论文部分内容阅读
[摘要]由于共享2.4G ISM频段，使得蓝牙网络与Wi-Fi（IEEE 802.11b）无线局域网之间存在干扰。简单的分析蓝牙网络与IEEE 802.11b无线局域网之间存在干扰情况，并对克服干扰，实现两者共存诸方法进行分析与评述。
[关键词]蓝牙 IEEE 802.11b 无线局域网 干扰
中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1671－7597（2008）0420034－02
一、引言
目前，作为新兴无线通信技术(使用ISM2.4GHz开放频段)的无线个域网络(WPAN)与无线局域网络(WLAN)正在迅速发展。已经成为WPAN主导技术的蓝牙(Bluetooth)的目的是取代有线连接，能够支持10m范围内的700kb/s数据或语音传输。目前主要应用包括无线耳机、个人数字助理(PDA)与计算机通信，计算机及其外设如键盘打印机实现无线连接等。WLAN包括几种相互竞争的技术，目前市场情况表明Wi-Fi(IEEE 802.11b)有可能发展成为主流技术。Wi-Fi提供11Mb/s传输速率，覆盖范围可达100m，主要应用包括因特网接入、email以及家庭或办公室范围灵活自由地共享文件。蓝牙与Wi-Fi是近年来普遍受到关注的，在应用上互补的两种无线通信技术。随着两种技术发展，蓝牙与Wi-Fi系统共处(collocation)的可能性越来越大，应用越来越多。由于二者均工作在2.4GHz频段，存在潜在干扰问题，因此必须考虑如何实现“共存”(coexistence)。这里共存定义为不同无线系统实现共处而不明显互相影响性能。蓝牙与Wi-Fi相互干扰分析如下：
（一）Wi-Fi与蓝牙的关系
Wi-Fi是一种很好的用于大型、高速的技术。但是因为Wi-Fi的价钱和操作复杂性，它不适合小型家庭网络和蓝牙擅长的ad hoc类型网络。用蓝牙连接PC和外围设备；用Wi-Fi技术连接PC至办公室或校园局域网。尽管蓝牙和Wi-Fi信号之间可能存在相互干扰，但这两种技术可以很好地共存。当蓝牙传输激活时，干扰只影响Wi-Fi连接，稍微降低Wi-Fi的连接速率。
蓝牙和Wi-Fi既互补又相互竞争。其对比如表1.1.1所示。
表1.1.1 蓝牙和Wi-Fi（802.11b）的对比
蓝牙作为替代有线连接的射频技术具有低成本、中速以及短距离(<10M)等特点，可支持最多有8个活动用户的微网络(piconets)。蓝牙物理层采用跳频扩频(FHSS，1600跳/s)，调制方式为高斯频移键控(GFSK)。蓝牙系统发射功率为1mW(0dBm)，传输速率为1Mb/s。Wi-Fi类似以太网网络，可支持多点通信，如广播、组播和点对点数据通信。每个设备具有唯一MAC地址，网络中活动用户数几乎没有限制，采用CSMA/CA方式解决多址接入冲突。Wi-Fi物理层采用直接序列扩频(DSSS)，结合不同调制方式使4种传输速率：1Mb/s(DBPSK)、2Mb/s(DQPSK)、5.5Mb/s (QPSK)、11Mb/s(CCK补码键控)；发射功率为30～100mW。
（二）蓝牙与Wi-Fi相互干扰
蓝牙与Wi-Fi同时使用相同频段通信时将产生带内有色噪声干扰(传输分组发生冲突)。如果蓝牙信号频段处于Wi-Fi系统接收端22MHz通带内，Wi-Fi接收端将蓝牙信号作为Wi-Fi信号接收，成为干扰。或者Wi-Fi信号频段处于蓝牙系统接收端跳频通带内，蓝牙接收端将Wi-Fi信号作为蓝牙信号接收，成为干扰。
（三）蓝牙受扰分析
