藍牙與802.11b之間相互干擾問(wèn)題的解決

　　藍牙標準為了滿(mǎn)足不同的應用需要，定義了不同類(lèi)型信息包。信息包包括話(huà)音包和數據包。其中數據包長(cháng)度分為一個(gè)時(shí)隙、三個(gè)時(shí)隙和五個(gè)時(shí)隙三種類(lèi)型。一般來(lái)講，如果藍牙自適應層能夠基于應用的需要和無(wú)線(xiàn)信道情況，選擇不同類(lèi)型數據包進(jìn)行傳輸，則可以達到最佳傳輸效果。目前已經(jīng)研究了根據不同應用選擇不同類(lèi)型的包[4]。此外，也研究了根據無(wú)線(xiàn)信道的狀況（主要基于誤碼率或者丟包率等評估手段）選擇不同類(lèi)型的包[5，6]，信道傳輸質(zhì)量較差時(shí)選擇短包傳輸，以減小信道同頻干擾對信息傳輸的影響，信道傳輸質(zhì)量較好時(shí)，選擇長(cháng)包傳輸，以提高傳輸效率，增加網(wǎng)絡(luò )的吞吐量。但是，這種通過(guò)選擇不同長(cháng)度類(lèi)型傳輸分組克服相互干擾方法，沒(méi)有從根本上解決引起干擾的碰撞問(wèn)題，效果不明顯。這種包選擇機制并不能完全消除干擾。因此，本文提出自適應包選擇延遲發(fā)送方法。藍牙單元在一段時(shí)間內對信道進(jìn)行評估，然后根據信道質(zhì)量好壞自適應地選擇發(fā)送時(shí)間和包的大小，從而最大程度地避免了碰撞，理論上能夠消除干擾影響。該方法適用于A(yíng)CL鏈路（就是說(shuō)藍牙主從單元之間沒(méi)有語(yǔ)音的傳輸）。自適應包選擇延遲發(fā)送方法主要由兩部分功能塊組成：（1）信道評估，（2）自適應包選擇延遲發(fā)送機制。

　　2.1　信道評估

　　以往的研究工作[7]表明，對于很多減小干擾影響的機制來(lái)說(shuō)，信道評估都是必不可少的一部分（比如說(shuō)自適應跳頻）。我們將根據藍牙發(fā)送單元的丟包率對信道進(jìn)行評估。發(fā)送單元的丟包率在接收單元端計算，并且與跳頻點(diǎn)有關(guān)。因此，定義跳頻點(diǎn)相關(guān)的丟包率Fi-packet loss（其中0≤i≤78）計算公式為：

　　其中，Fi-number of lost packet為一段時(shí)間內（channel-state-update-ininterval）在該跳頻點(diǎn)上傳輸信息時(shí)丟掉的包數，Fi-number of received packet為成功接收的包數。設定丟包率門(mén)限值為gpacket loss gate。當丟包率大于門(mén)限時(shí)，認為信道是不良信道，否則，認定為良好信道，由此可以得出信道狀態(tài)表如下：

　　其中Mast-F0～Mast-F78表示藍牙主單元信道，Mast-State[0]～Mast-State[78]表示主單元信道對應狀態(tài)；Slave-F0～Slave-F78表示藍牙從單元信道，Slave-State[0]～Slave-State[78]表示從單元信道對應狀態(tài)。

　　藍牙的數據傳輸是由主單元控制，因此，從單元必須將主單元的最新信道狀態(tài)表通知主單元。為此，我們定義一個(gè)新的LMP（鏈路管理協(xié)議）PDU，用以攜帶主單元信道狀態(tài)。從單元每隔一定時(shí)間（channel-state-update-ininterval）計算一次丟包率、刷新信道狀態(tài)表并通過(guò)上述PDU發(fā)送到主單元。

