藍牙和Wi-Fi共存在智能手機上的方案對比 - 全文

　　1 引言

　　在要求同時工作模式的情況下,設計同時包含 Wi-Fi和藍牙功能的消費類電子產品會遇到很多問題。藍牙和802.11b/gWLAN系統(tǒng)工作在2.4GHz頻段，這兩種技術都用到了可用頻譜的重要部分(見圖1)。

　　當WLAN設備和藍牙設備靠得很近并試圖同時收發(fā)無線信號時就會發(fā)生干擾。這兩種技術采用不同的方法進行信號傳送：載波偵聽多路訪問(CSMA)和跳頻擴頻。前者用于802.11b/g收發(fā)器，它在發(fā)送信號前會偵聽空閑信道。所發(fā)送的信號帶寬大約20MHz，將占用間距為25MHz、最多3個非重疊信道中的一個進行傳輸。

　　而藍牙則采用跳頻擴頻技術在79個帶寬為1MHz的信道間以每秒1,600跳的速率跳躍選頻，在每個跳頻點發(fā)送較短的時分復用數據包。當一個設備發(fā)起連接并成為該子網的主設備時，藍牙連接就成功建立了。如果知道目標地址，設備就直接發(fā)送頁面消息。如果目標地址未知，會先發(fā)送一個查詢消息，跟著再發(fā)頁面消息。一旦兩個設備同步上以后，這兩個具備藍牙功能的設備就處于連接狀態(tài)，并且每個設備會設定一個唯一的MAC)地址。通過簡單的計算可以證實，藍牙發(fā)射器輸出的信號與802.11b/g信號在大約25%的時間內會有沖突。

　　這種共同信道干擾效應與信號的相對強度與數據包的發(fā)送長度和占空比密切相關。針對這種干擾現象所做的各種分析和仿真試驗表明，干擾會嚴重影響其中一種或兩種信號。相關標準提供了不同信號設計方法——802.11b使用的直接序列擴展頻譜(DSSS)、802.11g使用的正交頻分復用(OFDM)及藍牙使用的跳頻所導致的干擾反彈程度。這些標準還使用基于數據包重傳和數據速率降低的協議。然而，這些對策會極大地降低數據吞吐量，從而嚴重影響一些設備的性能。例如藍牙音頻傳送或WLAN上的VoIP，數據包差錯率只要超過幾個百分點就會導致無法忍受的音頻時延甚至通話中斷。下面提出了解決共存干擾的的兩種方法——AFH(自適應跳頻)和AFH與三線共存(時分復用)結合使用的技術。

　　2 AFH(自適應跳頻)技術介紹及試驗結果

　　AFH技術是對原始藍牙跳頻序列的一種改進，它允許藍牙設備縮減跳頻點的數量，其基本原理是通過分辨出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。當藍牙微微網進入AFH狀態(tài)后，其跳頻序列可使用的跳頻點N的數量是動態(tài)變化的，其最大值不超過79。AFH只用于連接狀態(tài)，而不會改變尋呼、查詢等狀態(tài)時的跳頻序列。

　　自適應跳頻選擇機制的實現是基于原79跳系統(tǒng)(Bluetooth1.2協議中規(guī)定不再使用23跳系統(tǒng))的頻率選擇核心，在其基礎上增加了AFH_mode和AFH_channel_map兩個參數。

　　AFH_mode指出當前選頻核心是否可以使用自適應跳頻序列;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，則通過重定位函數將其映射成一個可用的信道。這種映射關系是一一對應的，就是說，如果給定了藍牙地址、時鐘以及AFH_channel_map，一個不可用的射頻信道將被唯一地轉換為一可用信道，這樣保證了在同一微微網中使用AFH機制的主從設備能夠保持跳頻序列的同步。

　　在這種實現機制下，非自適應的79跳系統(tǒng)的跳頻序列等于將全部信適設為可用的AFH選頻核心產生的頻率序列，這一屬性使得可以方便地與原非AFH設備保持兼容。

