ay: block;">無線局域網(wǎng)(WLAN)接入點(AP)與便攜式消費產(chǎn)品(例如配置有藍牙技術、且該技術處于激活狀態(tài)的手機或智能電話等)中的WLAN模塊之間的信令干擾,會大大降低系統(tǒng)靈敏度和WLAN鏈路的覆蓋范圍。
恩智浦半導體公司(NXP)的測試和分析表明,在辦公室環(huán)境中,覆蓋范圍會減小到其基線距離(即藍牙功能未激活時)的20%。
對于終端用戶的體驗而言,如果WLAN基站是一臺能在WLAN或熱點可用的情況下切換到WLAN的雙模手機,這一問題尤其突出。由于這個問題只有在藍牙功能激活時才出現(xiàn),因此消費者將會敏銳地感到手機性能不穩(wěn)定,并且在很多情況下不令人滿意。
就距離或范圍而言,需要考慮三個數(shù)值:在藍牙功能未激活時,系統(tǒng)靈敏度一般在-95dBm范圍內,輸出功率在15-20dBm范圍內；當藍牙和WLAN配合使用出現(xiàn)問題時,系統(tǒng)靈敏度降低到-65dBm；當采用調節(jié)機制時(如恩智浦半導體發(fā)明并實現(xiàn)的藍牙與WLAN芯片方案),系統(tǒng)靈敏度可保持在-85dBm。
對于不同應用,實際的覆蓋范圍會有很大不同,但預計平均可以改善到基線距離的50%左右。
AP速率適配機制
發(fā)送藍牙與WLAN信令的固有問題使情況變得更加復雜。這兩種技術均使用相同的 ISM頻段,但由于兩者在應用初期似乎彼此分離、互不相關,因此在它們各自的工程化發(fā)展過程中,人們并未考慮到兩者的共存問題。
WLAN最初是作為個人電腦之間的數(shù)據(jù)連接,這只是一種無線以太局域網(wǎng)。藍牙最初是用于手機的短距離無線連接。但是,過去幾年來,隨著WLAN熱點的推出,家庭WLAN接入點的強勁發(fā)展及其與手機的同步功能(即在大樓中信號覆蓋不佳的地方切換到WLAN),使得WLAN進入了語音傳輸領域。同樣地,單聲道藍牙耳機(mono)被應用于手機,而立體聲藍牙耳機則被用于MP3播放器和iPod。
這些新的應用領域意味著藍牙與WLAN需要近距離工作,而終端用戶的體驗取決于藍牙和WLAN是否能夠同時作用,以及在關鍵的延遲需求下傳輸相同類型的數(shù)據(jù)。
共存問題的核心是WLAN接入點(AP)速率適配機制,WLAN接入點利用這個機制來維持與智能手機等WLAN站點(具有WLAN功能的設備)的可靠連接。
最好能通過描述藍牙的工作方式來研究這種機制。在語音傳輸模式下,藍牙會建立一個同步面向連接(SCO)鏈路。SCO鏈路被用于單聲道語音傳輸,它具有一種規(guī)則的幀結構,即每允許的語音數(shù)據(jù)交換。該幀結構如圖1所示。這種SCO幀結構是藍牙規(guī)格的組成部分,不能被修改或改變。
藍牙技術所需的接收和傳輸間隔,僅給WLAN數(shù)據(jù)包的接收和傳輸留下了的時間間隙。否則,它們就會與某個藍牙數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突并因此而降低靈敏度。
如果AP傳輸?shù)囊粋€幀恰好落入藍牙的Tx周期內,那么它將很可能被正在進行的藍牙傳輸破壞,并且WLAN站點不會給AP發(fā)送確認信息。同樣,如果AP傳輸?shù)膸拷却芷?quiet period)的末端,則WLAN站將無法傳送一個確認幀,導致AP會認為該幀沒有正確地被接收。許多AP要通過非確認幀的數(shù)量來確定信道的質量。
如果WLAN是典型的加性高斯白噪聲(AWGN)信道,則這種類型的信道評估是很好的方法,但當存在像藍牙這類脈沖干擾源時,這種方法就不靈了。
