深入分析：802.11與藍(lán)牙信號(hào)間干擾的解決

　　藍(lán)牙是一種個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)技術(shù)，并同樣可用于采用了802.11技術(shù)的區(qū)域內(nèi)。許多設(shè)備將集成這兩種技術(shù)，而且不少用戶也希望能同時(shí)使用它們。這種共容性設(shè)備的一個(gè)實(shí)例就是帶有藍(lán)牙鼠標(biāo)和802.11b/g(以無線方式連接到局域網(wǎng))的個(gè)人計(jì)算機(jī)。我們能預(yù)期，蜂窩電話或多用途設(shè)備將配備802.11b/g，以訪問WLAN熱點(diǎn)(hot spot)，同時(shí)還會(huì)配備藍(lán)牙，以便取代與PC、耳機(jī)或打印機(jī)之間的線纜。

　　用戶們反映，當(dāng)藍(lán)牙和802.11b/g設(shè)備運(yùn)行于距離接近的位置時(shí)，系統(tǒng)的性能是可以接受的。直接序列擴(kuò)頻(802.11b)、正交頻分復(fù)用(OFDM；802.11g)和跳頻(藍(lán)牙)等技術(shù)的內(nèi)在保護(hù)機(jī)制與可檢測(cè)錯(cuò)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(dāng)藍(lán)牙功能在附近激活時(shí)802.11b數(shù)據(jù)包傳輸成功的概率。當(dāng)802.11b工作在11Mbps的速率下時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)包需要約1毫秒的空中時(shí)間。采用單個(gè)時(shí)隙(one-slot)數(shù)據(jù)包(或按分頁模式傳輸)的藍(lán)牙連接通常會(huì)有兩個(gè)數(shù)據(jù)包與802.11數(shù)據(jù)包發(fā)生重疊。只有當(dāng)頻率在某個(gè)范圍之內(nèi)時(shí)，這樣的重疊才會(huì)導(dǎo)致802.11傳輸失敗。這個(gè)標(biāo)稱范圍占據(jù)了802.11信道的20MHz。

　　根據(jù)藍(lán)牙的隨機(jī)跳頻機(jī)制，兩個(gè)藍(lán)牙數(shù)據(jù)包處于此頻率范圍之外的概率約為50%。如果藍(lán)牙系統(tǒng)滿負(fù)荷工作，吞吐量預(yù)計(jì)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(shí)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(duì)藍(lán)牙的影響也表明，根據(jù)干擾信號(hào)的強(qiáng)度和組合占空比的不同，這種影響將介于中等到嚴(yán)重之間。藍(lán)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(lán)牙傳輸要求兩個(gè)數(shù)據(jù)包(Tx和Rx)都必須被成功送達(dá)(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(shè)備通常具有較低的占空比，因而藍(lán)牙數(shù)據(jù)包將很少受到干擾。但是，在一個(gè)藍(lán)牙音頻連接中，如果傳輸數(shù)據(jù)包損失達(dá)到5%以上，將導(dǎo)致可察覺的性能下降；當(dāng)傳送失敗的比率超過10%時(shí)，音頻質(zhì)量將被顯著削弱。因此，我們需要對(duì)干擾進(jìn)行更嚴(yán)格的控制。

　　當(dāng)藍(lán)牙頻率處于802.11信道的20MHz范圍之內(nèi)時(shí)，兩者將互相干擾；不過，這個(gè)簡(jiǎn)單的模型只有當(dāng)載波對(duì)干擾幅度之比(C/I)在有限的范圍之內(nèi)時(shí)才是有效的。如果802.11信號(hào)幅度提高30dB，干擾范圍將擴(kuò)大到40MHz。隨著受干擾范圍的增大，藍(lán)牙在整個(gè)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(dǎo)致所有接收信號(hào)被阻塞。

　　對(duì)于數(shù)據(jù)應(yīng)用，一些公司決定采用簡(jiǎn)單的“忍受”機(jī)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(xiǎn)，因?yàn)楦邔拥膮f(xié)議會(huì)面臨超時(shí)，而后備算法做出的反應(yīng)可能會(huì)使干擾所造成的影響復(fù)雜化。更為重要的是，藍(lán)牙和802.11b/g中的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制(報(bào)頭錯(cuò)誤檢測(cè)和循環(huán)冗余校驗(yàn))會(huì)因數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤而失效，并將被愚弄而把錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)傳送給鏈接管理協(xié)議和用戶級(jí)應(yīng)用。避免這種情況發(fā)生是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者義不容辭的責(zé)任。

　　可選用的幾項(xiàng)技術(shù)

