范。這種新規(guī)范被稱為高速藍牙,將支持高速文件傳輸和視頻流應用。最初藍牙SIG只選擇WiMedia超寬帶(UWB)技術(shù)來實現(xiàn)這種新的協(xié)議。但最近它又宣布還可將作為過渡解決方案,在便攜式設(shè)備已有的Wi-Fi無線信號基礎(chǔ)上添加藍牙協(xié)議。
這意味著現(xiàn)在WiMedia UWB和都成為了高速藍牙規(guī)范的候選MAC/PHY(AMP)。其原理是允許消費類設(shè)備使用已有的藍牙技術(shù),同時通過使用第二種無線技術(shù)來實現(xiàn)更快的吞吐量。然而,許多業(yè)界人士非常關(guān)心眾所周知的干擾問題,因為在藍牙設(shè)備中的無線信號和工作在相鄰頻段的其他IMT-2000服務(wù)(如WiMAX,LTE,UMTS和WCDMA)之間很容易出現(xiàn)干擾。他們的擔心是,如果消費者在利用 AMP初步實現(xiàn)高速藍牙方面缺乏使用經(jīng)驗的話,即使擁有快速上市的短期收益,對該技術(shù)的成功而言,卻存在著更大的長期風險。藍牙在消費類市場中已經(jīng)擁有很不錯的地位(去年藍牙SIG迎來了第9000位成員),而利用一種過渡性技術(shù)來縮短上市時間的風險極大。
使用模型
雖然WLAN和IMT-2000一般不同時工作,因為它們都要訪問網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)。然而,由于高速藍牙和IMT-2000服務(wù)支持獨立的應用,故經(jīng)常又會同時工作。這意味著,如果一部高速藍牙設(shè)備正在使用 AMP,那么很可能它所處的環(huán)境中有其他IMT-2000服務(wù)工作在相鄰頻段。為了便于描述,考慮以下的使用模型。
圖1是距離很近的兩部多頻手機。一部手機正在通過WiMAX打電話,第二部手機要利用基于的高速藍牙技術(shù)向PC機發(fā)送文件。當?shù)诙渴謾C向PC機傳送文件時,WiMAX通話將會掉線,即使相互間有幾米的距離。圖2中的手機一邊在打WiMAX電話,一邊在使用高速藍牙打印文件。要想避免電話掉線,該手機需要等到通話結(jié)束后才能開始打印。或者說如果已經(jīng)開始打印,這部手機將無法接聽電話。
圖1:一部手機使用基于的高速藍牙向筆記本電腦發(fā)送文件,另外一部手機在進行WiMAX通話。兩部手機即使相距8米也會彼此干擾。
在上述兩種使用模型中,藍牙系統(tǒng)和WiMAX或蜂窩服務(wù)之間的任何干擾都會對最終用戶的使用體驗造成極大的損害。事實上用戶需要的是能夠同時使用多種技術(shù),并且相互間沒有干擾。
關(guān)心藍牙 AMP和IMT-2000服務(wù)之間干擾的基本原因之一是,它們工作在相鄰的頻譜(見表1),而將用于高速藍牙傳輸會對工作在相鄰許可頻段的其他服務(wù)產(chǎn)生嚴重的影響。
表1:頻譜分配。
另外,即使藍牙SIG打算把 AMP限用于文件傳輸應用,但一旦這種高速無線功能推向市場,用戶有可能會用它來傳輸視頻數(shù)據(jù)流(如同藍牙印刷材料描述的那樣)。由于這種傳輸?shù)倪B續(xù)性,這些 AMP之上的流式應用與文件傳送相比將有更大的潛在干擾。
干擾問題
當多模設(shè)備中有多種服務(wù)在同時使用時(如上述的使用情景),藍牙 AMP可能干擾其他無線信號的工作,導致接收敏感度的降低(減敏)甚至接收阻塞。如果被阻塞的服務(wù)正在傳送時間緊急(實時性)內(nèi)容,如語音通話或流媒體,那么用戶體驗將是非常糟糕的。為了便于描述,我們以WiMAX和 AMP的同時使用為例。
圖2:同時具有WiMAX和藍牙功能的手機無法同時執(zhí)行這兩種功能。
在美國,2.5到范圍被經(jīng)許可分配給WiMAX系統(tǒng)使用。由于它接近頻譜,WiMAX與無線信號發(fā)射的帶外信號幾乎沒有隔離,因此會極大地妨礙高可靠性的WiMAX工作。對WiMAX的干擾被設(shè)計師看得很嚴重,其原因可以從歐洲電子通信委員會(ECC)于2005年2月份發(fā)布的一份干擾研究報告中得到較好的詮釋。這份報告名為“普通UWB應用對以下無線通信系統(tǒng)的保護要求”(也稱為‘第64號報告’),其中研究的對象包括了作為‘受害者’角色的、工作在2.5和之間的IMT-2000服務(wù)。
重要的是,雖然這份研究報告重點放在作為干擾源的UWB上,但分析完全基于發(fā)射功率譜密度(PSD),并沒有對發(fā)射器的信號特征做假設(shè)。因此,任何PSD高于上述報告中規(guī)定的保護門限的干擾能量都被認為具有干擾IMT-2000客戶端的可能性。
保護門限是用以下方式獲得的。IMT-2000用戶端接收器的最大允許干擾功率電平(不會引起性能下降)是-115dBm/MHz。對于圖3所示的使用情況來說,保護距離為36cm,自由空間路徑約等于30dB(@),因此發(fā)射PSD保護門限等于-115+30=-85dBm/MHz,可以向IMT-2000客戶端提供足夠的保護。
圖3:被ECC用來判斷IMT-2000服務(wù)的干擾保護電平的使用情景。
值得注意的是,在上述例子中,ECC認為36cm是在可預見的常見環(huán)境中所需考慮的合適間距,因為很多時候UWB設(shè)備都位于辦公桌上,與潛在受害的IMT-2000移動臺不是很遠。
