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如何在WLAN与蓝牙设备共存时应对覆盖范围的挑战

2015-04-21   来源:互联网   点击:
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
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2.4GHz ISM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。

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