使用自適應(yīng)跳頻提高藍(lán)牙與802.11的共存性

    摘要：藍(lán)牙是一種低費(fèi)用、低功率的無線連接技術(shù)，運(yùn)行在2.4GHz非授權(quán)的共享ISM頻段。藍(lán)牙技術(shù)現(xiàn)在所面臨的最大挑戰(zhàn)是，解決它與其它運(yùn)行在該共享頻段內(nèi)設(shè)備的共存問題。這些設(shè)備包括無繩電話、微記和無線局域網(wǎng)，如802.11b。本文描述解決該問題的一種非協(xié)作性共存技術(shù)和自適應(yīng)跳頻技術(shù)（AFH）。

    關(guān)鍵詞：藍(lán)牙 自適應(yīng)跳頻 共存性

藍(lán)牙是運(yùn)行在2.4GHz非授權(quán)ISM頻段上的短距離無線技術(shù)，可用作線纜替代技術(shù)或一種先進(jìn)的個(gè)人局域網(wǎng)技術(shù)。由于對(duì)ISM頻段的接入沒有限制，藍(lán)牙設(shè)備將受到很重要的干擾。干擾源可能是微波爐、無繩電話等，也可能來自無線局域網(wǎng)，如802.11b。在藍(lán)牙規(guī)范1.1版本中，采用79跳的偽隨機(jī)跳頻鄰 列來克服衰落和其它一些干擾，但是這種跳頻機(jī)制沒有考慮當(dāng)前ISM頻譜占用的情況。自適應(yīng)跳頻（AFH）機(jī)制正是根據(jù)目前共享頻率而產(chǎn)生的干擾所提出的較好的共存機(jī)制。它通過改變藍(lán)牙跳頻機(jī)制，減少跳頻數(shù)來避免沖突。

1 自適應(yīng)跳頻技術(shù)基本原理

自適當(dāng)跳頻是一種避免固定頻率干擾的方法。對(duì)藍(lán)牙而言，AFH可以劃分為以下四個(gè)部分：

信道分類——一個(gè)信道一個(gè)信道地檢測(cè)干擾源的方法（每個(gè)信道1MHz）；

鏈路管理協(xié)議——向藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中其它成員協(xié)調(diào)并分布AFH信息（通過LMP命令完成）；

跳頻序列改變——通過有選擇性地減少跳頻信道數(shù)來避免干擾；

信道維持——周期性地重新評(píng)估信道的方法。

信道分類是通過檢測(cè)干擾網(wǎng)絡(luò)下藍(lán)牙跳頻信道的質(zhì)量，把信道分為“好”信道或“壞”信道；可采用RSSI測(cè)量、連續(xù)分組錯(cuò)誤、分組錯(cuò)誤平均數(shù)等幾種不同的檢測(cè)方法。不管采用何種分類技術(shù)，都是通過衡量信道質(zhì)量（1MHz信道上）來評(píng)估每個(gè)信道是“好”是“壞”，然后微網(wǎng)運(yùn)用鏈路管理協(xié)議來協(xié)調(diào)和分布信道信息。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何設(shè)備的信道測(cè)量無論發(fā)生在何處，主設(shè)備都將分布信道更新信息。根據(jù)信道分類，主設(shè)備通過發(fā)送鏈路管理協(xié)議命令來通知從設(shè)備已經(jīng)從信道表中加入或取消了哪些頻率。這就意味著，一個(gè)微網(wǎng)要使用自適應(yīng)跳頻，主設(shè)備必須具有AFH功能。

一旦確定了一組“好”信道，每個(gè)設(shè)備就需要更改它們的跳變?cè)O(shè)置，以避免使用“壞”信道（更改跳頻序列）。該跳頻更改需要在任何通信設(shè)備保持同步（包括時(shí)間和頻率）。

由于避免了“壞”信道的使用，藍(lán)牙微網(wǎng)將使用一個(gè)較小的頻率集，F(xiàn)CC規(guī)定最少必須使用15個(gè)信道。這樣就需要周期性地進(jìn)行信道分類、管理和更新的過程（信道維持），以便更改跳頻序列。由于干擾環(huán)境可能會(huì)改變，信道維持的規(guī)律性也需要同睡眠和功率耗費(fèi)模式進(jìn)行協(xié)調(diào)。

根據(jù)以上自適應(yīng)跳頻技術(shù)原理，圖1給出了藍(lán)牙自適應(yīng)跳頻序列產(chǎn)生流程。

信道“好”時(shí)，不需重新映射信道；當(dāng)信道為“壞”時(shí)，需要一個(gè)“好”信道。當(dāng)“壞”信道被選出，跳頻內(nèi)核從“好”信道集合中選一個(gè)信道來代替它。對(duì)于未能替代，而又必須使用的“壞”信道，仍將存在于自適應(yīng)跳頻序列中。這種頻率替代方法可以在相同的微網(wǎng)內(nèi)提高AHF設(shè)備與非AFH設(shè)備兼容性。

