無線局域網(wǎng)(WLAN)接入點(diǎn)(AP)與便攜式消費(fèi)產(chǎn)品(例如配置有藍(lán)牙技術(shù)、且該技術(shù)處于激活狀態(tài)的手機(jī)或智能電話等)中的WLAN模塊之間的信令干擾，會大大降低系統(tǒng)靈敏度和WLAN鏈路的覆蓋范圍。
恩智浦半導(dǎo)體公司(NXP)的測試和分析表明，在辦公室環(huán)境中，覆蓋范圍會減小到其基線距離(即藍(lán)牙功能未激活時)的20%。
對于終端用戶的體驗而言，如果WLAN基站是一臺能在WLAN或熱點(diǎn)可用的情況下切換到WLAN的雙模手機(jī)，這一問題尤其突出。由于這個問題只有在藍(lán)牙功能激活時才出現(xiàn)，因此消費(fèi)者將會敏銳地感到手機(jī)性能不穩(wěn)定，并且在很多情況下不令人滿意。
就距離或范圍而言，需要考慮三個數(shù)值：在藍(lán)牙功能未激活時，系統(tǒng)靈敏度一般在-95dBm范圍內(nèi)，輸出功率在15-20dBm范圍內(nèi)；當(dāng)藍(lán)牙和WLAN配合使用出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)靈敏度降低到-65dBm；當(dāng)采用調(diào)節(jié)機(jī)制時(如恩智浦半導(dǎo)體發(fā)明并實現(xiàn)的藍(lán)牙與WLAN芯片方案)，系統(tǒng)靈敏度可保持在-85dBm。
對于不同應(yīng)用，實際的覆蓋范圍會有很大不同，但預(yù)計平均可以改善到基線距離的50%左右。
AP速率適配機(jī)制
發(fā)送藍(lán)牙與WLAN信令的固有問題使情況變得更加復(fù)雜。這兩種技術(shù)均使用相同的2.4GHz ISM頻段，但由于兩者在應(yīng)用初期似乎彼此分離、互不相關(guān)，因此在它們各自的工程化發(fā)展過程中，人們并未考慮到兩者的共存問題。
WLAN最初是作為個人電腦之間的數(shù)據(jù)連接，這只是一種無線以太局域網(wǎng)。藍(lán)牙最初是用于手機(jī)的短距離無線連接。但是，過去幾年來，隨著WLAN熱點(diǎn)的推出，家庭WLAN接入點(diǎn)的強(qiáng)勁發(fā)展及其與手機(jī)的同步功能(即在大樓中信號覆蓋不佳的地方切換到WLAN)，使得WLAN進(jìn)入了語音傳輸領(lǐng)域。同樣地，單聲道藍(lán)牙耳機(jī)(mono)被應(yīng)用于手機(jī)，而立體聲藍(lán)牙耳機(jī)則被用于MP3播放器和iPod。
這些新的應(yīng)用領(lǐng)域意味著藍(lán)牙與WLAN需要近距離工作，而終端用戶的體驗取決于藍(lán)牙和WLAN是否能夠同時作用，以及在關(guān)鍵的延遲需求下傳輸相同類型的數(shù)據(jù)。
共存問題的核心是WLAN接入點(diǎn)(AP)速率適配機(jī)制，WLAN接入點(diǎn)利用這個機(jī)制來維持與智能手機(jī)等WLAN站點(diǎn)(具有WLAN功能的設(shè)備)的可靠連接。
最好能通過描述藍(lán)牙的工作方式來研究這種機(jī)制。在語音傳輸模式下，藍(lán)牙會建立一個同步面向連接(SCO)鏈路。SCO鏈路被用于單聲道語音傳輸，它具有一種規(guī)則的幀結(jié)構(gòu)，即每3.75ms允許1.25ms的語音數(shù)據(jù)交換。該幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種SCO幀結(jié)構(gòu)是藍(lán)牙規(guī)格的組成部分，不能被修改或改變。
藍(lán)牙技術(shù)所需的1.25ms接收和傳輸間隔，僅給WLAN數(shù)據(jù)包的接收和傳輸留下了2.5ms的時間間隙。否則，它們就會與某個藍(lán)牙數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突并因此而降低靈敏度。
如果AP傳輸?shù)囊粋�幀恰好落入藍(lán)牙的Tx周期內(nèi)，那么它將很可能被正在進(jìn)行的藍(lán)牙傳輸破壞，并且WLAN站點(diǎn)不會給AP發(fā)送確認(rèn)信息。同樣，如果AP傳輸?shù)膸拷却芷?quiet period)的末端，則WLAN站將無法傳送一個確認(rèn)幀，導(dǎo)致AP會認(rèn)為該幀沒有正確地被接收。許多AP要通過非確認(rèn)幀的數(shù)量來確定信道的質(zhì)量。
如果WLAN是典型的加性高斯白噪聲(AWGN)信道，則這種類型的信道評估是很好的方法，但當(dāng)存在像藍(lán)牙這類脈沖干擾源時，這種方法就不靈了。
藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)生的這種干擾十分重要，因為一般信道中會存在兩種類型的噪聲：AWGN和脈沖干擾，后者是藍(lán)牙傳輸所產(chǎn)生的非常典型的噪聲。AWGN是大多數(shù)環(huán)境下的典型噪聲，在這些環(huán)境下噪聲是隨機(jī)的且基本不發(fā)生變化。鑒于當(dāng)初的工程化假設(shè)，WLAN熱點(diǎn)被設(shè)計為工作在AWGN信道。
因此，保持可靠通信鏈路和延長傳輸距離的方法既簡單又直接：當(dāng)靈敏度開始下降時，AP與WLAN站都降低各自的數(shù)據(jù)傳輸速率，以維持它們的數(shù)據(jù)包誤碼率指標(biāo)。
每個設(shè)備都對其鏈路負(fù)責(zé)。從AP到WLAN站的鏈路速率適配程度由AP決定。為維持AP與站之間的目標(biāo)誤碼率(并假設(shè)它工作在一個AWGN信道上)，AP根據(jù)設(shè)計工程師為其選定的算法回調(diào)數(shù)據(jù)交換速率。但WLAN幀中的信息量(通常約為1500字節(jié))不會改變，這意味著這個幀需要更多的時間來傳輸與接收。恩智浦的WLAN實現(xiàn)方案則沒有這種問題，因為它在適配數(shù)據(jù)速率時考慮了所配備的藍(lán)牙功能。
但由于要花更多時間來發(fā)送數(shù)據(jù)，使得WLAN幀更難適應(yīng)藍(lán)牙工作在SCO鏈路模式留下的2.5ms窗口。事實上，以1、2和5.5Mbps WLAN速率發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度過大，至少有一次藍(lán)牙傳輸會對它產(chǎn)生影響，并很有可能破壞數(shù)據(jù)包。
WLAN所允許的最低數(shù)據(jù)速率為6Mbps，這大約相當(dāng)于不到-90dBm的靈敏度。共存范圍的問題在于，AP行為與WLAN/藍(lán)牙共存配置并不兼容。AP會在想要的時候發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且即使數(shù)據(jù)包是以能適合藍(lán)牙傳輸間隔的高速率發(fā)送，仍然存在WLAN數(shù)據(jù)包與藍(lán)牙傳輸發(fā)生碰撞的某種統(tǒng)計概率。
AP的另外三個特性使得問題更難解決：WLAN站點(diǎn)幾乎不能控制AP；藍(lán)牙的共存機(jī)制是與站點(diǎn)(STA)通信，而不是與AP；不同制造商的回調(diào)機(jī)制與算法各不相同。
完整的解決方案
由于在WLAN站點(diǎn)和藍(lán)牙設(shè)備之間有兩種類型的鏈路，一個完整的解決方案要對每種鏈路采用略微不同的手段。我們先看看前面提到的SCO鏈路，然后再觀察異步無連接(ACL)鏈路的情況。
在WLAN站點(diǎn)用于控制AP數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄖ�，有一種是在系統(tǒng)省電模式下。這種模式是為了延長便攜產(chǎn)品的電池使用壽命而創(chuàng)建。換句話說，它可以使站點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式，不用連續(xù)監(jiān)控和響應(yīng)來自AP的信號。通過使用控制這種省電模式的信令，WLAN站點(diǎn)可以減少與共存藍(lán)牙設(shè)備發(fā)生干擾的可能性。
在正常運(yùn)行時，AP約每100ms向WLAN站點(diǎn)發(fā)送一個信標(biāo)(beacon)，告知WLAN站點(diǎn)：AP中是否有等待提交的數(shù)據(jù)。信標(biāo)之間的間隔時間是可變的，通�？稍贏P中編程設(shè)定。正常情況下，當(dāng)WLAN站點(diǎn)收到一個有待發(fā)送數(shù)據(jù)的信息時，它會要求AP發(fā)送數(shù)據(jù)。顯然，如果WLAN站點(diǎn)首先監(jiān)聽到藍(lán)牙設(shè)備的活動，它就可以告知AP每當(dāng)藍(lán)牙功能被激活，WLAN站點(diǎn)就處于睡眠模式。
一旦WLAN站進(jìn)入省電模式，AP就停止發(fā)送幀，直到收到WLAN站點(diǎn)的發(fā)送請求。WLAN站點(diǎn)向AP發(fā)送一個輪詢幀(poll frame)，開始請求數(shù)據(jù)。通過從策略上確定輪詢幀的時序，WLAN站點(diǎn)就可以增加AP的響應(yīng)落在藍(lán)牙等待周期內(nèi)的概率。