关于蓝牙受扰分析，早期主要是简单的分析工作，如考虑加性高斯白噪声(AWGN)和衰落信道条件，研究由802.11系统干扰造成的蓝牙传输比特以及分组错误概率，但没有考虑分组结构和传播条件。或者根据均匀分布比特误差模型，通过内插计算分析不同类型蓝牙分组错误概率并推广到非均匀分布情况更进一步地工作是对蓝牙自扰、Wi-Fi对蓝牙的干扰及二者并存情形进行一般性定量分析，得出了蓝牙分组错误率计算公式及蓝牙网络吞吐量上界。研究的深入，开始结合信道条件与物理层情况进行更为准确地分析，如综合考虑电波传播(包括平坦衰落、多径、非视距、频率选择性)、干扰(包括同频及邻道干扰)、热噪声、调制方式、信道编码与MAC层(跳频、分组结构、流量负荷)因素，推导出了蓝牙分组在瑞利慢衰落信道中传输受到的802.11b干扰而引起的分组平均错误概率等。
（四）Wi-Fi受扰分析
关于Wi-Fi受扰分析，主要是根据对数正态阴影模型及邻道干扰模型，推出以网络分布几何参数及电波传播参数表示的蓝牙分组与802.11b分组发生碰撞概率(即发生时间重叠与频率重叠的概率)的封闭表达式。进一步推出由碰撞概率表示的Wi-Fi网络3个性能指标概率分布：分组错误率（packet error rate，PER）、分组重传数(pa
cket retransmissions，RT，成功传输一个分组所需传输的次数）以及成功传输分组时间间隔(transmissions latency：S，分组为802.11b 1500 bit固定长度分组)。在小尺度(室内传播)时变无线信道模型(涉及路径损耗、多径衰落、阴影以及噪声)基础上，对办公室和家庭环境中的802.11b系统受到蓝牙系统干扰情况，在物理层进行分析。推出不同传输速率(对应不同信道编码及调制方式)情况下分组错误概率，然后在MAC层进行分析，推出两系统分组发生时间和频率冲突概率。
（五）干扰距离
蓝牙与Wi-Fi均为工作在同一频段和同一时间的两个终端会产生干扰的距离。干扰的距离与以下因素有关：环境的传播特性、接收方的增益和不同设备的发射功率。10米的蓝牙微微网和100米的Wi-Fi设备的网络，如果蓝牙跳变的频率与IEEE802.11WLAN FHSS或DSSS的频率相等，则干扰很严重。DSSS通过处理增益值来减少窄带系统的干扰并且减少窄带系统间的干扰，与FHSS系统相比减少的干扰要小一些。然而，DSSS的频谱比FHSS的频谱更宽，DSSS系统的频率与蓝牙频率相同的概率远远大于FHSS系统的频率与蓝牙频率相同的概率。
（六）冲突的概率
蓝牙与IEEE802.11DSSS系统干扰的距离小于蓝牙与IEEE 802.11FHSS系统干扰的距离。FHSS为窄带信号，在运行时会随机改变其频率；而DSSS系统为真正的宽带系统。窄带的蓝牙发送器干扰宽带DSSS信号接收的概率大于在另一窄带信道上干扰FHSS接收的概率。因此，蓝牙与802.11DSSS或802.11b CCK设备间干扰的概率远远大于蓝牙设备与802.11 FHSS系统间干扰的概率。
二、蓝牙和Wi-Fi共存的解决方案
（一）法规和标准
根据美国联邦通信委员会(FCC)现行规定，蓝牙跳频范围几乎覆盖整个ISM2.4～2.485 GHz频段，至少是其中的75MHz，每一跳频信道带宽为1MHz。根据蓝牙现行标准，需要79跳频信道，覆盖79MHz，不可避免地与Wi-Fi发生频率重叠。
为了解决共存问题，FCC建议修改法规，缩小蓝牙跳频范围(如仅占ISM2.4～2.485 GHz中部分频段)，以避免与Wi-Fi系统发生频率重叠，克服相互干扰。但是这种方法仅适用于Wi-Fi网络密度不大的情况。如果不然，出现多个使用不同频段的Wi-Fi系统则仍无法避免频率重叠。此外，修改法规将需要较长时间，最终报告细节无法预知，因此很难评估时效性。
另一种修改法规涉及到自适应跳频(AFH)方案，该方案由TI和Bandspeed Inc等多家制造商提出。AFH测定蓝牙设备在各跳频点通信时的分组损失率，然后选择使用其中损失率较小的15个信道进行跳频通信，以此避开IEEE 802.11b使用的固定频段，从而避免干扰。这种方法不会降低Wi-Fi与蓝牙系统传输速率，也不必对IEEE 802.11b进行任何处理，实用性很强，但是存在不少问题。
（二）使用方式