　　我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，基于802.11與藍(lán)牙設(shè)備之間某種形式硬連線信令的協(xié)作式實(shí)時(shí)控制能提供可接受的性能。以下討論的每項(xiàng)技術(shù)在特定場(chǎng)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(shù)。

　　藍(lán)牙數(shù)據(jù)包類型選擇

　　藍(lán)牙規(guī)范建議實(shí)施者適當(dāng)選擇數(shù)據(jù)包類型以優(yōu)化吞吐量。隨著兩種設(shè)備相互遠(yuǎn)離對(duì)方，而且信號(hào)強(qiáng)度漸漸接近閾值，這樣的一種算法將轉(zhuǎn)向魯棒性更強(qiáng)的數(shù)據(jù)包類型(前向糾錯(cuò)和更短的長度)。這能有效擴(kuò)展工作范圍，但對(duì)改善干擾的作用最小。數(shù)據(jù)包類型至多對(duì)應(yīng)強(qiáng)度在9dB范圍以內(nèi)的接收信號(hào)?，F(xiàn)實(shí)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(gè)重要因素，但它對(duì)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(lán)牙數(shù)據(jù)包的長度將可減少?zèng)_突。

　　讓802.11感知藍(lán)牙

　　如果問題是由20MHz范圍引起的，802.11設(shè)備不會(huì)對(duì)干擾作出反應(yīng)，這一點(diǎn)很重要。與其降低數(shù)據(jù)速率(這會(huì)延長數(shù)據(jù)包的持續(xù)時(shí)間)以提高調(diào)制的魯棒性，802.11設(shè)備不如采取相反的措施，即802.11系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(lán)牙發(fā)生沖突幾率的折衷辦法。

　　頻率分離

　　自適應(yīng)跳頻(AFH)將對(duì)上述兩種標(biāo)準(zhǔn)的共存性問題產(chǎn)生重大影響。藍(lán)牙特殊興趣小組(SIG)正在升級(jí)藍(lán)牙規(guī)范，使其實(shí)現(xiàn)AFH功能。在某些情況下，AFH將能極大地改進(jìn)系統(tǒng)性能，使802.11和藍(lán)牙都恢復(fù)到滿負(fù)荷吞吐量。但AFH并不是萬能的，實(shí)際上，它的有效性高度依賴于藍(lán)牙和802.11信號(hào)的相對(duì)幅度。只有當(dāng)藍(lán)牙接收器所接收到的802.11信號(hào)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(shí)，AFH才是有效的。例如，如果接收到的802.11信號(hào)為-20dBm，那么藍(lán)牙在整個(gè)ISM頻段的閾值都將上升。大約20個(gè)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(lán)牙傳輸?shù)母唛撝怠?

　　如果在一個(gè)藍(lán)牙微型網(wǎng)(piconet)的附近有多個(gè)802.11接入點(diǎn)，這將導(dǎo)致藍(lán)牙被擠壓到少數(shù)幾組頻段內(nèi)，并將引起更嚴(yán)重的“藍(lán)牙對(duì)藍(lán)牙”干擾，迫使藍(lán)牙設(shè)備對(duì)802.11產(chǎn)生更嚴(yán)重的干擾。

　　藍(lán)牙設(shè)備檢測(cè)干擾的能力是不確定的，尤其是當(dāng)802.11b/g的占空比較低或者干擾設(shè)備距離較遠(yuǎn)時(shí)，而適應(yīng)干擾變化所需的時(shí)間會(huì)減少這種方法所能實(shí)現(xiàn)的好處。兩種輔助技術(shù)能有助于控制C/I。第一種是空間分離。恰當(dāng)?shù)奶炀€設(shè)計(jì)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(duì)發(fā)射功率超過4dBm的藍(lán)牙設(shè)備是強(qiáng)制性的，但對(duì)其它情況是可選擇的。當(dāng)藍(lán)牙執(zhí)行功率控制時(shí)，它能減少對(duì)附近的其它藍(lán)牙微型網(wǎng)或802.11網(wǎng)絡(luò)的干擾。

　　模式切換

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

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

　　對(duì)于特殊的頻率或工作條件，可將模式選擇與頻率分離技術(shù)有效地結(jié)合以改善系統(tǒng)性能。當(dāng)兩種技術(shù)的干擾水平較低或占空比較低時(shí)，僅依賴藍(lán)牙和802.11b/g內(nèi)在的抗干擾機(jī)制是可能的。藍(lán)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(lán)牙中加入AFH將是向前推進(jìn)的重大一步。當(dāng)然，在集成了802.11和決問題。