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藍(lán)牙和Wi-Fi共存在智能手機(jī)上的兩種解決方法對(duì)比

發(fā)布時(shí)間:2011-10-11 來(lái)源:EDN

中心議題:
  • 藍(lán)牙和Wi-Fi共存在智能手機(jī)上的兩種解決方法對(duì)比
解決方案:
  • 利用AFH(自適應(yīng)跳頻)技術(shù)
  • 采用AFH技術(shù)與三線(xiàn)共存技術(shù)結(jié)合

1 引言

設(shè)計(jì)同時(shí)包含Wi-Fi和藍(lán)牙功能的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品會(huì)遇到很多問(wèn)題,特別是在要求同時(shí)工作模式的情況下。藍(lán)牙和802.11b/gWLAN系統(tǒng)工作在2.4GHz頻段,這兩種技術(shù)都用到了可用頻譜的重要部分(見(jiàn)圖1)。
當(dāng)WLAN設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備靠得很近并試圖同時(shí)收發(fā)無(wú)線(xiàn)信號(hào)時(shí)就會(huì)發(fā)生干擾。這兩種技術(shù)采用不同的方法進(jìn)行信號(hào)傳送:載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA)和跳頻擴(kuò)頻。前者用于802.11b/g收發(fā)器,它在發(fā)送信號(hào)前會(huì)偵聽(tīng)空閑信道。所發(fā)送的信號(hào)帶寬大約20MHz,將占用間距為25MHz、最多3個(gè)非重疊信道中的一個(gè)進(jìn)行傳輸。

而藍(lán)牙則采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)在79個(gè)帶寬為1MHz的信道間以每秒1,600跳的速率跳躍選頻,在每個(gè)跳頻點(diǎn)發(fā)送較短的時(shí)分復(fù)用數(shù)據(jù)包。當(dāng)一個(gè)設(shè)備發(fā)起連接并成為該子網(wǎng)的主設(shè)備時(shí),藍(lán)牙連接就成功建立了。如果知道目標(biāo)地址,設(shè)備就直接發(fā)送頁(yè)面消息。如果目標(biāo)地址未知,會(huì)先發(fā)送一個(gè)查詢(xún)消息,跟著再發(fā)頁(yè)面消息。一旦兩個(gè)設(shè)備同步上以后,這兩個(gè)具備藍(lán)牙功能的設(shè)備就處于連接狀態(tài),并且每個(gè)設(shè)備會(huì)設(shè)定一個(gè)唯一的MAC)地址。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可以證實(shí),藍(lán)牙發(fā)射器輸出的信號(hào)與802.11b/g信號(hào)在大約25%的時(shí)間內(nèi)會(huì)有沖突。

這種共同信道干擾效應(yīng)與信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度與數(shù)據(jù)包的發(fā)送長(zhǎng)度和占空比密切相關(guān)。針對(duì)這種干擾現(xiàn)象所做的各種分析和仿真試驗(yàn)表明,干擾會(huì)嚴(yán)重影響其中一種或兩種信號(hào)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供了不同信號(hào)設(shè)計(jì)方法——802.11b使用的直接序列擴(kuò)展頻譜(DSSS)、802.11g使用的正交頻分復(fù)用(OFDM)及藍(lán)牙使用的跳頻所導(dǎo)致的干擾反彈程度。這些標(biāo)準(zhǔn)還使用基于數(shù)據(jù)包重傳和數(shù)據(jù)速率降低的協(xié)議。然而,這些對(duì)策會(huì)極大地降低數(shù)據(jù)吞吐量,從而嚴(yán)重影響一些設(shè)備的性能。例如藍(lán)牙音頻傳送或WLAN上的VoIP,數(shù)據(jù)包差錯(cuò)率只要超過(guò)幾個(gè)百分點(diǎn)就會(huì)導(dǎo)致無(wú)法忍受的音頻時(shí)延甚至通話(huà)中斷。下面提出了解決共存干擾的的兩種方法——AFH(自適應(yīng)跳頻)和AFH與三線(xiàn)共存(時(shí)分復(fù)用)結(jié)合使用的技術(shù)。

