蓝牙与802.11b干扰问题的解决

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   1、引言    目前，已研究提出的克服蓝牙与802.11b干扰，实现共存的机制，根据两系统是否能够交换信息而分为合作方式（collaborativecoexistence）与非合作方式（noncollaborativecoexistence）两类，其中包括：法规和标准、使用方式、技术方法等方面。就技术方法而言，现在较受关注的有两种，都属于非合作共存方式，一种是自适应跳频（AFH：AdaptiveFrequency Hopping）[1，2]，此方法受到法规、接收灵敏度等限制，且只适用于未来使用新标准后生产的蓝牙设备，仍然无法解决目前蓝牙设备和802.11b之间的干扰问题；另一种方法在假定可以通过其他技术检测干扰规律基础上，通过流量调度，“减少因使用相同频率同时发送分组而引起的碰撞”（OLA：OverLap Avoidance），降低同频干扰[3]，取得较好效果，成为比较典型的方法。这种方法属于MAC层技术，而MAC层技术包含硬件和软件，解决干扰问题代价相对较小。本文提出自适应包选择延迟发送机制。此机制属于OLA方法，但与以往提出的躲避分组碰撞的方法有区别。此机制解决蓝牙ACL链路与802.11b的干扰问题更有效，且易于实现。
    2、自适应包选择延迟发送方法
    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。其中数据包长度分为一个时隙、三个时隙和五个时隙三种类型。一般来讲，如果蓝牙自适应层能够基于应用的需要和无线信道情况，选择不同类型数据包进行传输，则可以达到最佳传输效果。目前已经研究了根据不同应用选择不同类型的包[4]。此外，也研究了根据无线信道的状况（主要基于误码率或者丢包率等评估手段）选择不同类型的包[5，6]，信道传输质量较差时选择短包传输，以减小信道同频干扰对信息传输的影响，信道传输质量较好时，选择长包传输，以提高传输效率，增加网络的吞吐量。但是，这种通过选择不同长度类型传输分组克服相互干扰方法，没有从根本上解决引起干扰的碰撞问题，效果不明显。这种包选择机制并不能完全消除干扰。因此，本文提出自适应包选择延迟发送方法。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包的大小，从而最大程度地避免了碰撞，理论上能够消除干扰影响。该方法适用于ACL链路（就是说蓝牙主从单元之间没有语音的传输）。自适应包选择延迟发送方法主要由两部分功能块组成：（1）信道评估，（2）自适应包选择延迟发送机制。
    2.1信道评估
    以往的研究工作[7]表明，对于很多减小干扰影响的机制来说，信道评估都是必不可少的一部分（比如说自适应跳频）。我们将根据蓝牙发送单元的丢包率对信道进行评估。发送单元的丢包率在接收单元端计算，并且与跳频点有关。因此，定义跳频点相关的丢包率Fi-packetloss（其中0≤i≤78）计算公式为：

   

    其中，Fi-numberoflostpacket为一段时间内（channel-state-update-ininterval）在该跳频点上传输信息时丢掉的包数，Fi-number of received packet为成功接收的包数。设定丢包率门限值为gpacket loss gate。当丢包率大于门限时，认为信道是不良信道，否则，认定为良好信道，由此可以得出信道状态表如下：

