利用先进技术保证蓝牙/Wi-Fi共存系统服务质量

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目前蓝牙和Wi-Fi技术在笔记本电脑、PDA、个人多媒体播放器和手机等设备中已开始共存发展。
         无线VoIP电话和多模手机等设备甚至需要支持蓝牙和Wi-Fi同时工作，这为芯片设计人员提出了更高要求。如果在开发过程中没有经过深思熟虑就将蓝牙和Wi-Fi嵌入到同一个设备中，其结果可能会导致产生干扰从而影响用户体验。
         蓝牙和Wi-Fi都工作在2.4GHz ISM频段，尽管二者所用频谱不同，但如果Wi-Fi接收器在接收Wi-Fi信号时感应到蓝牙信号，那么仍会产生干扰。蓝牙接收器也会发生同样的情况。除了与其它无线标准共存所带来的挑战外，微波炉等家电也可能中断蓝牙通信连接，这类家电在工作时会辐射出RF能量，但由于成本和工程方面的限制，这种干扰只能在一定程度内得到抑制。
         尽管存在这种来自周围环境的RF干扰，但蓝牙和Wi-Fi技术还是得到消费者越来越广泛的认同，尤其是过去6年以来，蓝牙产品和无线LAN网络已出现在许多家庭中。这两种技术都工作在2.4GHz频率范围内，二者共存是优先考虑的因素，目前为防范干扰研发人员已开发出若干详尽措施。
         为限制ISM频段内任何单一区段的发射功率，蓝牙和Wi-Fi都强制要求在数据传输时采用扩展频谱技术。蓝牙采用跳频扩频(FHSS)技术在相对较窄的1MHz带宽内发射数据包。窄带信号的频率以1600跳/秒的速率在可用的79条信道内跳变。通过在该频谱内跳频，信号功率被分布在整个频段。发生常规干扰时，蓝牙和Wi-Fi信号交叠可能导致接收数据包的过程中断，从而导致包错误。距离很近的天线可在第二个系统工作时导致前端交叠干扰。
         随着蓝牙规范的发展，已增加了可使蓝牙与Wi-Fi及其它潜在干扰源易于共处的若干新技术。下文将介绍已经付诸实施的几种技术。
自适应跳频技术
         在由Bluetooth SIG 开发的v1.2蓝牙规范中引入了自适应跳频(AFH)技术，为蓝牙射频提供了有效抵消常规干扰的途径。AFH可识别出“坏”信道，在这些信道处地方会出现其它设备干扰蓝牙信号或蓝牙信号干扰其它设备的情形。
         支持AFH的蓝牙设备能在其微微网内与其它设备进行通信，共享可鉴别出的坏信道的详细信息。设备会切换到可用的“好”信道，从而远离干扰源，这样对所用的带宽就不会产生影响。为使AFH发挥作用，对坏信道的鉴别必须准确而且常规干扰必须是唯一的干扰形式。图1表明了AFH的工作原理。

图1：采用AFH技术可提高蓝牙与802.11的共存性。

         CSR公司BlueCore蓝牙芯片的初始设置允许在4秒左右的时间内对来自新干扰源的干扰采取自适应措施。信道跳转(Channel skipping)为符合蓝牙v1.1规范的设备提供了AFH功能，只要开启AFH功能，在连接用户时，立体声音频流和单声道耳机等对时间性要求很严格的媒体应用基本上不受影响。
时分复用技术
         时分复用(TDM)技术是用于解决AFH无能为力的前端交叠干扰的一种方法。该方法最初是为保护802.11b/g Wi-Fi传输免受蓝牙干扰而引入的，当Wi-Fi在ISM频段工作时，它将关断除高优先级蓝牙外的所有蓝牙传输。
         该方法类似信道跳转，会牺牲部分蓝牙带宽，但损失的带宽部分与802.11b/g的占空比成比例。因此，若802.11b/g处于空闲状态，链路保持传输的带宽损失只有2%~3%，用户觉察不到。

