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

个新的模块。此模块实现两个功能：序列生成和重映射。分段序列生成模块确定何时使用哪个频率，而重映射功能用来保持伪随机属性。蓝牙主设备和从设备均可测量信道条件，一般的信道分类方法是根据BER或PER的。测量是基于Channel-by-Channel的，从设备通过LMP （Link Management Protocol）消息有规律地发送他们的测量统计信息到主设备。主设备评估所有从设备的测量值并且合成一个“好”“坏”信道的列表。主设备将跳频序列与好坏信道列表比较，然后决定是回避还是映射。然后主设备改变跳频序列并且尽量用“好”信道来取代“坏”信道。由主设备通过LMP消息来通告从设备自适应的跳频序列。

3.3 TG2的AFH方案

3.3.1 AFH的结构

图3 AFH的结构

3.3.2 AFH的结构组成：

3.3.2.1 设备识别和操作模式

交换LMP信息验证是否支持AFH以及需求模式。AFH模式包括LMP_not_accepted（从设备不支持AFH机制），LMP_accepted（从设备使用AFH机制）。命令中包括N min参数（跳频必须使用的最小信道数）。

3.3.2.2 信道分类

信道分类：“好”“坏”信道。

分类方法包括：CRC，HEC，FEC；RSSI；Packet Loss Ratio (PLR)等。

加速分类：一个SCO链接需要快速的信道分类来避免质量下降时间过长。

3.3.2.3 信道信息交换

主设备对信道分类结果做最终决定。由主设备向从设备发送消息通知信道的“好”“坏”“未使用”状况。从设备向主设备发送消息为可选。

3.3.2.4 初始化/结束 AFH

主设备发送LMP消息来初始化：需要携带额外的分类序列的信息；从设备在该命令成功实现后使用新的序列。主设备需要知道所有从设备使用的序列情况。主设备发送LMP 消息终止。AFH 在失步下也会终止。

3.3.2.5 TG2 AFH机制

信道被动态的分类为两组：“好”信道( N G)，“坏”信道(N B = 79–N G)

N min N G：只是用好信道

N min > N G：必须使用一些“坏”信道，取决于N min

当被迫使用“坏”信道时，“分组/配对”必须使用，当未使用“坏”信道时，只需“替代”坏信道而不必采用“分组/配对”。

3.2.3 TG2 AFH共存机制的总结

1、协作性或非协作性（Collaborative or Non-collaborative）

非协作性机制

2、改善的WLAN和WPAN的性能状况（Improved WLAN and WPAN performance）

对共存的WLAN和WPAN有极大地性能改善

3、对标准的影响（Impact on Standard）

IEEE 802.11标准没有改变或扩展；实现此机制只需对IEEE 802.15。1规范做少许扩展。

4、复杂度（Complexity）

低复杂度

5、与不存在共存机制的系统的互操作性（Interoperability）

完全的互操作性，广播分组支持多种分级。

6、对高层接口的影响（Impact on interface to Higher layers）

对802.11和蓝牙的高层接口没有影响

7、操作类别的适应性（Applicability to Class of Operation）

支持所有的蓝牙规范

8、对蓝牙的语音和数据的支持（V oice and Data support in Bluetooth）

支持ACL（数据）和SCO（语音）分组

9、对功率管理的影响（Impact on Power Management）

没有影响，对功率管理有益处

3.4 在蓝牙系统中为实现TG2 AFH机制各层所做的改变

基带（Baseband）的改变。蓝牙跳频序列的产生由基带中的跳频内核完成，它包括跳频序列的选择和跳频序列到跳频频率的映射。而在自适应跳频系统中，尽可能使用未受802.11b 干扰的频点，这是通过在蓝牙原有的跳频产生内核的基础上增加一个再映射功能块来实现的。

链路管理协议（LMP）的改变。LMP在频率跳变时负责管理频率集的自适应。在自适应跳频连接中，主设备负责实时更新信道列表，通过LMP 指令通知从设备，并要求从设备返回信道评估信息。

主机控制接口（HCI）的改变。它主要包括两个新指令。一个用于从信道列表中排除某个“坏”信道。另一个指令用于主机获得当前正使用的AFH信道映射表。

3.5 TG2 AFH的缺陷

1、尽管关于TG2 AFH做了很多讨论和性能分析，在内存和功率受限情况下的性能研究却相对较少。结果表明AFH机制受可用内存的影响很大，不同的可用内存对应不同的干扰级别，当“坏”信道的数量大于系统存储能力时冲突率急剧增加。

2、AFH的Channel-by-Channel测量方案很明显需要更多的射频资源和LMP消息来沟通主从设备，而且会带来更长的响应时间。

3、AFH不能够处理互微微网（Inter-Piconet）干扰。其他微微网的快速变换，窄带干扰使得AFH的信道分类处理大范围失效，导致信道分类不能够反映当前的信道条件。而随着附近蓝牙微微网数量的增加冲突率会持续增加。

