍牙數(shù)據(jù)包類型選擇

　　藍牙規(guī)范建議實施者適當選擇數(shù)據(jù)包類型以優(yōu)化吞吐量。隨著兩種設備相互遠離對方，而且信號強度漸漸接近閾值，這樣的一種算法將轉(zhuǎn)向魯棒性更強的數(shù)據(jù)包類型(前向糾錯和更短的長度)。這能有效擴展工作范圍，但對改善干擾的作用最小。數(shù)據(jù)包類型至多對應強度在9dB范圍以內(nèi)的接收信號。現(xiàn)實世界的干擾具有寬廣的干擾范圍，這使得數(shù)據(jù)包類型選擇沒有什么意義。

　　在范圍有限的情況中，數(shù)據(jù)包長度不是一個重要因素，但它對減小干擾有用。如果干擾是按明顯的周期(幾毫秒一次)爆發(fā)，那么縮短藍牙數(shù)據(jù)包的長度將可減少沖突。

　　讓802.11感知藍牙

　　如果問題是由20MHz范圍引起的，802.11設備不會對干擾作出反應，這一點很重要。與其降低數(shù)據(jù)速率(這會延長數(shù)據(jù)包的持續(xù)時間)以提高調(diào)制的魯棒性，802.11設備不如采取相反的措施，即802.11系統(tǒng)的設計者需要考慮減小有效載荷大小并接受更差的數(shù)據(jù)包效率，將此視為減少與藍牙發(fā)生沖突幾率的折衷辦法。

　　頻率分離

　　自適應跳頻(AFH)將對上述兩種標準的共存性問題產(chǎn)生重大影響。藍牙特殊興趣小組(SIG)正在升級藍牙規(guī)范，使其實現(xiàn)AFH功能。在某些情況下，AFH將能極大地改進系統(tǒng)性能，使802.11和藍牙都恢復到滿負荷吞吐量。但AFH并不是萬能的，實際上，它的有效性高度依賴于藍牙和802.11信號的相對幅度。只有當藍牙接收器所接收到的802.11信號幅度足夠低，以確保在ISM頻段中至少某些部分具有可接受的C/I比時，AFH才是有效的。例如，如果接收到的802.11信號為-20dBm，那么藍牙在整個ISM頻段的閾值都將上升。大約20個信道將無法使用，而且即使處于20MHz范圍之外的那些信道也將具有可能阻塞藍牙傳輸?shù)母唛撝怠?

　　如果在一個藍牙微型網(wǎng)(piconet)的附近有多個802.11接入點，這將導致藍牙被擠壓到少數(shù)幾組頻段內(nèi)，并將引起更嚴重的“藍牙對藍牙”干擾，迫使藍牙設備對802.11產(chǎn)生更嚴重的干擾。

　　藍牙設備檢測干擾的能力是不確定的，尤其是當802.11b/g的占空比較低或者干擾設備距離較遠時，而適應干擾變化所需的時間會減少這種方法所能實現(xiàn)的好處。兩種輔助技術能有助于控制C/I。第一種是空間分離。恰當?shù)奶炀€設計和布局/方向能極大地減少干擾，尤其在共容性系統(tǒng)中，但C/I還受到局部環(huán)境的影響。

　　其次，功率控制也能管理C/I。功率控制對發(fā)射功率超過4dBm的藍牙設備是強制性的，但對其它情況是可選擇的。當藍牙執(zhí)行功率控制時，它能減少對附近的其它藍牙微型網(wǎng)或802.11網(wǎng)絡的干擾。

　　模式切換

　　在共容性設備中，干擾問題尤為嚴重。相互鄰近的射頻會使干擾水平提高到令系統(tǒng)崩潰的程度。每次只讓一個射頻工作顯然能預防干擾。在一個共容性設備中，系統(tǒng)可以使用模式切換來協(xié)調(diào)射頻的活動，這種切換基于較低層次的進程，例如802.11中的信標(beacon)接收或藍牙中的分頁技術(paging)等，或者通過交織數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)，從而使運行過程看上去是同時進行的。

　　這種技術的挑戰(zhàn)主要在于如何對這兩種系統(tǒng)進行時間上的安排和優(yōu)先權設置。Silicon Wave和Intersil公司可提供這樣一種解決方案：Blue802技術。其基本的折衷方法是按某一比例來分配時間。對于爆發(fā)式通信，一個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包可以在其它系統(tǒng)空閑時發(fā)送，反之亦然，因而用戶不會感覺到吞吐量的任何損失。

　　對于特殊的頻率或工作條件，可將模式選擇與頻率分離技術有效地結(jié)合以改善系統(tǒng)性能。當兩種技術的干擾水平較低或占空比較低時，僅依賴藍牙和802.11b/g內(nèi)在的抗干擾機制是可能的。藍牙和802.11中的數(shù)據(jù)包選擇和算法控制將有幫助，但通常不能提供顯著的好處。在藍牙中加入AFH將是向前推進的重大一步。當然，在集成了802.11和決問題。