共存问题简单解决方法之一是禁止两种系统同时使用。如某些场合，使用蓝牙系统至关重要，则禁止使用Wi-Fi系统以防干扰，反之亦然。这种处理方法过于简单、极端，加之两种系统经常互为补充使用，所以不能推广。对于个人用户情况，适度地使用两种系统可以减少干扰，如偶尔地短时使用蓝牙系统(如PDA与台式计算机之间日常同步操作)。但是，随着两种系统在办公环境使用人数不断增加，个人适度使用两种系统需要高度自觉性，很难有效克服干扰。
（三）技术方法
从技术角度看，目前已研究提出的克服干扰实现共存机制，根据两系统是否能实现交换信息而分为合作方式(collaborative coexistence)与非合作方式(noncollaborative coexistence)两类。合作方式主要包括META（MAC Enhanced Temporal Algorithm）
方法和TDMA(Time Division Multiple Access)方法。其基本原理是：802.11b与蓝牙处于同一装置内，通过一个工作在MAC层的中央控制器实现信息交换，并通过精确安排两系统分组传输时间来避免冲突，从而克服干扰，实现共存。合作方式几乎能达到完全消除干扰，但是对于两系统要求条件较高，大部分应用情况难以满足。主要方式有：MAC层实施的非合作方式、时序算法和速率缩放技术以及其它实现共存技术。
（四）更改频段
解决共存问题还可以采用5GHz WLAN标准如802.11a或者HiperLan2。目前关于5GHzWLAN的主要研究结果如下：
其一：5.3GHz电波传播路径损耗相对2.4GHz增加6.9dB，覆盖相同距离需要增加发射功率4倍；5GHz射频功率放大器更加昂贵，因此通常802.11a系统或者覆盖较小范围(不增加成本)，或者增加成本弥补损失的覆盖范围，甚至增加了成本也只能覆盖较小范围。
其二：5.3 GkIz电波穿透性能较差，路径损耗更大，覆盖相同范围需要增加发射功率。
其三：目前在欧洲允许使用HiperLan2而不允许使用802.11a，实际上，两系统物理层功能相似，只是MAC层不同。IEEE 802.11h正努力在IEEE802.11a/b的MAC层增加TPC(传输功率控制)功能，以使IEEE 802.11a/b WLAN满足ETSI要求。
其四：FCC法规没有禁止其他系统使用5GHz频段，如PAN系统以及微波炉等，因此，除了IEEE802.11a与HL2(HiperLan2)产生共存问题外，还将引起新的共存问题。
其五：802.11a与HiperLan2系统均使用具有抗多径性能的正交频分复用(OFDM)调制技术。与相移键控(PSK)调制(802.11b系统使用)相比，OFDM具有较大峰均功率比，需要射频功率放大器(系统最昂贵部件之一)适应大范围功率变化，这将增加功耗及成本，除非能缩短收发距离，减少发射功率。
其六：由于介电常数等原因，在传统印刷电路板上很难制作5GHz系统，需要成本更高的材料。虽然存在上述因素，由于5GHz WLAN技术具有更高传输速率(55Mbps)，可以极大地增加系统容量，正在引起更多关注。
三、结束语
蓝牙与Wi-Fi实现共存并最终实现互操作是人们努力追求的目标。这两种技术各自都在迅速发展，其产品不断提供更多方便，携带更容易．越来越多应用需要两种技术标准近距离相处(甚至共处于同一系统中)并同时使用。如果不能有效克服两种技术之间相互干扰，系统性能将受到严重影响。只有不断研究出实现共存的有效解决方案，才能满足市场上越来越多地使Wi-Fi与蓝牙近距离工作的需要。
参考文献：
[1]彭菊红，消除蓝牙与WLAN系统共存干扰技术的研究与分析[M]．计算机工程与应用，2005[22]150－152.
[2]樊晓东，浅析IEEE802[1].11与蓝牙关键技术及其共存问题[M]．现代科学仪器2005[5]44－47.
[3]朱刚、谈振辉，蓝牙与802．11b的干扰与共存问题[M]．北方交通大学学报，2004年4月第28卷第2期.