2 AFH(自適應(yīng)跳頻)技術(shù)介紹及試驗(yàn)結(jié)果

AFH技術(shù)是對(duì)原始藍(lán)牙跳頻序列的一種改進(jìn),它允許藍(lán)牙設(shè)備縮減跳頻點(diǎn)的數(shù)量,其基本原理是通過(guò)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(dāng)藍(lán)牙微微網(wǎng)進(jìn)入AFH狀態(tài)后,其跳頻序列可使用的跳頻點(diǎn)N的數(shù)量是動(dòng)態(tài)變化的,其最大值不超過(guò)79。AFH只用于連接狀態(tài),而不會(huì)改變尋呼、查詢(xún)等狀態(tài)時(shí)的跳頻序列。

自適應(yīng)跳頻選擇機(jī)制的實(shí)現(xiàn)是基于原79跳系統(tǒng)(Bluetooth1.2協(xié)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(chǔ)上增加了AFH_mode和AFH_channel_map兩個(gè)參數(shù)。

AFH_mode指出當(dāng)前選頻核心是否可以使用自適應(yīng)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(gè)信道,如果這個(gè)信道是AFH_channel_map中定義的可用信道,則不作任何調(diào)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(guò)重定位函數(shù)將其映射成一個(gè)可用的信道。這種映射關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)的,就是說(shuō),如果給定了藍(lán)牙地址、時(shí)鐘以及AFH_channel_map,一個(gè)不可用的射頻信道將被唯一地轉(zhuǎn)換為一可用信道,這樣保證了在同一微微網(wǎng)中使用AFH機(jī)制的主從設(shè)備能夠保持跳頻序列的同步。
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在這種實(shí)現(xiàn)機(jī)制下,非自適應(yīng)的79跳系統(tǒng)的跳頻序列等于將全部信適設(shè)為可用的AFH選頻核心產(chǎn)生的頻率序列,這一屬性使得可以方便地與原非AFH設(shè)備保持兼容。

AFH技術(shù)的另一點(diǎn)改變是:在原跳頻系統(tǒng)中,主從節(jié)點(diǎn)分別采用不同的頻率發(fā)送數(shù)據(jù);當(dāng)處于AFH狀態(tài)時(shí),在一次主從對(duì)話(huà)期間,從節(jié)點(diǎn)使用與主節(jié)點(diǎn)相同的射頻信道向主節(jié)點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)包,這被稱(chēng)作AFH的相同信道機(jī)制。使用相同信道機(jī)制主要是由于在網(wǎng)中存在干擾的情況下,減少跳頻可以防止從節(jié)點(diǎn)在發(fā)送響應(yīng)分組時(shí)跳到可能發(fā)生沖突的信道上,保證至少在一次主從對(duì)話(huà)的過(guò)程中數(shù)據(jù)不易受到干擾,達(dá)到提高吞吐率的目的。

不幸的是,諸如AFH等技術(shù)是專(zhuān)門(mén)為2.4GHz設(shè)備設(shè)計(jì)用于檢測(cè)和避免干擾的,還不足以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙與WLAN的共存。當(dāng)藍(lán)牙與802.11設(shè)備共存于同一設(shè)計(jì)中時(shí)作為獨(dú)立技術(shù)的AFH是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,這主要是因?yàn)閃LAN設(shè)備必須提供較高的輸出功率才能支持長(zhǎng)距離、高數(shù)據(jù)速率、可靠的互聯(lián)網(wǎng)、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸。圖2給出了手機(jī)在同時(shí)使用藍(lán)牙和Wi-Fi時(shí)的仿真圖,此時(shí)Wi-Fi正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,藍(lán)牙耳機(jī)正在接聽(tīng)由小靈通打進(jìn)的電話(huà)。
單獨(dú)使用AFH技術(shù),結(jié)果使得Wi-Fi吞吐量下降20%左右,小靈通接聽(tīng)雜音大。由此可以看出手機(jī)的WIFI發(fā)送會(huì)干擾到手機(jī)藍(lán)牙的接收。

