解决WLAN与蓝牙设备共存时覆盖范围的挑战

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无线局域网(WLAN)接入点(AP)与便携式消费产品(例如配置有蓝牙技术、且该技术处于激活状态的手机或智能电话等)中的WLAN模块之间的信令干扰，会大大降低系统灵敏度和WLAN链路的覆盖范围。
        恩智浦半导体公司(NXP)的测试和分析表明，在办公室环境中，覆盖范围会减小到其基线距离(即蓝牙功能未激活时)的20%。
         对于终端用户的体验而言，如果WLAN基站是一台能在WLAN或热点可用的情况下切换到WLAN的双模手机，这一问题尤其突出。由于这个问题只有在蓝牙功能激活时才出现，因此消费者将会敏锐地感到手机性能不稳定，并且在很多情况下不令人满意。
         就距离或范围而言，需要考虑三个数值：在蓝牙功能未激活时，系统灵敏度一般在-95dBm范围内，输出功率在15-20dBm范围内；当蓝牙和WLAN配合使用出现问题时，系统灵敏度降低到-65dBm；当采用调节机制时(如恩智浦半导体发明并实现的蓝牙与WLAN芯片方案)，系统灵敏度可保持在-85dBm。
         对于不同应用，实际的覆盖范围会有很大不同，但预计平均可以改善到基线距离的50%左右。
AP速率适配机制
         发送蓝牙与WLAN信令的固有问题使情况变得更加复杂。这两种技术均使用相同的2.4GHzISM频段，但由于两者在应用初期似乎彼此分离、互不相关，因此在它们各自的工程化发展过程中，人们并未考虑到两者的共存问题。
         WLAN最初是作为个人电脑之间的数据连接，这只是一种无线以太局域网。蓝牙最初是用于手机的短距离无线连接。但是，过去几年来，随着WLAN热点的推出，家庭WLAN接入点的强劲发展及其与手机的同步功能(即在大楼中信号覆盖不佳的地方切换到WLAN)，使得WLAN进入了语音传输领域。同样地，单声道蓝牙耳机(mono)被应用于手机，而立体声蓝牙耳机则被用于MP3播放器和iPod。
         这些新的应用领域意味着蓝牙与WLAN需要近距离工作，而终端用户的体验取决于蓝牙和WLAN是否能够同时作用，以及在关键的延迟需求下传输相同类型的数据。
         共存问题的核心是WLAN接入点(AP)速率适配机制，WLAN接入点利用这个机制来维持与智能手机等WLAN站点(具有WLAN功能的设备)的可靠连接。
         最好能通过描述蓝牙的工作方式来研究这种机制。在语音传输模式下，蓝牙会建立一个同步面向连接(SCO)链路。SCO链路被用于单声道语音传输，它具有一种规则的帧结构，即每3.75ms允许1.25ms的语音数据交换。该帧结构如图1所示。这种SCO帧结构是蓝牙规格的组成部分，不能被修改或改变。
         蓝牙技术所需的1.25ms接收和传输间隔，仅给WLAN数据包的接收和传输留下了2.5ms的时间间隙。否则，它们就会与某个蓝牙数据包发生冲突并因此而降低灵敏度。
         如果AP传输的一个帧恰好落入蓝牙的Tx周期内，那么它将很可能被正在进行的蓝牙传输破坏，并且WLAN站点不会给AP发送确认信息。同样，如果AP传输的帧太靠近等待周期(quiet period)的末端，则WLAN站将无法传送一个确认帧，导致AP会认为该帧没有正确地被接收。许多AP要通过非确认帧的数量来确定信道的质量。
         如果WLAN是典型的加性高斯白噪声(AWGN)信道，则这种类型的信道评估是很好的方法，但当存在像蓝牙这类脉冲干扰源时，这种方法就不灵了。
         蓝牙技术产生的这种干扰十分重要，因为一般信道中会存在两种类型的噪声：AWGN和脉冲干扰，后者是蓝牙传输所产生的非常典型的噪声。AWGN是大多数环境下的典型噪声，在这些环境下噪声是随机的且基本不发生变化。鉴于当初的工程化假设，WLAN热点被设计为工作在AWGN信道。
         因此，保持可靠通信链路和延长传输距离的方法既简单又直接：当灵敏度开始下降时，AP与WLAN站都降低各自的数据传输速率，以维持它们的数据包误码率指标。
         每个设备都对其链路负责。从AP到WLAN站的链路速率适配程度由AP决定。为维持AP与站之间的目标误码率(并假设它工作在一个AWGN信道上)，AP根据设计工程师为其选定的算法回调数据交换速率。但WLAN帧中的信息量(通常约为1500字节)不会改变，这意味着这个帧需要更多的时间来传输与接收。恩智浦的WLAN实现方案则没有这种问题，因为它在适配数据速率时考虑了所配备的蓝牙功能。
         但由于要花更多时间来发送数据，使得WLAN帧更难适应蓝牙工作在SCO链路模式留下的2.5ms窗口。事实上，以1、2和5.5Mbps WLAN速率发送的数据包长度过大，至少有一次蓝牙传输会对它产生影响，并很有可能破坏数据包。
         WLAN所允许的最低数据速率为6Mbps，这大约相当于不到-90dBm的灵敏度。共存范围的问题在于，AP行为与WLAN/蓝牙共存配置并不兼容。AP会在想要的时候发送数据包，并且即使数据包是以能适合蓝牙传输间隔的高速率发送，仍然存在WLAN数据包与蓝牙传输发生碰撞的某种统计概率。
         AP的另外三个特性使得问题更难解决：WLAN站点几乎不能控制AP；蓝牙的共存机制是与站点(STA)通信，而不是与AP；不同制造商的回调机制与算法各不相同。
完整的解决方案
         由于在WLAN站点和蓝牙设备之间有两种类型的链路，一个完整的解决方案要对每种链路采用略微不同的手段。我们先看看前面提到的SCO链路，然后再观察异步无连接(ACL)链路的情况。
         在WLAN站点用于控制AP数据传输的方法中，有一种是在系统省电模式下。这种模式是为了延长便携产品的电池使用寿命而创建。换句话说，它可以使站点进入睡眠模式，不用连续监控和响应来自AP的信号。通过使用控制这种省电模式的信令，WLAN站点可以减少与共存蓝牙设备发生干扰的可能性。
         在正常运行时，AP约每100ms向WLAN站点发送一个信标(beacon)，告知WLAN站点：AP中是否有等待提交的数据。信标之间的间隔时间是可变的，通常可在AP中编程设定。正常情况下，当WLAN站点收到一个有待发送数据的信息时，它会要求AP发送数据。显然，如果WLAN站点首先监听到蓝牙设备的活动，它就可以告知AP每当蓝牙功能被激活，WLAN站点就处于睡眠模式。
         一旦WLAN站进入省电模式，AP就停止发送帧，直到收到WLAN站点的发送请求。WLAN站点向AP发送一个轮询帧(poll frame)，开始请求数据。通过从策略上确定轮询帧的时序，WLAN站点就可以增加AP的响应落在蓝牙等待周期内的概率。
         如图1所示，这一过程从WLAN站点接收到一个来自AP的信标开始，该信标表示AP上有一个信息正在等待。然后WLAN站通过一个SCO链路监听下一个蓝牙传输。一旦交换开始，WLAN站点就知道它有1.25ms的时间来接收蓝牙信息，紧接着有2.5ms间隔来接收AP发送的信息。

