如何解決手機中的WiMax、藍牙和Wi-Fi共存問題

Altair Semiconductor公司

從單功能蜂窩電話到具有豐富連接功能的各種多模多媒體設備，移動電話的發(fā)展非常迅速。這種發(fā)展趨勢同時有益于用戶、運營商、網(wǎng)絡服務提供商和應用開發(fā)人員，但對手機OEM商來說卻意味著難度越來越高，因為不同的無線協(xié)議之間存在著難以處理的干擾問題。比如：

1.藍牙：這是中端/高端手機中的標配功能，可以提供耳機、筆記本(無線PC modem和/或同步功能)以及打印機等外設的短距離連接。

2.Wi-Fi：可以讓用戶接入互聯(lián)網(wǎng)，打VoIP電話。

3.WiMax：很快會將與Wi-Fi相同的功能擴展到更遠的距離，并且性能更加穩(wěn)定。

手機制造商幾年前就認識到，藍牙和Wi-Fi(2.4GHz頻帶)的頻率非常接近，而且它們的天線靠在一起，再加上兩種協(xié)議完全不協(xié)調(diào)的事實，最終將導致發(fā)生故障的嚴重性能挑戰(zhàn)。藍牙和Wi-Fi芯片組供應商在產(chǎn)品中增加了共存接口，實現(xiàn)了在共享無線頻率媒介上的仲裁，以防止沖突和信號劣化，從而有效解決了這一難題。

隨著移動WiMax(IEEE802.16e)的推出，OEM又面臨新的干擾挑戰(zhàn)，這是因為新的WiMax協(xié)議工作在多個頻帶(在WiMax術(shù)語中定義為“模式”)，而最常用的是2.3-2.4GHz和2.5-2.7GHz。這種頻率區(qū)間雖然比藍牙和Wi-Fi之間的大，但仍不足以避免共存問題的發(fā)生。

一個典型的使用場合是，用戶一邊利用藍牙耳機進行蜂窩通話，一邊通過電話的WiMax無線鏈路下載電子郵件或瀏覽互聯(lián)網(wǎng)，這時確保無線接口共存的完美機制就很有必要。如果沒有這種機制，話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)包吞吐量下降將導致用戶體驗低劣。由于有越來越多的最終用戶使用藍牙和Wi-Fi配件(如藍牙耳機，Wi-Fi路由器)，因此最佳解決方案必須能與已經(jīng)投入使用的設備一起工作，而不是去修改現(xiàn)有設備。

WiMax和藍牙干擾

上述情景將用來分析從WiMax發(fā)射到藍牙無線鏈路的干擾模式，并確定其影響。圖1所示是一個由藍牙耳機和帶WiMax功能的移動電話組成的系統(tǒng)。藍牙耳機的發(fā)射功率是0dBm。在耳機天線處收到的信號電平是-40dBm。藍牙規(guī)范要求接收器能夠處理最高為-27dBm的干擾信號。

本例中手機的WiMax發(fā)射器工作在2.5-2.7GHz頻帶。WiMax功放(PA)的輸出功率可能高達+25dBm。WiMax和藍牙發(fā)射天線彼此靠得很近，用戶的手或手機擺放的表面通常會在它們之間造成10dB的路徑損耗。這樣一來，在藍牙帶通濾波器(BPF)輸入端產(chǎn)生的信號電平為+15dB。BPF必須能夠通過高達2.48GHz的頻率(最高的藍牙跳頻)，因此無法抑制超過3dB的無用WiMax信號，故至少有+12dB的干擾信號被傳遞到藍牙低噪放大器(LNA)。

圖1：由藍牙耳機和帶WiMax功能的手機構(gòu)成的通信系統(tǒng)。

假定藍牙抑制能力為-27dBm，那么很明顯無法有效抑制掉WiMax信號，這樣就會發(fā)生阻塞。另外，藍牙LNA輸入端如此強的信號可能會超過LNA的最大額定輸入功率，最終導致嚴重的可靠性問題。

為了便于討論，本文規(guī)定“本端”代表使用手機的一方，“遠端”代表正在通話的另一方。只要手機的藍牙接收電路被WiMax發(fā)射信號阻塞，遠端就會聽到“喀喇”聲。

WiMax阻塞對本端的影響程度稍低些，因為從手機到耳機存在較高的路徑損耗，但對本端端點的干擾也不能被完全忽略。這種“喀喇”聲發(fā)生的概率異常的高。假設在以下場合(后文有解釋)，手機中的藍牙接收器最多有1/6的時間在用。根據(jù)WiMax的使用情況，隨著流量的增加，在較高頻率處，藍牙接收器將會被阻塞。如上所述，藍牙發(fā)射對WiMax接收有負面影響，但不是很嚴重。