3 AFH技術(shù)與三線(xiàn)共存(時(shí)分復(fù)用)技術(shù)結(jié)合解決干擾問(wèn)題

AFH技術(shù)在上面已經(jīng)介紹過(guò)了,單獨(dú)使用AFH技術(shù)使用藍(lán)牙耳機(jī)的通話(huà)效果不是很好,為了解決這種問(wèn)題,在使用AFH技術(shù)的基礎(chǔ)上又使用了三線(xiàn)共存(時(shí)分復(fù)用)技術(shù)。三線(xiàn)共存,顧名思義,就是使用三根線(xiàn)連接Wi-Fi和藍(lán)牙,下面結(jié)合圖3中Wi-Fi和藍(lán)牙所示的三線(xiàn)連接圖來(lái)描述一下三線(xiàn)共存的機(jī)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(xiàn)連接由RF_ACTIVE,BT_STATE,WLAN_ACTIVE三根信號(hào)線(xiàn)組成。RF_ACTIVE是從藍(lán)牙設(shè)備向Wi—Fi設(shè)備發(fā)送的信號(hào)線(xiàn),它通知Wi—Fi設(shè)備此時(shí)藍(lán)牙設(shè)備正在工作,RF_ACTIVE在整個(gè)藍(lán)牙的發(fā)送與接收過(guò)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。
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BT_STATE也是由藍(lán)牙設(shè)備向Wi—Fi設(shè)備發(fā)送的信號(hào)線(xiàn),它通知Wi—Fi設(shè)備此時(shí)藍(lán)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(hào)線(xiàn)必須連接到藍(lán)牙的PIO5管腳。

WLAN_ACTIVE是由Wi—Fi設(shè)備向藍(lán)牙發(fā)送的信號(hào)線(xiàn),它用來(lái)通知藍(lán)牙Wi—Fi設(shè)備將要發(fā)送或接收數(shù)據(jù),下一個(gè)藍(lán)牙的操作應(yīng)該被取消。這根信號(hào)線(xiàn)默認(rèn)連接到PIO9。

此種類(lèi)型的三線(xiàn)連接一般只能用于BlueCore4以及更高的藍(lán)牙核上。

這里的三線(xiàn)共存實(shí)質(zhì)上使用的是時(shí)分共存技術(shù),當(dāng)Wi—Fi設(shè)備將要發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的時(shí)候下一個(gè)藍(lán)牙任務(wù)動(dòng)作將會(huì)被取消。藍(lán)牙任務(wù)在這里一般分為高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)兩種,當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)工作的時(shí)候,如果此時(shí)Wi—Fi也在工作,這時(shí)候Wi—Fi任務(wù)將會(huì)被取消,當(dāng)藍(lán)牙執(zhí)行低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的時(shí)候,如果有Wi—Fi也在工作,這時(shí)候藍(lán)牙任務(wù)應(yīng)該被取消。

使用AFH和三線(xiàn)共存兩種技術(shù)很好的解決了藍(lán)牙耳機(jī)通話(huà)的語(yǔ)音質(zhì)量問(wèn)題,而且Wi—Fi傳輸數(shù)據(jù)的效果也比較好。圖4就是在同時(shí)使用這兩種技術(shù)的情況下對(duì)藍(lán)牙和Wi—Fi測(cè)試的仿真圖。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了AFH技術(shù)和AFH技術(shù)與三線(xiàn)共存技術(shù)結(jié)合使用來(lái)解決智能手機(jī)上的藍(lán)牙與Wi-Fi共存問(wèn)題,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果得出了兩種解決方法的效果,使用AFH技術(shù)和三線(xiàn)共存技術(shù)可以更好的解決藍(lán)牙與Wi-Fi的共存問(wèn)題。相信以后這種解決方案在同時(shí)擁有這兩種無(wú)線(xiàn)的其他的終端上也會(huì)越來(lái)越多的得到應(yīng)用。
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