[4]朱刚、谈振辉，周贤伟编著．蓝牙技术原理与协议[M]．北京：北方交通大学．清华大学出版社，2002.
[关键词]蓝牙 IEEE 802.11b 无线局域网 干扰
中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1671－7597（2008）0420034－02
一、引言
目前，作为新兴无线通信技术(使用ISM2.4GHz开放频段)的无线个域网络(WPAN)与无线局域网络(WLAN)正在迅速发展。已经成为WPAN主导技术的蓝牙(Bluetooth)的目的是取代有线连接，能够支持10m范围内的700kb/s数据或语音传输。目前主要应用包括无线耳机、个人数字助理(PDA)与计算机通信，计算机及其外设如键盘打印机实现无线连接等。WLAN包括几种相互竞争的技术，目前市场情况表明Wi-Fi(IEEE 802.11b)有可能发展成为主流技术。Wi-Fi提供11Mb/s传输速率，覆盖范围可达100m，主要应用包括因特网接入、email以及家庭或办公室范围灵活自由地共享文件。蓝牙与Wi-Fi是近年来普遍受到关注的，在应用上互补的两种无线通信技术。随着两种技术发展，蓝牙与Wi-Fi系统共处(collocation)的可能性越来越大，应用越来越多。由于二者均工作在2.4GHz频段，存在潜在干扰问题，因此必须考虑如何实现“共存”(coexistence)。这里共存定义为不同无线系统实现共处而不明显互相影响性能。蓝牙与Wi-Fi相互干扰分析如下：
（一）Wi-Fi与蓝牙的关系
Wi-Fi是一种很好的用于大型、高速的技术。但是因为Wi-Fi的价钱和操作复杂性，它不适合小型家庭网络和蓝牙擅长的ad hoc类型网络。用蓝牙连接PC和外围设备；用Wi-Fi技术连接PC至办公室或校园局域网。尽管蓝牙和Wi-Fi信号之间可能存在相互干扰，但这两种技术可以很好地共存。当蓝牙传输激活时，干扰只影响Wi-Fi连接，稍微降低Wi-Fi的连接速率。
蓝牙和Wi-Fi既互补又相互竞争。其对比如表1.1.1所示。
表1.1.1 蓝牙和Wi-Fi（802.11b）的对比
蓝牙作为替代有线连接的射频技术具有低成本、中速以及短距离(<10M)等特点，可支持最多有8个活动用户的微网络(piconets)。蓝牙物理层采用跳频扩频(FHSS，1600跳/s)，调制方式为高斯频移键控(GFSK)。蓝牙系统发射功率为1mW(0dBm)，传输速率为1Mb/s。Wi-Fi类似以太网网络，可支持多点通信，如广播、组播和点对点数据通信。每个设备具有唯一MAC地址，网络中活动用户数几乎没有限制，采用CSMA/CA方式解决多址接入冲突。Wi-Fi物理层采用直接序列扩频(DSSS)，结合不同调制方式使4种传输速率：1Mb/s(DBPSK)、2Mb/s(DQPSK)、5.5Mb/s (QPSK)、11Mb/s(CCK补码键控)；发射功率为30～100mW。
（二）蓝牙与Wi-Fi相互干扰
蓝牙与Wi-Fi同时使用相同频段通信时将产生带内有色噪声干扰(传输分组发生冲突)。如果蓝牙信号频段处于Wi-Fi系统接收端22MHz通带内，Wi-Fi接收端将蓝牙信号作为Wi-Fi信号接收，成为干扰。或者Wi-Fi信号频段处于蓝牙系统接收端跳频通带内，蓝牙接收端将Wi-Fi信号作为蓝牙信号接收，成为干扰。
（三）蓝牙受扰分析
关于蓝牙受扰分析，早期主要是简单的分析工作，如考虑加性高斯白噪声(AWGN)和衰落信道条件，研究由802.11系统干扰造成的蓝牙传输比特以及分组错误概率，但没有考虑分组结构和传播条件。或者根据均匀分布比特误差模型，通过内插计算分析不同类型蓝牙分组错误概率并推广到非均匀分布情况更进一步地工作是对蓝牙自扰、Wi-Fi对蓝牙的干扰及二者并存情形进行一般性定量分析，得出了蓝牙分组错误率计算公式及蓝牙网络吞吐量上界。研究的深入，开始结合信道条件与物理层情况进行更为准确地分析，如综合考虑电波传播(包括平坦衰落、多径、非视距、频率选择性)、干扰(包括同频及邻道干扰)、热噪声、调制方式、信道编码与MAC层(跳频、分组结构、流量负荷)因素，推导出了蓝牙分组在瑞利慢衰落信道中传输受到的802.11b干扰而引起的分组平均错误概率等。