2 兩種跳頻機(jī)制的對(duì)比

為了說明起來更明確，我們以一個(gè)藍(lán)牙微網(wǎng)和一個(gè)802.11b網(wǎng)絡(luò)為例，對(duì)藍(lán)牙79跳頻機(jī)制和AFH機(jī)制進(jìn)行討論和對(duì)比。

圖2描述了未采用AFH機(jī)制時(shí)，藍(lán)牙與802.11在ISM頻段的頻率占用情況。其中藍(lán)牙仍采用79跳頻序列，802.11占用ISM頻段中的約22MHz固定帶寬頻率。

藍(lán)牙是以每秒鐘切換1600次載波的頻率跳躍方式的頻譜擴(kuò)散技術(shù)來收發(fā)電波信號(hào)的，每個(gè)載波的帶寬為1MHz。在現(xiàn)行規(guī)范中，使用時(shí)在79個(gè)不同載波之間進(jìn)行切換。IEEE802.11b使用的頻率信道的帶寬約為22MHz，而且前提是采用固定信道。

圖2和圖3

    顯然，圖2中的兩種技術(shù)將會(huì)發(fā)生頻率重疊，如果運(yùn)用兩種技術(shù)的設(shè)備相距較近，會(huì)產(chǎn)生沖突干擾。因?yàn)?02.11b采用固定的頻率，而藍(lán)牙進(jìn)行跳頻選擇，可對(duì)藍(lán)牙設(shè)備采用一定的頻率避免機(jī)制，將藍(lán)牙的頻率跳變范圍限制在相當(dāng)于IEEE802.11b的一個(gè)頻帶22MHz帶寬之內(nèi)。

圖3所示，藍(lán)牙微網(wǎng)中的設(shè)備對(duì)每個(gè)1MHz信道進(jìn)行評(píng)估，信道被分為“好”或“壞”，并且信道的信息被分布給微網(wǎng)內(nèi)的所有設(shè)備。由于802.11b WLAN的存在，“壞”信道主要包含在被802.11b系統(tǒng)占用的22MHz信道。

圖3描述了當(dāng)一個(gè)“壞”信道被確定時(shí)，為避免使用被802.11b占用的“壞”信道，跳頻內(nèi)核從“好”信道集合中選出一個(gè)“好”信道進(jìn)行替代。其它“壞”信道也用同樣的方法進(jìn)行替代，從而使藍(lán)牙設(shè)備避開使用被802.11b占用的信道。

藍(lán)牙AFH機(jī)制有利于降低快速增長的ISM頻帶擁塞。AFH尤其適用于減弱像802.11b這樣的固定頻率的設(shè)備產(chǎn)生的干擾。通過避免已占用頻譜來提高藍(lán)牙鏈路傳輸?shù)耐掏铝恳约翱煽啃?；同時(shí)，因?yàn)樗{(lán)牙設(shè)備不在已用頻帶跳頻，也提高了802.11的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量和語音質(zhì)量。由于藍(lán)牙系統(tǒng)和802.11系統(tǒng)的沖突減少了，兩個(gè)系統(tǒng)的重傳次數(shù)也會(huì)相應(yīng)減少，當(dāng)然在ISM頻帶內(nèi)的干擾也少了。這樣，藍(lán)牙設(shè)備和802.11等其它共享ISM頻段的設(shè)備就可以通過簡(jiǎn)單AFH機(jī)制實(shí)現(xiàn)共存。

3 小結(jié)

AFH是一種對(duì)藍(lán)牙和IEEE802.11b使用的頻率進(jìn)行分離的技術(shù)。在AFH中，藍(lán)牙的頻率跳變范圍避開了IEEE802.11b的頻帶。這樣就可以在不對(duì)IEEE802.11b使用的22MHz工造成影響的情況下，完成藍(lán)牙的數(shù)據(jù)收發(fā)。由于這種方法不會(huì)降低無線LAN與藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸速度，而且不必對(duì)IEEE802.11b進(jìn)行任何處理，因此實(shí)用性很高。當(dāng)然，隨著干擾源的增加，更多的“壞”信道將會(huì)從自適應(yīng)跳頻序列中取消，“好”信道數(shù)也越少。FCC規(guī)定藍(lán)牙自適應(yīng)跳頻信道數(shù)不能少于15，如果可用的“好”信道數(shù)少于15，藍(lán)牙系統(tǒng)就不得不使用一些“壞”信道。因此，當(dāng)干擾過多時(shí)，AFH機(jī)制也不能完全避免系統(tǒng)吞吐量和可靠性的降低。