图2：采用时分复用(TDM)技术。

         为提升TDM效率，必须有与802.11b/g射频活动有关的准确信息。无线技术公司CSR采用一个WLAN_Active硬件信号以确保当802.11b/g信号工作时能得到保护。
         不过有时也要保护蓝牙信号免受802.11b/g的干扰，为此，CSR公司开发出一种可选信号BT_Priority，当在收发一个重要蓝牙数据包时，该信号将给出指示。该信号可保护使用HV3包的SCO音频，它是单声道耳机使用最广泛的流音频格式。
信道质量驱动数据传输率(CQDDR)
         存在DH和DM两种形式的数据包，它们分别采用高、中两种带宽。DH包可在包内传输更多的数据，但是如果包部分损坏，则必须重新传送整个包以恢复数据。DM包含有前向纠错(FEC)码，该码占有效载荷的1/3：即数据的每10位添加5位前向纠错码。在一个15位数据/FEC块中，能修正两个错位。
         DM包格式也许降低了最大的数据速率，但比那些不具备纠错功能的DH格式更为牢靠。接收设备与发射设备可以根据周围的干扰情况来决定采用哪种包格式。例如，如果一台设备认为所接收的包有很多错误，它会告诉发射设备以DM包格式发送该数据。如果链路很“清净”，它允许另一端切换回DH包格式。图3演示了这种通信交互。

图3：借助CQDDR技术，蓝牙设备能够根据具体条件动态变换数据包类型。

         当一台支持BlueCore蓝牙设备向一台不支持CQDDR功能的设备发送数据时，CSR开发出一种算法可以评估链路性能并根据认可包(ACK)与未认可包(NACK)的比率来调整传输的数据包格式。但是，当从不支持CQDDR的设备中接收信息时，如果数据包被损坏，BlueCore无法采取任何类似措施。
延伸同步连接导向信道(eSCO)技术
         eSCO是查错语音信道，它允许重新传送损坏的语音数据。每个数据包都有一个CRC(循环冗余校验)，所以接收者可查验接收到的包是否正确。重传窗(Retransmission windows)允许重新传送未被认可的包。eSCO是在蓝牙规范v1.2中引入的。在早期蓝牙版本中使用的v1.1 SCO仅利用单时隙数据包。而eSCO允许利用3时隙包实现同步语音或数据。这意味着与64kbps固定速率的v1.1相比，eSCO的连接速率可超过100kbps。

图4：延伸同步连接导向信道技术(eSCO)。

         在每个eSCO时刻，主设备发送一个eSCO包，从设备利用常规SCO规则进行响应(即使从设备没收到主设备发送的包，也允许它做出响应)。就版本1.1 SCO来说，有3个不同的包间距可选，它们都提供相同的64kbps速率。尽管eSCO信道不能积极处理或避免干扰，但重发机制可使音频质量所受的的干扰影响减少。
专有技术
         除上述机制外，各公司还通过专有技术强化传输质量。以CSR为例，该公司还为嵌入式应用开发出一款802.11b/g硬件方案(UniFi)。基于在嵌入式无线技术领域的经验，CSR借助优先级和信道信令开发出优化措施。目前CSR已实现了这些附加特性，因为既使采取了目前的保护技术，仍会有共存问题。例如，某人利用与无线VoIP电话配套的蓝牙耳机进行语音通信。同步蓝牙SCO连接信号仍会被Wi-Fi强制发送的包接受确认信号所打断，其结果是使得蓝牙链路语音质量恶化。
         借助构建在UniFi设备内的TDM和CSR公司的专有措施，同步蓝牙HV3包不会产生干扰。目前功能先进的手机具有丰富的多媒体特性，而各种多媒体业务服务质量的优劣会对用户体验产生巨大影响。采用同一家公司的蓝牙和Wi-Fi芯片将简化并加快整合技术过程，并减少供应商的数量。
本文小结
         尽管存在着互扰和功耗问题，蓝牙和Wi-Fi技术自推出以来还是取得了很大发展。借助新的芯片架构、低功耗模式和软件方法，设计工程师在使蓝牙和Wi-Fi芯片更节能、更可靠等方面取得了长足进展，他们一直努力探究以提供最好的抗干扰及低功耗方案。
         采用复杂的方法和技术可将这两种技术集成进体积很小的设备中。诸如ATH、TDM、功率控制和CQDDR等共存系统已经使蓝牙连接更为牢靠，不过无线设计并非仅限于采用AFH和TDM等技术。通过将高度集成的方案与专有技术相结合，可减小在同一台设备中集成蓝牙与Wi-Fi这两种技术所遇到的设计障碍。
         对于设计人员而言，最明智的做法可能就是采用蓝牙+ Wi-Fi组合方案。诸如CSR的方案强化了将蓝牙与Wi-Fi等流行标准互补的用户体验，但目前面临的真正挑战在于如何实现将蓝牙和Wi-Fi整合进同一芯片内。
         作者：Simon Finch
         Wi-Fi战略业务部副总裁
         CSR公司