（四）Wi-Fi受扰分析
关于Wi-Fi受扰分析，主要是根据对数正态阴影模型及邻道干扰模型，推出以网络分布几何参数及电波传播参数表示的蓝牙分组与802.11b分组发生碰撞概率(即发生时间重叠与频率重叠的概率)的封闭表达式。进一步推出由碰撞概率表示的Wi-Fi网络3个性能指标概率分布：分组错误率（packet error rate，PER）、分组重传数(pa
cket retransmissions，RT，成功传输一个分组所需传输的次数）以及成功传输分组时间间隔(transmissions latency：S，分组为802.11b 1500 bit固定长度分组)。在小尺度(室内传播)时变无线信道模型(涉及路径损耗、多径衰落、阴影以及噪声)基础上，对办公室和家庭环境中的802.11b系统受到蓝牙系统干扰情况，在物理层进行分析。推出不同传输速率(对应不同信道编码及调制方式)情况下分组错误概率，然后在MAC层进行分析，推出两系统分组发生时间和频率冲突概率。
（五）干扰距离
蓝牙与Wi-Fi均为工作在同一频段和同一时间的两个终端会产生干扰的距离。干扰的距离与以下因素有关：环境的传播特性、接收方的增益和不同设备的发射功率。10米的蓝牙微微网和100米的Wi-Fi设备的网络，如果蓝牙跳变的频率与IEEE802.11WLAN FHSS或DSSS的频率相等，则干扰很严重。DSSS通过处理增益值来减少窄带系统的干扰并且减少窄带系统间的干扰，与FHSS系统相比减少的干扰要小一些。然而，DSSS的频谱比FHSS的频谱更宽，DSSS系统的频率与蓝牙频率相同的概率远远大于FHSS系统的频率与蓝牙频率相同的概率。
（六）冲突的概率
蓝牙与IEEE802.11DSSS系统干扰的距离小于蓝牙与IEEE 802.11FHSS系统干扰的距离。FHSS为窄带信号，在运行时会随机改变其频率；而DSSS系统为真正的宽带系统。窄带的蓝牙发送器干扰宽带DSSS信号接收的概率大于在另一窄带信道上干扰FHSS接收的概率。因此，蓝牙与802.11DSSS或802.11b CCK设备间干扰的概率远远大于蓝牙设备与802.11 FHSS系统间干扰的概率。
二、蓝牙和Wi-Fi共存的解决方案
（一）法规和标准
根据美国联邦通信委员会(FCC)现行规定，蓝牙跳频范围几乎覆盖整个ISM2.4～2.485 GHz频段，至少是其中的75MHz，每一跳频信道带宽为1MHz。根据蓝牙现行标准，需要79跳频信道，覆盖79MHz，不可避免地与Wi-Fi发生频率重叠。
为了解决共存问题，FCC建议修改法规，缩小蓝牙跳频范围(如仅占ISM2.4～2.485 GHz中部分频段)，以避免与Wi-Fi系统发生频率重叠，克服相互干扰。但是这种方法仅适用于Wi-Fi网络密度不大的情况。如果不然，出现多个使用不同频段的Wi-Fi系统则仍无法避免频率重叠。此外，修改法规将需要较长时间，最终报告细节无法预知，因此很难评估时效性。
另一种修改法规涉及到自适应跳频(AFH)方案，该方案由TI和Bandspeed Inc等多家制造商提出。AFH测定蓝牙设备在各跳频点通信时的分组损失率，然后选择使用其中损失率较小的15个信道进行跳频通信，以此避开IEEE 802.11b使用的固定频段，从而避免干扰。这种方法不会降低Wi-Fi与蓝牙系统传输速率，也不必对IEEE 802.11b进行任何处理，实用性很强，但是存在不少问题。
（二）使用方式