解決共存挑戰(zhàn)

根據(jù)上文的分析，顯然無法消除或者減輕無線或物理層(PHY)的干擾，因為這種干擾是系統(tǒng)與生俱來的。因此，解決方案必須通過更高的層即介質(zhì)訪問控制(MAC)層來實現(xiàn)。在MAC層，可以實現(xiàn)不同協(xié)議之間的同步，并保證共享頻譜上的帶寬能夠以時分復用、非并性和公平的方式得到分配。這種解決方案可以消除任何潛在的沖突，同時仍能保持固有的鏈路性能屬性。

有許多應用場合和使用情況需要解決，也即WiMax、藍牙和Wi-Fi發(fā)射和接收的各種組合，每種情況都有不同的鏈路掃描、建立和活動模式。為了討論的連貫性，我們?nèi)允褂蒙厦娴睦觼斫忉屚扑]的共存解決方案。后面我們還會在上述用例中增加Wi-Fi無線鏈路，該鏈路用以下要素表征：

移動電話和WiMax基站之間的有效WiMax鏈路。

工作在SCO/HV3模式(商用藍牙耳機使用的標準模式)的有效藍牙語音鏈路。

第一步是同步協(xié)議的時間基準。首先，我們必須找到不同系統(tǒng)時鐘之間的‘最小公因子’，并確保它們能協(xié)調(diào)動作。藍牙SCO/HV3模式的時基是625us，而WiMax的時基是基于5ms的幀。這意味著最小公因子時間間隔為15ms，在此期間可以處理3個WiMax幀和24個藍牙時隙。一旦解決方案被認為能夠滿足15ms時間間隔，重復模式就可確保該解決方案基本上可用于這種模式。

在確定重復模式后，有必要確保兩個時基是同步的，并在整個鏈路的并行操作過程中仍能保持同步。由于WiMax基站決定了時基，因此移動電話不可能控制相對于藍牙時基的相位。另一方面，移動電話中的藍牙芯片組(假定它是藍牙鏈路上的主設備)有能力控制時鐘相位，并與WiMax鏈路上的時鐘取得同步。

當藍牙鏈路上的主設備是耳機而不是移動電話時，可以執(zhí)行主從切換(藍牙術(shù)語叫MSS)。一旦成為“主設備”，手機藍牙芯片就能復位鏈路的時鐘，并使之與WiMax時鐘對齊，從而有效地實現(xiàn)兩個時基的同步。隨著時間的推移，藍牙時鐘與WiMax時鐘的相對相位可能出現(xiàn)偏差，因此可能要求重新同步藍牙時鐘。圖2給出了兩條無線鏈路之間的時間和相位關(guān)系。

在兩條鏈路取得同步并確定基本的重復模式后，下一步就是建立兼顧兩個協(xié)議工作原理的帶寬分配機制。藍牙SCO/HV3模式定義了一個重復的六時隙周期(3.75ms)，在此期間只有兩個連續(xù)時隙用于發(fā)射，一個用于主設備(用M代表)，一個用于從設備(用S代表)。在這個間隔時間內(nèi)移動電話和耳機交換未壓縮的語音數(shù)據(jù)包。另外4個時隙尚未使用。這是一種非?；镜哪Ｊ?，沒有定義任何調(diào)度機制、抖動控制(在時隙級)、重發(fā)、糾錯技術(shù)甚至循環(huán)冗余校驗(CRC)，因此任何錯誤都將表現(xiàn)為“喀喇”噪聲。

WiMax幀由一個從基站向所有注冊移動臺廣播發(fā)送的MAP消息組成。該消息映射了同一WiMax幀中不同移動臺的接收間隔，同時在隨后的WiMax幀中分配發(fā)射間隔。緊隨MAP消息的是一個下行鏈路間隔或“區(qū)”(WiMax術(shù)語)，用于基站向注冊移動臺廣播、組播或單播發(fā)射。在下行鏈路區(qū)后是上行鏈路區(qū)，用于移動臺在前面的WiMax幀期間接收發(fā)射分配時間。每個WiMax幀依次重復這種模式。