　　AFH技術的另一點改變是：在原跳頻系統(tǒng)中，主從節(jié)點分別采用不同的頻率發(fā)送數據;當處于AFH狀態(tài)時，在一次主從對話期間，從節(jié)點使用與主節(jié)點相同的射頻信道向主節(jié)點響應數據包，這被稱作AFH的相同信道機制。使用相同信道機制主要是由于在網中存在干擾的情況下，減少跳頻可以防止從節(jié)點在發(fā)送響應分組時跳到可能發(fā)生沖突的信道上，保證至少在一次主從對話的過程中數據不易受到干擾，達到提高吞吐率的目的。

　　不幸的是，諸如AFH等技術是專門為2.4GHz設備設計用于檢測和避免干擾的，還不足以實現藍牙與WLAN的共存。當藍牙與802.11設備共存于同一設計中時作為獨立技術的AFH是遠遠不夠的，這主要是因為WLAN設備必須提供較高的輸出功率才能支持長距離、高數據速率、可靠的互聯網、語音、數據和視頻傳輸。圖2給出了手機在同時使用藍牙和Wi-Fi時的仿真圖，此時Wi-Fi正在進行數據傳輸，藍牙耳機正在接聽由小靈通打進的電話。

　　單獨使用AFH技術，結果使得Wi-Fi吞吐量下降20%左右，小靈通接聽雜音大。由此可以看出手機的WIFI發(fā)送會干擾到手機藍牙的接收。

　　3 AFH技術與三線共存(時分復用)技術結合解決干擾問題

　　AFH技術在上面已經介紹過了，單獨使用AFH技術使用藍牙耳機的通話效果不是很好，為了解決這種問題，在使用AFH技術的基礎上又使用了三線共存(時分復用)技術。三線共存，顧名思義，就是使用三根線連接Wi-Fi和藍牙，下面結合圖3中Wi-Fi和藍牙所示的三線連接圖來描述一下三線共存的機制，其中主處理器使用的是TI公司的OMAP1621芯片。

　　由圖3可以看出，三線連接由RF_ACTIVE，BT_STATE,WLAN_ACTIVE三根信號線組成。RF_ACTIVE是從藍牙設備向Wi—Fi設備發(fā)送的信號線，它通知Wi—Fi設備此時藍牙設備正在工作，RF_ACTIVE在整個藍牙的發(fā)送與接收過程中都是有效的。由于硬件的需要，它必須連接到PIO7且不能改變。

　　BT_STATE也是由藍牙設備向Wi—Fi設備發(fā)送的信號線，它通知Wi—Fi設備此時藍牙是處于發(fā)送狀態(tài)還是接收狀態(tài)。由于硬件的需要，此信號線必須連接到藍牙的PIO5管腳。

　　WLAN_ACTIVE是由Wi—Fi設備向藍牙發(fā)送的信號線，它用來通知藍牙Wi—Fi設備將要發(fā)送或接收數據，下一個藍牙的操作應該被取消。這根信號線默認連接到PIO9。

　　此種類型的三線連接一般只能用于BlueCore4以及更高的藍牙核上。

　　這里的三線共存實質上使用的是時分共存技術，當Wi—Fi設備將要發(fā)送或者接收數據的時候下一個藍牙任務動作將會被取消。藍牙任務在這里一般分為高優(yōu)先級和低優(yōu)先級兩種，當高優(yōu)先級任務工作的時候，如果此時Wi—Fi也在工作，這時候Wi—Fi任務將會被取消，當藍牙執(zhí)行低優(yōu)先級任務的時候，如果有Wi—Fi也在工作，這時候藍牙任務應該被取消。

　　使用AFH和三線共存兩種技術很好的解決了藍牙耳機通話的語音質量問題，而且Wi—Fi傳輸數據的效果也比較好。圖4就是在同時使用這兩種技術的情況下對藍牙和Wi—Fi測試的仿真圖。