藍牙技術產(chǎn)生的這種干擾十分重要,因為一般信道中會存在兩種類型的噪聲:AWGN和脈沖干擾,后者是藍牙傳輸所產(chǎn)生的非常典型的噪聲。AWGN是大多數(shù)環(huán)境下的典型噪聲,在這些環(huán)境下噪聲是隨機的且基本不發(fā)生變化。鑒于當初的工程化假設,WLAN熱點被設計為工作在AWGN信道。
因此,保持可靠通信鏈路和延長傳輸距離的方法既簡單又直接:當靈敏度開始下降時,AP與WLAN站都降低各自的數(shù)據(jù)傳輸速率,以維持它們的數(shù)據(jù)包誤碼率指標。
每個設備都對其鏈路負責。從AP到WLAN站的鏈路速率適配程度由AP決定。為維持AP與站之間的目標誤碼率(并假設它工作在一個AWGN信道上),AP根據(jù)設計工程師為其選定的算法回調數(shù)據(jù)交換速率。但WLAN幀中的信息量(通常約為1500字節(jié))不會改變,這意味著這個幀需要更多的時間來傳輸與接收。恩智浦的WLAN實現(xiàn)方案則沒有這種問題,因為它在適配數(shù)據(jù)速率時考慮了所配備的藍牙功能。
但由于要花更多時間來發(fā)送數(shù)據(jù),使得WLAN幀更難適應藍牙工作在SCO鏈路模式留下的窗口。事實上,以1、2和 WLAN速率發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度過大,至少有一次藍牙傳輸會對它產(chǎn)生影響,并很有可能破壞數(shù)據(jù)包。
WLAN所允許的最低數(shù)據(jù)速率為6Mbps,這大約相當于不到-90dBm的靈敏度。共存范圍的問題在于,AP行為與WLAN/藍牙共存配置并不兼容。AP會在想要的時候發(fā)送數(shù)據(jù)包,并且即使數(shù)據(jù)包是以能適合藍牙傳輸間隔的高速率發(fā)送,仍然存在WLAN數(shù)據(jù)包與藍牙傳輸發(fā)生碰撞的某種統(tǒng)計概率。
AP的另外三個特性使得問題更難解決:WLAN站點幾乎不能控制AP；藍牙的共存機制是與站點(STA)通信,而不是與AP；不同制造商的回調機制與算法各不相同。
完整的解決方案
由于在WLAN站點和藍牙設備之間有兩種類型的鏈路,一個完整的解決方案要對每種鏈路采用略微不同的手段。我們先看看前面提到的SCO鏈路,然后再觀察異步無連接(ACL)鏈路的情況。
在WLAN站點用于控制AP數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄖ?有一種是在系統(tǒng)省電模式下。這種模式是為了延長便攜產(chǎn)品的電池使用壽命而創(chuàng)建。換句話說,它可以使站點進入睡眠模式,不用連續(xù)監(jiān)控和響應來自AP的信號。通過使用控制這種省電模式的信令,WLAN站點可以減少與共存藍牙設備發(fā)生干擾的可能性。
在正常運行時,AP約每100ms向WLAN站點發(fā)送一個信標(beacon),告知WLAN站點:AP中是否有等待提交的數(shù)據(jù)。信標之間的間隔時間是可變的,通常可在AP中編程設定。正常情況下,當WLAN站點收到一個有待發(fā)送數(shù)據(jù)的信息時,它會要求AP發(fā)送數(shù)據(jù)。顯然,如果WLAN站點首先監(jiān)聽到藍牙設備的活動,它就可以告知AP每當藍牙功能被激活,WLAN站點就處于睡眠模式。
一旦WLAN站進入省電模式,AP就停止發(fā)送幀,直到收到WLAN站點的發(fā)送請求。WLAN站點向AP發(fā)送一個輪詢幀(poll frame),開始請求數(shù)據(jù)。通過從策略上確定輪詢幀的時序,WLAN站點就可以增加AP的響應落在藍牙等待周期內的概率。