图1：蓝牙和WLAN AP与WLAN站点共享一个3.75ms的窗口。

         不过，在两次蓝牙传输间隔增加AP传输正确匹配的概率还不足以为扩展WLAN覆盖范围创建可靠的机制。例如，AP会根据最新的传输记录选择数据速率，这一速率使得数据帧不可能落在所分配的2.5ms间隔内。
         任何真实世界环境下都存在着很多干扰的机会。一旦出现这种情况，AP将启动速率适配程序，使AP与WLAN站点之间建立链路和传输数据的可能性更低。
         最显而易见的替代方案是调整AP的数据速率。在很多AP中，这可以通过使WLAN站点与AP短暂断开、然后再快速连接的方式来实现。通常情况下AP会再次从一个高数据速率开始传输，并且可以重复蓝牙与WLAN数据包之间的交错过程。
         另一种可能的方法是让WLAN站点忽略通常蓝牙设备在与WLAN站点连接时享有的优先权。蓝牙设备与WLAN站点之间的优先连接能将蓝牙传输提前告知WLAN站点。这种优先权可以被忽略，但会导致蓝牙帧被破坏，这通常是以蓝牙语音质量下降为代价的。
异步无连接(ACL)链路
         以上讨论都是关于蓝牙与WLAN站点之间建立了一个SCO链路的情况。但当蓝牙使用A2DP profile时(例如用立体声耳机听音乐时)，它建立的是一个异步无连接(ACL)链路。这时情况并不是很复杂，因为ACL链路没有与SCO链路一样严格的帧结构。
         实际上，蓝牙连接可以由WLAN站点控制，在蓝牙传输之间可以安排更长的时隙。有一种排序机制可以使传输介质在蓝牙和WLAN之间来回交替。但这样做必须十分小心，因为蓝牙应用必须维持均衡的数据流吞吐量和低延迟特性，以保证立体声耳机正常工作。
         可通过编写带宽分配算法来管理蓝牙和WLAN之间的可用带宽。相关参数在主控接口(Host Control Interface)级被编入了蓝牙芯片中。
         恩智浦半导体公司开发的专有软件实现了本文中所描述的方案和步骤。该软件必须同时运行在蓝牙和WLAN站点芯片上，具体而言即恩智浦的BGB210S蓝牙芯片和BGW211 802.11b/gWLAN芯片。

图2：图中用不同颜色来表示采用了竞争方案的两种手机的传输距离，以及采用恩智浦BGB210S蓝牙芯片和BGW211 802.11b/g WLAN芯片时的传输距离。

本文小结
         将恩智浦的芯片用于兼有蓝牙和WLAN的配置中，可以显著提高系统的灵敏性，并扩展WLAN系统的覆盖距离。
         图2所示为使用三种不同的共存解决方案时，WLAN覆盖范围的差异。图中用不同颜色来表示采用了竞争方案的两种手机的传输距离，以及采用恩智浦BGB210S蓝牙芯片和BGW211 802.11b/g WLAN芯片时的传输距离。图3给出了BGB210S蓝牙芯片的功能框图。恩智浦芯片采用本文所述技术进行了功能增强，以减轻由AP产生的数据速率下降效应。

图3：BGB210S蓝牙芯片支持与WLAN系统的共存。