根據(jù)藍牙語音模式的基本特點，確保正確并行操作的基本方針是保證連續(xù)的藍牙發(fā)射和接收時隙。因此，基站在這些間隔內(nèi)(24時隙中的6個時隙，或25%的時間標注“阻塞”)必須被禁止向移動電話發(fā)射或分配發(fā)送機會?，F(xiàn)在讓我們分析一下剩余75%的時間，以便理解哪些時間間隔可用于WiMax鏈路。幀[N]實際上未被移動電話的WiMax鏈路使用---下行鏈路間隔未被使用，這是因為，鑒于藍牙優(yōu)先級(時隙B1和B2)問題，移動電話不能在幀開頭接收MAP消息。上行鏈路也由于藍牙優(yōu)先級(時隙B7和B8)的原因而未被使用。

在幀[N+1]期間，移動電話可以接收和解碼MAP消息，并且允許它接收在B10和B12之間的間隙期(2.5ms)發(fā)送的突發(fā)信號，直到下一次藍牙分配(時隙B13和B14)。不過，幀[N+1]中的上行鏈路不能被移動電話使用，因為它沒有接收到幀[N]中的MAP消息，該消息用于分配幀[N+1]的上行鏈路間隔中用于發(fā)射的帶寬。

在幀[N+2]中，由于藍牙占用了時隙B19和B20，移動電話將不能接收來自基站的下行鏈路流量。幀[N+2]的上行鏈路間隔可能已經(jīng)被賦于了幀[N+1]的MAP消息中的發(fā)射機會，因此可用于移動電話的發(fā)射。只要兩條鏈路保持有效，這種模式就會不斷重復。

這種機制的潛在規(guī)則是需要WiMax鏈路避免在某段時間內(nèi)發(fā)送信號。有兩種方法可以做到這一點：

1. 移動電話可以使用某種WiMax睡眠模式來避免在相應時間內(nèi)與基站發(fā)生交互。這種方法的缺點是在藍牙時隙B13和B14期間，在WiMax的發(fā)送中，可能存在誤包率(PER)，不過這種可能性比較低，而且在任何情況下都可以通過WiMax中的前向糾錯(FEC)和重發(fā)機制來加以克服。

2. 根據(jù)預協(xié)商的手機功能信息，基站調(diào)度器禁止在B13和B14兩個時隙內(nèi)進行接收和發(fā)射分配。這種方法要求對WiMax標準作少量補充，以便支持手機和基站之間的共存功能協(xié)商。

把Wi-Fi增加入共存機制相對比較簡單。Wi-Fi與以太網(wǎng)非常相似，也是一種載波偵聽多址訪問/沖突檢測(CSMA/CD)協(xié)議，它采用的不是時間分配機制，而是沖突檢測和隨機后退方法。

因此也就不可能將異步協(xié)議同步到推薦的共存機制。不過這個問題可以通過使用Wi-Fi中稱為非排程自動省電(U-APSD)的模式加以解決。這種模式一般用于把Wi-Fi站的功耗降至最低，手機在該模式下可以進入睡眠模式，讓接入點緩存所有發(fā)送往手機的信息，直到預定義的緩沖器溢出。當手機退出睡眠模式時，它向接入點發(fā)送一個觸發(fā)幀，接入點隨后將所有緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送給手機，從而有效地保持了常規(guī)CSMA/CD操作的類似性能。

這種模式在推薦共存機制中的使用方法是強迫手機Wi-Fi模式在間隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期間進入U-APSD睡眠模式，并在其它時間內(nèi)(10/24或42%)保持激活狀態(tài)。這樣對Wi-Fi吞吐量造成的影響是很小的，可忽略不計。

圖2中的其它時隙(標記為“OP”)代表了對某個無線鏈路來說可能可用也可能不可用的發(fā)射和接收機會，這些時隙可以用任何傳統(tǒng)的優(yōu)先級算法進行分配。

前述共存方案的優(yōu)點是：

1. 只有少許吞吐量的損失就消除了共存問題。

2. 可以用于任何商用WiMax基站、支持U-APSD的Wi-Fi接入點(大多數(shù)都支持)和藍牙耳機。

3. 無需對商用的藍牙和Wi-Fi手機芯片組作任何硬件改動。

本文小結(jié)

手機和手持設備中WiMax、藍牙和Wi-Fi的共存帶來了艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)，因為它們在相鄰無線頻帶上的發(fā)送可能會發(fā)生沖突，并嚴重降低性能。本文推薦的共存機制可以實現(xiàn)WiMax和藍牙時鐘的同步，時間上共享無線頻帶(以一種盡可能減小對各自無線鏈路性能影響的方式)以及使Wi-Fi工作于U-APSD模式，因而有效地解決了這方面的挑戰(zhàn)。