　　2.2　自適應包選擇延遲發(fā)送機制

　　藍牙物理信道是一個(gè)時(shí)分雙工的跳頻信道，信道之間以彼此近似正交的跳頻序列區分。信道使用偽隨機跳頻序列表示，頻率在79個(gè)射頻信道中隨機跳變。每個(gè)微網(wǎng)使用唯一信道跳頻序列，它是根據主單元藍牙設備地址確定。信道以時(shí)隙為單位傳輸信息，在一個(gè)時(shí)隙（單時(shí)隙分組情況）或多個(gè)時(shí)隙（多時(shí)隙分組情況）內采用一個(gè)射頻跳頻點(diǎn)傳輸信息。頻率跳變速度是1600跳/s。一個(gè)時(shí)隙的長(cháng)度為625微秒。在時(shí)隙中主單元和從單元以時(shí)分復用方式，交替傳輸分組。主單元在偶數時(shí)隙開(kāi)始傳輸分組，從單元僅在奇數時(shí)隙開(kāi)始傳輸分組。一個(gè)分組傳輸時(shí)間可以占用一個(gè)時(shí)隙、三個(gè)時(shí)隙或五個(gè)時(shí)隙。傳輸某個(gè)分組期間，跳頻保持不變。對于傳輸單時(shí)隙分組，使用的跳頻由當前藍牙時(shí)鐘值導出。對于傳輸多時(shí)隙分組，跳頻根據傳輸首時(shí)隙時(shí)鐘值導出。傳輸多時(shí)隙分組后，傳輸下一分組的跳頻也根據該分組首時(shí)隙時(shí)鐘值確定。根據藍牙標準規定，ACL鏈路可以占用一、三、五時(shí)隙傳輸數據，但是，目前在實(shí)際使用過(guò)程中，占用時(shí)隙方式是固定的。我們提出的這一個(gè)算法就是在滿(mǎn)足上面這個(gè)條件的基礎上，根據信道的情況采用延遲發(fā)送機制。具體如下：

　　（1）單時(shí)隙包處理機制

　　在發(fā)送該單時(shí)隙包之前，主單元先查看一下由信道評估機制產(chǎn)生的master/slave的信道狀態(tài)表。在圖1中，如果?1和?2只要有一個(gè)是不良信道，那么主單元就延遲到下一個(gè)偶數時(shí)隙來(lái)接著(zhù)判斷是否可以發(fā)送。只有?1、?2全是優(yōu)良信道，該數據包才能存該時(shí)刻發(fā)送。

　　（2）三時(shí)隙數據包處理機制

　　在發(fā)送這個(gè)三時(shí)隙包之前，主單元先檢查?k和?k+3是否都是優(yōu)良信道，只有這兩個(gè)頻率都是優(yōu)良信道，這個(gè)包才允許發(fā)送；如果?k是不良信道，這個(gè)三時(shí)隙的數據包就延遲到?k+2進(jìn)行發(fā)送，在發(fā)送之前也要經(jīng)過(guò)這樣的判決；如果?k是優(yōu)良信道，?k+3是不良信道，那么首先判斷?k+1是不是優(yōu)良信道，如果是，那么將數據封裝成單時(shí)隙的數據包進(jìn)行發(fā)送，如果不是，那么就延遲到?k+2進(jìn)行發(fā)送判決。

　　（3）五時(shí)隙數據包處理機制

　　五時(shí)隙包也采用近似的機制，如果?k和?k+5都是優(yōu)良信道，這個(gè)包允許發(fā)送；如果?k是不良信道，這個(gè)五時(shí)隙的數據包就延遲到?k+2進(jìn)行發(fā)送判決；如果?k是優(yōu)良信道，?k+5是不良信道，那么首先判斷?k+3是不是優(yōu)良信道，如果是，那么將數據封裝成三時(shí)隙的數據包進(jìn)行發(fā)送，如果不是，那么就判斷?k+1是否是優(yōu)良信道，如果是，那么封裝成單時(shí)隙包進(jìn)行發(fā)送，如果?k+1和?k+3同樣也為不良信道，那么就延遲到?k+2進(jìn)行上面這種判決機制。如圖2是此機制的算法流程圖。