這種分析方法可以被很好地擴展到WiMAX和藍牙AMP之間的共存要求。在美國,無線信號的最高發(fā)射功率在范圍內(nèi)允許達到+20dBm,因此在分配給IMT-2000服務(wù)的鄰近頻段上出現(xiàn)的發(fā)射功率可能高達-41dBm/MHz。這意味著為了避免36cm距離處出現(xiàn)干擾, AMP設(shè)備需要限制發(fā)射電平,使其在相鄰WiMAX頻段上的功率不超過-85dBm/MHz。(注意,WiMedia UWB AMP將工作在6GHz以上)
圖4:在圖3所示的場合中,ECC要求36cm的間距,以保護IMT-2000服務(wù)。
根據(jù)上述結(jié)論,業(yè)界先驅(qū)目前建議在藍牙中增加一種共存機制,以便在WiMAX工作時停止發(fā)送信號。如果下一代WPAN使用 AMP來鏈接臺式機外設(shè),那么還將極大地加劇干擾問題。例如,如果用戶在用手機接收流式視頻WiMAX傳輸,鄰近的臺式機連接又正好開始向iPod(或打印機)傳送文件,則WiMAX視頻連接會被中斷,用戶將看到一片黑屏。
測量過程
Staccato 通信公司的實驗室開展了一整套的測量來量化干擾的影響。圖5給出了測量裝置。
圖5:用于確定來自 AMP(上部)和UWB AMP(下部)的潛在干擾的測量裝置。
所有測量都是在實驗室環(huán)境中使用傳導電纜完成的。頻譜分析儀(SA)的設(shè)置在所有測量中都保持不變,以建立一個通用的參考面。在測量中插入了一個15dB的衰耗器,以便將較低的信號電平驅(qū)動到SA前端,這樣可以通過關(guān)斷SA上的輸入衰減來獲得較低的噪聲基底讀數(shù)。
圖6是利用頻譜分析儀對帶外部天線連接器的現(xiàn)成g卡(紅色)和在6GHz以上工作的WiMedia UWB無線設(shè)備(綠色)進行帶內(nèi)和帶外發(fā)射信號測量的結(jié)果。結(jié)果表明,落在WiMAX、UMTS和LTE頻段的帶外發(fā)射信號超過保護門限約30dB,而UWB發(fā)射信號比保護門限低5dB。
圖6:一個現(xiàn)成的g卡的帶內(nèi)和帶外發(fā)射信號。紅色斜線表示卡的發(fā)射信號超出了ECC保護電平。綠線表明工作在6GHz以上的WiMedia UWB無線設(shè)備的性能(這個頻段也是UWB AMP工作的頻段)。
這意味著基于的高速藍牙信號將干擾IMT-2000服務(wù),除非二者在時相距達8米,在時相距達16米。如果它們同時位于一個設(shè)備中,那么實現(xiàn)這種等級的無線信號隔離是不切實際的。因此,在這種共存情況下最實用的解決方案是不同無線信號的收發(fā)在時間上同步,也就是說一個在工作時另一個必須關(guān)閉。這時在接聽WiMAX電話時就不能再使用高速藍牙傳輸了。從圖6也可以看出,在IMT-2000頻段的UWB發(fā)射信號低于保護門限,因此不會造成任何干擾。這意味著WiMedia UWB AMP可以與IMT-2000服務(wù)一起使用,即使兩者共存于同一個設(shè)備中。
圖7所示為因 AMP干擾引起的WiMAX接收器減敏現(xiàn)象,它是發(fā)射器和WiMAX接收器之間距離的函數(shù)。減敏計算的前提是假設(shè)WiMAX AMP消息(在下行鏈路信號中傳送的關(guān)鍵控制消息)的靈敏度為-101dBm,圖中的兩條曲線對應于2.3和頻段的WiMAX系統(tǒng)的減敏性能。根據(jù)上述測量結(jié)果,來自無線設(shè)備的帶外發(fā)射電平為-51和-60dBm/MHz,其中已經(jīng)考慮了自由空間路徑損耗。
圖7:隨著WiMAX與 AMP之間距離的縮短,WiMAX接收器的減敏效應將增加。
測量結(jié)果分析
對實際測量結(jié)果的分析表明,根據(jù)ECC第64號報告規(guī)定的保護要求,UWB AMP發(fā)射電平足夠保護2.3/的IMT-2000服務(wù)。
實際測量結(jié)果也表明, AMP無線設(shè)備對工作在的IMT-2000系統(tǒng)具有潛在的干擾可能性,即使相互間距離達8米(考慮了自由空間損耗和-115dBm/MHz的最大可允許干擾PSD)。對WiMAX來說,來自 AMP的帶外發(fā)射信號可以影響到10米外的客戶端靈敏度。這種效應將直接影響這些系統(tǒng)的容量和功能。
作為一個產(chǎn)業(yè),我們需要充分考慮這些用戶體驗問題。高速藍牙的成功依賴于業(yè)界在將它們推向市場之前對存在的問題進行研究和解決。我們也有責任保護已獲許可的服務(wù)免受干擾。下一步正確的做法是在基于的高速藍牙和2.3/頻段的獲許可服務(wù)之間開展充分的共存研究。然后,業(yè)界應在共存研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,考慮為使用 AMP的高速藍牙開發(fā)相互干擾減輕機制。另外一種方案是專門將 AMP的工作頻率轉(zhuǎn)移到5GHz。
作者:Roberto Aiello
合伙創(chuàng)始人和首席技術(shù)官
Siddharth Shetty
通信系統(tǒng)工程師
Staccato 通信公司