如圖1所示，這一過程從WLAN站點(diǎn)接收到一個來自AP的信標(biāo)開始，該信標(biāo)表示AP上有一個信息正在等待。然后WLAN站通過一個SCO鏈路監(jiān)聽下一個藍(lán)牙傳輸。一旦交換開始，WLAN站點(diǎn)就知道它有1.25ms的時間來接收藍(lán)牙信息，緊接著有2.5ms間隔來接收AP發(fā)送的信息。
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圖1：藍(lán)牙和WLAN AP與WLAN站點(diǎn)共享一個3.75ms的窗口。
不過，在兩次藍(lán)牙傳輸間隔增加AP傳輸正確匹配的概率還不足以為擴(kuò)展WLAN覆蓋范圍創(chuàng)建可靠的機(jī)制。例如，AP會根據(jù)最新的傳輸記錄選擇數(shù)據(jù)速率，這一速率使得數(shù)據(jù)幀不可能落在所分配的2.5ms間隔內(nèi)。
任何真實世界環(huán)境下都存在著很多干擾的機(jī)會。一旦出現(xiàn)這種情況，AP將啟動速率適配程序，使AP與WLAN站點(diǎn)之間建立鏈路和傳輸數(shù)據(jù)的可能性更低。
最顯而易見的替代方案是調(diào)整AP的數(shù)據(jù)速率。在很多AP中，這可以通過使WLAN站點(diǎn)與AP短暫斷開、然后再快速連接的方式來實現(xiàn)。通常情況下AP會再次從一個高數(shù)據(jù)速率開始傳輸，并且可以重復(fù)藍(lán)牙與WLAN數(shù)據(jù)包之間的交錯過程。
另一種可能的方法是讓W(xué)LAN站點(diǎn)忽略通常藍(lán)牙設(shè)備在與WLAN站點(diǎn)連接時享有的優(yōu)先權(quán)。藍(lán)牙設(shè)備與WLAN站點(diǎn)之間的優(yōu)先連接能將藍(lán)牙傳輸提前告知WLAN站點(diǎn)。這種優(yōu)先權(quán)可以被忽略，但會導(dǎo)致藍(lán)牙幀被破壞，這通常是以藍(lán)牙語音質(zhì)量下降為代價的。
異步無連接(ACL)鏈路
以上討論都是關(guān)于藍(lán)牙與WLAN站點(diǎn)之間建立了一個SCO鏈路的情況。但當(dāng)藍(lán)牙使用A2DP profile時(例如用立體聲耳機(jī)聽音樂時)，它建立的是一個異步無連接(ACL)鏈路。這時情況并不是很復(fù)雜，因為ACL鏈路沒有與SCO鏈路一樣嚴(yán)格的幀結(jié)構(gòu)。
實際上，藍(lán)牙連接可以由WLAN站點(diǎn)控制，在藍(lán)牙傳輸之間可以安排更長的時隙。有一種排序機(jī)制可以使傳輸介質(zhì)在藍(lán)牙和WLAN之間來回交替。但這樣做必須十分小心，因為藍(lán)牙應(yīng)用必須維持均衡的數(shù)據(jù)流吞吐量和低延遲特性，以保證立體聲耳機(jī)正常工作。
可通過編寫帶寬分配算法來管理藍(lán)牙和WLAN之間的可用帶寬。相關(guān)參數(shù)在主控接口(Host Control Interface)級被編入了藍(lán)牙芯片中。
恩智浦半導(dǎo)體公司開發(fā)的專有軟件實現(xiàn)了本文中所描述的方案和步驟。該軟件必須同時運(yùn)行在藍(lán)牙和WLAN站點(diǎn)芯片上，具體而言即恩智浦的BGB210S藍(lán)牙芯片和BGW211 802.11b/gWLAN芯片。
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圖2：圖中用不同顏色來表示采用了競爭方案的兩種手機(jī)的傳輸距離，以及采用恩智浦BGB210S藍(lán)牙芯片和BGW211 802.11b/g WLAN芯片時的傳輸距離。
本文小結(jié)
將恩智浦的芯片用于兼有藍(lán)牙和WLAN的配置中，可以顯著提高系統(tǒng)的靈敏性，并擴(kuò)展WLAN系統(tǒng)的覆蓋距離。
圖2所示為使用三種不同的共存解決方案時，WLAN覆蓋范圍的差異。圖中用不同顏色來表示采用了競爭方案的兩種手機(jī)的傳輸距離，以及采用恩智浦BGB210S藍(lán)牙芯片和BGW211 802.11b/g WLAN芯片時的傳輸距離。圖3給出了BGB210S藍(lán)牙芯片的功能框圖。恩智浦芯片采用本文所述技術(shù)進(jìn)行了功能增強(qiáng)，以減輕由AP產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率下降效應(yīng)。
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圖3：BGB210S藍(lán)牙芯片支持與WLAN系統(tǒng)的共存。