　　2.3　方法比較

　　以往的OLA方法[3]由于802.11b系統總是在22MHz頻段內通信，所以假定藍牙系統能夠通過(guò)檢測識別出802.11b系統占用頻段。如果某一時(shí)刻藍牙主單元準備以跳頻點(diǎn)?2n發(fā)送k（k=1、3、5）時(shí)隙分組并發(fā)現?2n+k將落入802.11系統22MHz頻段內，則改以k’時(shí)隙（k’=1、3、5，k’≠k）分組發(fā)送，使接收頻點(diǎn)成為?2n+k’，避免發(fā)生頻率沖突；如果某一時(shí)刻藍牙主單元將以跳頻點(diǎn)?2n、?2n+m（m=2、4、6）連續發(fā)送分組并發(fā)現?2n+m。將落入802.11系統22MHz頻段內，則要求應答從單元發(fā)送（m’-1）時(shí)隙（m’=2、4、6，m’≠m）分組，使主單元下一個(gè)發(fā)送頻點(diǎn)改為?2n+m’，避免頻率沖突。如果所有可供選擇的分組對應傳輸頻點(diǎn)均無(wú)法避免頻率沖突，則暫不發(fā)送，等待其余恰當跳頻點(diǎn)。由此可看出自適應包選擇延遲發(fā)送方法相對于此OLA方法的優(yōu)點(diǎn)：（1）此OLA方法沒(méi)有考慮當前藍牙主單元發(fā)送頻點(diǎn)的信道情況，而自適應包選擇延遲發(fā)送方法考慮了，這樣會(huì )進(jìn)一步減小干擾；（2）自適應包選擇延遲發(fā)送方法沒(méi)有使用時(shí)隙覆蓋，節省功率。

3、仿真分析

　　3.1　仿真參數設定

　　我們使用一個(gè)4節點(diǎn)的拓撲：包括兩個(gè)藍牙節點(diǎn)（1個(gè)master和1個(gè)slave），兩個(gè)802.11b設備（1個(gè)AP和1個(gè)移動(dòng)節點(diǎn)）。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)AP與藍牙節點(diǎn)在距離兩米的范圍內。我們設定802.11b采用CCK調制方式，速率為11Mbit/s，移動(dòng)節點(diǎn)向AP發(fā)送數據，AP只是發(fā)送ACK消息。802.11b的包長(cháng)設定為8000bits，包與包之間的間隔服從指數分布，均值為1.86ms。藍牙設定MAC層接收的上層消息長(cháng)度為500bits，消息間隔時(shí)間滿(mǎn)足指數分布，均值為O.92ms。藍牙和802.11b的發(fā)射功率分別為1mW和25mW。

　　3.2　結果與分析

　　通過(guò)仿真，我們來(lái)看一下采用自適應包選擇延遲發(fā)送機制與不采用此機制對丟包率、網(wǎng)絡(luò )通過(guò)率以及網(wǎng)絡(luò )時(shí)延的影響。

　　圖3～圖5給出了使用和不使用此機制時(shí)WLAN、藍牙主單元、藍牙從單元的丟包率。我們定義此處的丟包率Ppacket loss為從傳輸數據開(kāi)始到現在時(shí)間內丟掉的包數nnumber of lost packet除以丟掉的包數nnumber of lost packet與成功接收的包數nnumber of received packet之和，即：

　　從圖3～圖5中可發(fā)現使用此機制使丟包率明顯減小。實(shí)際上，在對信道進(jìn)行一段時(shí)間的評估之后，各單元幾乎不再丟包，即nnumber of lost packet不再明顯增長(cháng)，而相反nnumber of received packet在逐漸增長(cháng)，故曲線(xiàn)急劇下降，直至丟包率接近為零。我們來(lái)看一下此機制對于提高wlan的網(wǎng)絡(luò )吞吐量的影響，如圖6所示，從圖中看出使用此機制比不使用此機制wlan的網(wǎng)絡(luò )通過(guò)率約提高了30%。此機制對網(wǎng)絡(luò )時(shí)延的影響如圖7，從圖中可看出使用此機制并沒(méi)有使時(shí)延明顯增大。

4、結語(yǔ)

　　總體來(lái)說(shuō)，該機制在減小丟包率和提高網(wǎng)絡(luò )吞吐量方面非常有效，此機制并沒(méi)有使網(wǎng)絡(luò )時(shí)延明顯增大，另外還有一個(gè)好處就是當信道不良時(shí)不發(fā)送信號能夠節省發(fā)射功率。最重要的就是我們消除了藍牙和802.11b之間的干擾。該機制的不足之處是針對ACL鏈路，對于SCO鏈路還需要進(jìn)一步的研究。