共存问题简单解决方法之一是禁止两种系统同时使用。如某些场合，使用蓝牙系统至关重要，则禁止使用Wi-Fi系统以防干扰，反之亦然。这种处理方法过于简单、极端，加之两种系统经常互为补充使用，所以不能推广。对于个人用户情况，适度地使用两种系统可以减少干扰，如偶尔地短时使用蓝牙系统(如PDA与台式计算机之间日常同步操作)。但是，随着两种系统在办公环境使用人数不断增加，个人适度使用两种系统需要高度自觉性，很难有效克服干扰。
（三）技术方法
从技术角度看，目前已研究提出的克服干扰实现共存机制，根据两系统是否能实现交换信息而分为合作方式(collaborative coexistence)与非合作方式(noncollaborative coexistence)两类。合作方式主要包括META（MAC Enhanced Temporal Algorithm）
方法和TDMA(Time Division Multiple Access)方法。其基本原理是：802.11b与蓝牙处于同一装置内，通过一个工作在MAC层的中央控制器实现信息交换，并通过精确安排两系统分组传输时间来避免冲突，从而克服干扰，实现共存。合作方式几乎能达到完全消除干扰，但是对于两系统要求条件较高，大部分应用情况难以满足。主要方式有：MAC层实施的非合作方式、时序算法和速率缩放技术以及其它实现共存技术。
（四）更改频段
解决共存问题还可以采用5GHz WLAN标准如802.11a或者HiperLan2。目前关于5GHzWLAN的主要研究结果如下：
其一：5.3GHz电波传播路径损耗相对2.4GHz增加6.9dB，覆盖相同距离需要增加发射功率4倍；5GHz射频功率放大器更加昂贵，因此通常802.11a系统或者覆盖较小范围(不增加成本)，或者增加成本弥补损失的覆盖范围，甚至增加了成本也只能覆盖较小范围。
其二：5.3 GkIz电波穿透性能较差，路径损耗更大，覆盖相同范围需要增加发射功率。
其三：目前在欧洲允许使用HiperLan2而不允许使用802.11a，实际上，两系统物理层功能相似，只是MAC层不同。IEEE 802.11h正努力在IEEE802.11a/b的MAC层增加TPC(传输功率控制)功能，以使IEEE 802.11a/b WLAN满足ETSI要求。
其四：FCC法规没有禁止其他系统使用5GHz频段，如PAN系统以及微波炉等，因此，除了IEEE802.11a与HL2(HiperLan2)产生共存问题外，还将引起新的共存问题。
其五：802.11a与HiperLan2系统均使用具有抗多径性能的正交频分复用(OFDM)调制技术。与相移键控(PSK)调制(802.11b系统使用)相比，OFDM具有较大峰均功率比，需要射频功率放大器(系统最昂贵部件之一)适应大范围功率变化，这将增加功耗及成本，除非能缩短收发距离，减少发射功率。
其六：由于介电常数等原因，在传统印刷电路板上很难制作5GHz系统，需要成本更高的材料。虽然存在上述因素，由于5GHz WLAN技术具有更高传输速率(55Mbps)，可以极大地增加系统容量，正在引起更多关注。
三、结束语
蓝牙与Wi-Fi实现共存并最终实现互操作是人们努力追求的目标。这两种技术各自都在迅速发展，其产品不断提供更多方便，携带更容易．越来越多应用需要两种技术标准近距离相处(甚至共处于同一系统中)并同时使用。如果不能有效克服两种技术之间相互干扰，系统性能将受到严重影响。只有不断研究出实现共存的有效解决方案，才能满足市场上越来越多地使Wi-Fi与蓝牙近距离工作的需要。
参考文献：
[1]彭菊红，消除蓝牙与WLAN系统共存干扰技术的研究与分析[M]．计算机工程与应用，2005[22]150－152.
[2]樊晓东，浅析IEEE802[1].11与蓝牙关键技术及其共存问题[M]．现代科学仪器2005[5]44－47.
[3]朱刚、谈振辉，蓝牙与802．11b的干扰与共存问题[M]．北方交通大学学报，2004年4月第28卷第2期.
[4]朱刚、谈振辉，周贤伟编著．蓝牙技术原理与协议[M]．北京：北方交通大学．清华大学出版社，2002.