如圖1所示,這一過程從WLAN站點接收到一個來自AP的信標開始,該信標表示AP上有一個信息正在等待。然后WLAN站通過一個SCO鏈路監(jiān)聽下一個藍牙傳輸。一旦交換開始,WLAN站點就知道它有的時間來接收藍牙信息,緊接著有間隔來接收AP發(fā)送的信息。
圖1:藍牙和WLAN AP與WLAN站點共享一個的窗口。
不過,在兩次藍牙傳輸間隔增加AP傳輸正確匹配的概率還不足以為擴展WLAN覆蓋范圍創(chuàng)建可靠的機制。例如,AP會根據(jù)最新的傳輸記錄選擇數(shù)據(jù)速率,這一速率使得數(shù)據(jù)幀不可能落在所分配的間隔內。
任何真實世界環(huán)境下都存在著很多干擾的機會。一旦出現(xiàn)這種情況,AP將啟動速率適配程序,使AP與WLAN站點之間建立鏈路和傳輸數(shù)據(jù)的可能性更低。
最顯而易見的替代方案是調整AP的數(shù)據(jù)速率。在很多AP中,這可以通過使WLAN站點與AP短暫斷開、然后再快速連接的方式來實現(xiàn)。通常情況下AP會再次從一個高數(shù)據(jù)速率開始傳輸,并且可以重復藍牙與WLAN數(shù)據(jù)包之間的交錯過程。
另一種可能的方法是讓WLAN站點忽略通常藍牙設備在與WLAN站點連接時享有的優(yōu)先權。藍牙設備與WLAN站點之間的優(yōu)先連接能將藍牙傳輸提前告知WLAN站點。這種優(yōu)先權可以被忽略,但會導致藍牙幀被破壞,這通常是以藍牙語音質量下降為代價的。
異步無連接(ACL)鏈路
以上討論都是關于藍牙與WLAN站點之間建立了一個SCO鏈路的情況。但當藍牙使用A2DP profile時(例如用立體聲耳機聽音樂時),它建立的是一個異步無連接(ACL)鏈路。這時情況并不是很復雜,因為ACL鏈路沒有與SCO鏈路一樣嚴格的幀結構。
實際上,藍牙連接可以由WLAN站點控制,在藍牙傳輸之間可以安排更長的時隙。有一種排序機制可以使傳輸介質在藍牙和WLAN之間來回交替。但這樣做必須十分小心,因為藍牙應用必須維持均衡的數(shù)據(jù)流吞吐量和低延遲特性,以保證立體聲耳機正常工作。
可通過編寫帶寬分配算法來管理藍牙和WLAN之間的可用帶寬。相關參數(shù)在主控接口(Host Control Interface)級被編入了藍牙芯片中。
恩智浦半導體公司開發(fā)的專有軟件實現(xiàn)了本文中所描述的方案和步驟。該軟件必須同時運行在藍牙和WLAN站點芯片上,具體而言即恩智浦的BGB210S藍牙芯片和BGW211 芯片。
圖2:圖中用不同顏色來表示采用了競爭方案的兩種手機的傳輸距離,以及采用恩智浦BGB210S藍牙芯片和BGW211 WLAN芯片時的傳輸距離。
本文小結
將恩智浦的芯片用于兼有藍牙和WLAN的配置中,可以顯著提高系統(tǒng)的靈敏性,并擴展WLAN系統(tǒng)的覆蓋距離。
圖2所示為使用三種不同的共存解決方案時,WLAN覆蓋范圍的差異。圖中用不同顏色來表示采用了競爭方案的兩種手機的傳輸距離,以及采用恩智浦BGB210S藍牙芯片和BGW211 WLAN芯片時的傳輸距離。圖3給出了BGB210S藍牙芯片的功能框圖。恩智浦芯片采用本文所述技術進行了功能增強,以減輕由AP產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率下降效應。
圖3:BGB210S藍牙芯片支持與WLAN系統(tǒng)的共存。
本文由NXP公司供稿
