ISM频段上蓝牙与802.11b的共存机制

ISM频段上蓝牙与802.11b的共存机制

姓名：刘凯学号：08120094 班级：08研通1

前言

蓝牙和802.11b无线局域网近年来应用的十分广泛，两者共用ISM频段，势必产生互相干扰的问题，研究两者的共存性机制是很重要的。本文主要介绍了共存性的两种机制：协作性共存和非协作性共存机制，并着重阐述了IEEE 802.15 Task Group 2所采纳的非协作性的自适应跳频（AFH）机制。

一、概述

蓝牙技术是实现WPAN的重要手段，而IEEE 802.1lb则是构建WLAN 的标准之一，两者均工作于2400-2483.5MHz ISM频段（如图1所示），且应用方式和使用对象存在相辅和互补的趋势，IEEE802.11b比较适合于企业无线网络，而蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合，随着无线局域网设备的日益普及和蓝牙技术的飞速发展，双方的相互干扰不可避免。

图1 Bluetooth与IEEE802.11b在2.4GHz ISM频段上的使用

不同系统在无线传输过程中在时间和频率上的重叠就造成冲撞，即所谓的共信道干扰。如图2所示，其中任一时隙占据1MHz带宽的蓝牙跳频系统的信号和占据22MHz信道宽度的WLAN 直接序列扩频系统的信号间有可能因冲突而造成数据丢失，这与蓝牙系统的跳频方式及两系统的业务分布(Traffic Distribution)有关。

图2 Bluetooth与IEEE802.11b的共信道干扰

两种设备在较近范围内运行时传输性能可以接受，这是由于协议自身的保护能力和纠错控制机制的作用，且在环境不极端恶劣，对数据传输速率和质量要求不高的条件下。如果在一个小范围内存在多个蓝牙及WIFI设备，且需要实时数据传输的蓝牙HID，Headset，A V 等服务时，这种干扰造成的影响是绝不能被接受的。大量基于理论分析WLAN和蓝牙在时间和频率上的冲撞造成双方的通信吞吐量(Throughput)下降，分组出错率(PER)升高。因此，必须使用一定方法实现两种技术的共存，并且稳定地工作。

二、共存机制

针对干扰而引出的共存问题，蓝牙SIG成立了共存研究小组，IEEE设立了IEEE 802.15 WPAN Task Group 2 (TG2)。业界的公司也纷纷提出了各自的解决方案。TG2定义的共存机制是：Coexistence is defined by TG2 as the ability of one system to perform a task in a given (shared) environment where other systems may or may not be using the same set of rules。

根据蓝牙设备和WLAN设备之间能否互通信息（exchange information），有以下两类共存机制：协作机制(Collaborative)和非协作机制(Non-Collaborative)。协作机制依据的是IEEE 802.11b和蓝牙的信息沟通，共存的实现是通过在时域的正交性传输即分时传输。这种先置的条件通常需要两种系统模块集成在相同的物理单元，如在同一个PC或PDA。非协作机制运行不需要IEEE 802.11b和蓝牙两个模块间的任何预先的沟通，比如配备Headset的移动电话和内嵌无线网卡的笔记本电脑。它们通过两种基本的处理来取得共存：信道分类和自适应控制。信道分类是估计信道条件，发现附近是否有干扰源的过程，所有的非协作机制为此过程共享一些通用的目的和方法，比如BER (Bit Error Rate)，FER (Frame Error Rate)。以得到的信道分类结果为基础，自适应控制会相应采取合适的冲突避免措施。通常，这些建议的共存机制都只需在蓝牙方面实现来改善WLAN系统的存在和介入带来的影响。

协作机制主要基于MAC层的时序安排(Scheduling)，IEEE802.15提交的建议方案是Mobilian’s META(MAC Enhanced Temporal Algorithm)+Symbol’s TDMA(Time Division

Multiple Access)。META算法采用严格的协调排队机制和调度算法，TDMA是宏观层面的时间复用，使所有的微微网具有TDMA机制。802.15 WPAN工作组给出的结论是：对于协作性共存机制最佳选择是一些采用TDMA形式的方案来确保正交性，从而独立于干扰功率级别和滤波器的性能；Mobilian和Symbol的方案都采用TDMA，但是有不同的目标和使用模型；这两种方案的融合实际上包括了所有的使用模型；此两种方案正在融入到商业产品中。但是除非对网络的分布和构成有非常严格的设定，采用协作机制的设备无法消除由非协作设备带来的干扰，同时由于它们对在同一射频频段上工作的无线技术采用完全正交化的传输方式，所以随着在ISM 频段上工作的无线系统的增多，其系统的通信吞吐量势必会显著下降。

非协作机制主要有自适应跳频(AFH)及传输功率控制。自适应跳频通过改变蓝牙芯片中跳频序列的映射方式，尽量避开其它无线技术占用的频段，最大限度利用频谱资源，在一定程度上既减少了丢包率，提高了通信吞吐量，又减轻了对其它无线系统的干扰，使共存问题的解决向前推进了重要一步。在使用共享资源时，不占用超出实际需求的资源是非常重要的，所以在开放式频段内进行通信时，必须控制无线发射端的功率。如果频带中的传输功率过大，区域的整体容量就会下降，频带中其他用户的通信就可能受到不必要的干扰。当蓝牙和WIFI距离较近时，传输功率控制也应是必须被采取的措施之一。TG2选择Bandspeed、IPC和TI公司提交的-01/252r0 作为自适应跳频非协作共存机制并投票放弃了传输功率控制，因为它将留在802.11h中处理。

三、自适应跳频（Adaptive Frequency Hopping）

3.1 定义

“Bluetooth Core Specification Version 1.2”中的定义是：AFH is used to improve the performance of physical links in the presence of interference as well as reducing the interference caused by physical links on other devices in the ISM band. AFH shall only be used during the connection state.

SIG的补充解释：Bluetooth technology’s adaptive frequency hopping (AFH) capability was designed to reduce interference between wireless technologies sharing the 2.4 GHz

spectrum. AFH works within the spectrum to take advantage of the available frequency. This is done by detecting other devices in the spectrum and avoiding the frequencies they are using. This adaptive hopping allows for more efficient transmission within the spectrum, providing users with greater performance even if using other technologies along with Bluetooth technology. The signal hops among 79 frequencies at 1 MHz intervals to give a high degree of interference immunity. 3.2 AFH的基本原理

AFH技术是对原始蓝牙跳频序列的一种改进，通过主从设备的交换信息做信道分类，分辨ISM 频段中“好”“坏”信道，从而用“好”信道来代替“坏”信道，减少受干扰的程度。TG2 AFH机制的系统结构如图3所示，在原始跳频序列生成器和频率合成器间添加一