4、AFH是一种尽最大努力的机制。一旦缓存里有分组等待，移动设备就会使用AFH 持续发送。虽然设备总是尝试在“好”信道上发送分组，但在N min不能满足条件下还是会在“坏”信道上发包。因此，当频域变得十分拥挤时AFH的性能会持续减退，原因就是设备在尝试发送包时不能得到充足数量的“好”信道来实现跳频，更坏的情况是这种尝试会导致分组的重发，对通信双方系统进一步增加潜在的干扰。

5、AFH机制并不能后向兼容，因为跳频机制实在硬件或固件中实现的。执行AFH需要新的蓝牙芯片或固件的修改，所以早期的蓝牙设备并不能从AFH中获益。

6、AFH的性能依赖于硬件。IEEE 802.11b的高功率层次会侵入蓝牙接收机并损坏发送的包，无论蓝牙跳频到任何信道也不能避免干扰，在两种系统集成在一起或相距1m之内时这种现象尤为典型。

四、三种其他的非协作共存机制

1、ISOAFH(Interference Source Oriented Adaptive Frequency Hopping)

ISOAFH试图定位IEEE 802.11b干扰源的载波然后尝试避免跳频到所有受影响的蓝牙信道上。该机制只是追踪蓝牙11组信道的PER，而不是测量每一个蓝牙信道的PER。如果某一蓝牙信道受到干扰，它所在的所有组都将此信道的PER计算在自己组内，与干扰源载波相对应的组将拥有最高的PER值，这样蓝牙系统可以定位干扰源载波并避免跳频到与干扰源载波相对应的那组蓝牙信道上。该机制可以通过分析干扰源来获得潜在性能增益，比TG2 AFH反应时间短，时间和空间的复杂度降低从而对系统资源的需求降低，不需要以单个信道为单位更新“好”“坏”信道列表。

2、ISOMDMS（Inference Source Oriented Master Delay MAC Scheduling）

该机制属于非协作性共存机制，蓝牙设备监测信道条件，一旦发现信道为“坏”信道，就不允许在此通信时隙传输包，受影响的包要延迟到下一个“好”信道的时隙再发送。相比AFH机制总是在寻求“好”信道，ISOMDMS只是保守的在干扰信道上停止发送包直到“好”信道来临。ISOMDMS机制不需要对原始跳频序列进行修改，可以实现后向兼容，但是当干扰级别较高时会带来很大的延迟。

3、自适应包选择延迟发送

此机制采用OLA（OverLap Avoidance）方法，通过减少因使用相同频率同时发送分组而引起的碰撞，解决蓝牙与802.11b的干扰问题。蓝牙标准为了满足不同的应用需要，定义了不同类型信息包。信息包包括话音包和数据包。数据包长度分为一个时隙、三个时隙和五个时隙三种类型。自适应包选择延迟发送方法是蓝牙单元在一段时间内对信道进行评估，然后根据信道质量好坏自适应地选择发送时间和不同长度的分组，从而最大程度地避免了碰撞。适用于ACL链路（蓝牙主从单元间没有语音的传输）。该机制在减小丢包率和提高网络吞吐量方面非常有效，此机制并没有使网络时延明显增大，另外当信道不良时不发送信号能够节省发射功率。

五、结束语

蓝牙和802.11b无线局域网都是近年来无线领域的热点，两者在技术上各有优势，在应用范围上也相互补充，未来将长期共存与竞争，所以研究两者的共存性机制是很有意义的。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以及相对应的技术机制。正是由于这些共存机制的采用大大减少了两种系统间的干扰，使得蓝牙和802.11b的共存成为了可能，用户可以同时享用两种无线技术带来的便利。

六、参考文献

[1] Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth Core Specification Version 1.2, November 2003.

[2] B. Treister, H.B. Gan, K.C. Chen, H.K. Chen, A. Batra, O. Eliezer, Adaptive Frequency Hopping: A

Non-Collaborative Coexistence Mechanism, IEEE 802.15-01/252r0, May 2001.

[3]Steve Shellhammer, Jim Lansford, Symbol Technology, Mobilian Corp. Collaborative Coexistence Mechanism Submission: Mobilian’s META + Symbol’s TDMA,IEEE 802.15-01/164r0, March, 2001.

[4]Michael Cho-Hoi Chek, Yu-Kwong Kwok, Design and evaluation of practical coexistence management schemes for Bluetooth and IEEE 802.11b systems, Computer Networks 51 (2007) 2086–2103.

[5]唐欣，陈雷，周正，干扰受限环境下蓝芽系统的性能及自适应跳频共存机制，电路与系统学报，第8卷第5期，2003.10

[6]吴彦奇，朱刚，蓝牙与802.11b干扰问题的优化解决方案，无线通信技术，2006年02期

[7]夏巍，李恪，许劲杨，蓝牙与WI-FI共存问题在蓝牙系统端的解决方案，计算机应用研究，2004