    表1  主单元信道状态

    表2  从单元信道状态

    其中Mast-F0～Mast-F78表示蓝牙主单元信道，Mast-State[0]～Mast-State[78]表示主单元信道对应状态；Slave-F0～Slave-F78表示蓝牙从单元信道，Slave-State[0]～Slave-State[78]表示从单元信道对应状态。
    蓝牙的数据传输是由主单元控制，因此，从单元必须将主单元的最新信道状态表通知主单元。为此，我们定义一个新的LMP（链路管理协议）PDU，用以携带主单元信道状态。从单元每隔一定时间（channel-state-update-ininterval）计算一次丢包率、刷新信道状态表并通过上述PDU发送到主单元。
    2.2自适应包选择延迟发送机制
    蓝牙物理信道是一个时分双工的跳频信道，信道之间以彼此近似正交的跳频序列区分。信道使用伪随机跳频序列表示，频率在79个射频信道中随机跳变。每个微网使用唯一信道跳频序列，它是根据主单元蓝牙设备地址确定。信道以时隙为单位传输信息，在一个时隙（单时隙分组情况）或多个时隙（多时隙分组情况）内采用一个射频跳频点传输信息。频率跳变速度是1600跳/s。一个时隙的长度为625微秒。在时隙中主单元和从单元以时分复用方式，交替传输分组。主单元在偶数时隙开始传输分组，从单元仅在奇数时隙开始传输分组。一个分组传输时间可以占用一个时隙、三个时隙或五个时隙。传输某个分组期间，跳频保持不变。对于传输单时隙分组，使用的跳频由当前蓝牙时钟值导出。对于传输多时隙分组，跳频根据传输首时隙时钟值导出。传输多时隙分组后，传输下一分组的跳频也根据该分组首时隙时钟值确定。根据蓝牙标准规定，ACL链路可以占用一、三、五时隙传输数据，但是，目前在实际使用过程中，占用时隙方式是固定的。我们提出的这一个算法就是在满足上面这个条件的基础上，根据信道的情况采用延迟发送机制。具体如下：
    （1）单时隙包处理机制
    在发送该单时隙包之前，主单元先查看一下由信道评估机制产生的master/slave的信道状态表。在图1中，如果ƒ1和ƒ2只要有一个是不良信道，那么主单元就延迟到下一个偶数时隙来接着判断是否可以发送。只有ƒ1、ƒ2全是优良信道，该数据包才能存该时刻发送。

    图1  时隙与信道

    （2）三时隙数据包处理机制
    在发送这个三时隙包之前，主单元先检查ƒk和ƒk+3是否都是优良信道，只有这两个频率都是优良信道，这个包才允许发送；如果ƒk是不良信道，这个三时隙的数据包就延迟到ƒk+2进行发送，在发送之前也要经过这样的判决；如果ƒk是优良信道，ƒk+3是不良信道，那么首先判断ƒk+1是不是优良信道，如果是，那么将数据封装成单时隙的数据包进行发送，如果不是，那么就延迟到ƒk+2进行发送判决。
    （3）五时隙数据包处理机制
    五时隙包也采用近似的机制，如果ƒk和ƒk+5都是优良信道，这个包允许发送；如果ƒk是不良信道，这个五时隙的数据包就延迟到ƒk+2进行发送判决；如果ƒk是优良信道，ƒk+5是不良信道，那么首先判断ƒk+3是不是优良信道，如果是，那么将数据封装成三时隙的数据包进行发送，如果不是，那么就判断ƒk+1是否是优良信道，如果是，那么封装成单时隙包进行发送，如果ƒk+1和ƒk+3同样也为不良信道，那么就延迟到ƒk+2进行上面这种判决机制。如图2是此机制的算法流程图。

    图2  算法流程图

    2.3方法比较
    以往的OLA方法[3]由于802.11b系统总是在22MHz频段内通信，所以假定蓝牙系统能够通过检测识别出802.11b系统占用频段。如果某一时刻蓝牙主单元准备以跳频点ƒ2n发送k（k=1、3、5）时隙分组并发现ƒ2n+k将落入802.11系统22MHz频段内，则改以k’时隙（k’=1、3、5，k’≠k）分组发送，使接收频点成为ƒ2n+k’，避免发生频率冲突；如果某一时刻蓝牙主单元将以跳频点ƒ2n、ƒ2n+m（m=2、4、6）连续发送分组并发现ƒ2n+m。将落入802.11系统22MHz频段内，则要求应答从单元发送（m’-1）时隙（m’=2、4、6，m’≠m）分组，使主单元下一个发送频点改为ƒ2n+m’，避免频率冲突。如果所有可供选择的分组对应传输频点均无法避免频率冲突，则暂不发送，等待其余恰当跳频点。由此可看出自适应包选择延迟发送方法相对于此OLA方法的优点：（1）此OLA方法没有考虑当前蓝牙主单元发送频点的信道情况，而自适应包选择延迟发送方法考虑了，这样会进一步减小干扰；（2）自适应包选择延迟发送方法没有使用时隙覆盖，节省功率。
    3、仿真分析
    3.1仿真参数设定
    我们使用一个4节点的拓扑：包括两个蓝牙节点（1个master和1个slave），两个802.11b设备（1个AP和1个移动节点）。无线局域网AP与蓝牙节点在距离两米的范围内。我们设定802.11b采用CCK调制方式，速率为11Mbit/s，移动节点向AP发送数据，AP只是发送ACK消息。802.11b的包长设定为8000bits，包与包之间的间隔服从指数分布，均值为1.86ms。蓝牙设定MAC层接收的上层消息长度为500bits，消息间隔时间满足指数分布，均值为O.92ms。蓝牙和802.11b的发射功率分别为1mW和25mW。
    3.2结果与分析
    通过仿真，我们来看一下采用自适应包选择延迟发送机制与不采用此机制对丢包率、网络通过率以及网络时延的影响。
    图3～图5给出了使用和不使用此机制时WLAN、蓝牙主单元、蓝牙从单元的丢包率。我们定义此处的丢包率Ppacketloss为从传输数据开始到现在时间内丢掉的包数nnumberoflost packet除以丢掉的包数nnumber of lost packet与成功接收的包数nnumber of received packet之和，即：

    （2）

    从图3～图5中可发现使用此机制使丢包率明显减小。实际上，在对信道进行一段时间的评估之后，各单元几乎不再丢包，即nnumberoflostpacket不再明显增长，而相反nnumber of received packet在逐渐增长，故曲线急剧下降，直至丢包率接近为零。我们来看一下此机制对于提高wlan的网络吞吐量的影响，如图6所示，从图中看出使用此机制比不使用此机制wlan的网络通过率约提高了30%。此机制对网络时延的影响如图7，从图中可看出使用此机制并没有使时延明显增大。

    图3  无线局域网丢包率

    图4  蓝牙主单元丢包率

    图5  蓝牙从单元丢包率

    图6  无线局域网吞吐量

    图7  蓝牙网络时延

    4、结语
    总体来说，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，另外还有一个好处就是当信道不良时不发送信号能够节省发射功率。最重要的就是我们消除了蓝牙和802.11b之间的干扰。该机制的不足之处是针对ACL链路，对于SCO链路还需要进一步的研究。
    参考文献
    [1]GanH,andTreisterB. Adaptive Frequency Hopping Implementation Proposals forIEEE 802.15.1/2 WPAN [EB/OL]. http://www.ieee802.org/15/pub/TG2-Coexistence-Mechanisms.html, 2000-11.
    [2]TreisterB,GanHB, Chen K.C.,Chen H.K.,Batra A.,and Eliezer O.Components of the AFH Mechanism [EB/OL].http//www,ieee802, org/15/pub/TG2-Coexistence-Mechanisms.html, 2001-5.
    [3]CarlaF,Chiasseriniand Ramesh R.Rao.Coexistence Mechanisms for Interference Mitigation between IEEE 802.11 WLANsand Bluetooth [A]. INFOCOM 2002 [C].Twenty-First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and CommunicationsSocieties, Proceedings. IEEE, 2002:590-598.
    [4]KaliaM.BansalD. Shorey R. Vehicular Data scheduling and SAR for Bluetooth MAC [A]VTC 2000[C]-Spring Tokyo. 2000 IEEE 51st.
    [5]JesungKim,YujinLim, Yongsuk Kim, and Joong Soo Ma. An adaptive segmentation scheme for the Bluetooth-hased wireless channel[A].Proceedings.Tenth International Conference on Computer Communications and Networks[C].2001:440-445.
    [6]CarlosdeM,Cordeiro and Dharma P. Agrawal.Employing Dynamic Segmentation for Effective Colocated Coexistence between Bluetooth and IEEE 802.11 WLANs [A].Global Telecommunications Conference [C]. GLOBECOM '02 IEEE,2002:195-200.
    [7]N.Golmie,RebalaO, Chevrollier N.Bluetooth Adaptive Frequency Hopping and Scheduling [A].Proc MILCOM '03[C],Boston, MA, Oct.2003.