藍牙和Wi-Fi共存在智能手機上的兩種解決方法對比

　　1 引言

　　設計同時(shí)包含Wi-Fi和藍牙功能的消費類(lèi)電子產(chǎn)品會(huì )遇到很多問(wèn)題，特別是在要求同時(shí)工作模式的情況下。藍牙和802.11b/gWLAN系統工作在2.4GHz頻段，這兩種技術(shù)都用到了可用頻譜的重要部分（見(jiàn)圖1）。

　　當WLAN設備和藍牙設備靠得很近并試圖同時(shí)收發(fā)無(wú)線(xiàn)信號時(shí)就會(huì )發(fā)生干擾。這兩種技術(shù)采用不同的方法進(jìn)行信號傳送：載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)（CSMA）和跳頻擴頻。前者用于802.11b/g收發(fā)器，它在發(fā)送信號前會(huì )偵聽(tīng)空閑信道。所發(fā)送的信號帶寬大約20MHz，將占用間距為25MHz、最多3個(gè)非重疊信道中的一個(gè)進(jìn)行傳輸。

　　而藍牙則采用跳頻擴頻技術(shù)在79個(gè)帶寬為1MHz的信道間以每秒1,600跳的速率跳躍選頻，在每個(gè)跳頻點(diǎn)發(fā)送較短的時(shí)分復用數據包。當一個(gè)設備發(fā)起連接并成為該子網(wǎng)的主設備時(shí)，藍牙連接就成功建立了。如果知道目標地址，設備就直接發(fā)送頁(yè)面消息。如果目標地址未知，會(huì )先發(fā)送一個(gè)查詢(xún)消息，跟著(zhù)再發(fā)頁(yè)面消息。一旦兩個(gè)設備同步上以后，這兩個(gè)具備藍牙功能的設備就處于連接狀態(tài)，并且每個(gè)設備會(huì )設定一個(gè)唯一的MAC）地址。通過(guò)簡(jiǎn)單的計算可以證實(shí)，藍牙發(fā)射器輸出的信號與802.11b/g信號在大約25%的時(shí)間內會(huì )有沖突。

　　這種共同信道干擾效應與信號的相對強度與數據包的發(fā)送長(cháng)度和占空比密切相關(guān)。針對這種干擾現象所做的各種分析和仿真試驗表明，干擾會(huì )嚴重影響其中一種或兩種信號。相關(guān)標準提供了不同信號設計方法——802.11b使用的直接序列擴展頻譜（DSSS）、802.11g使用的正交頻分復用（OFDM）及藍牙使用的跳頻所導致的干擾反彈程度。這些標準還使用基于數據包重傳和數據速率降低的協(xié)議。然而，這些對策會(huì )極大地降低數據吞吐量，從而嚴重影響一些設備的性能。例如藍牙音頻傳送或WLAN上的VoIP，數據包差錯率只要超過(guò)幾個(gè)百分點(diǎn)就會(huì )導致無(wú)法忍受的音頻時(shí)延甚至通話(huà)中斷。下面提出了解決共存干擾的的兩種方法——AFH（自適應跳頻）和AFH與三線(xiàn)共存（時(shí)分復用）結合使用的技術(shù)。

　　2 AFH（自適應跳頻）技術(shù)介紹及試驗結果

　　AFH技術(shù)是對原始藍牙跳頻序列的一種改進(jìn)，它允許藍牙設備縮減跳頻點(diǎn)的數量，其基本原理是通過(guò)分辨出ISM頻段中優(yōu)良和惡化的信道，從而避兔使用惡化信道，減少受干擾的程度。當藍牙微微網(wǎng)進(jìn)入AFH狀態(tài)后，其跳頻序列可使用的跳頻點(diǎn)N的數量是動(dòng)態(tài)變化的，其最大值不超過(guò)79。AFH只用于連接狀態(tài)，而不會(huì )改變尋呼、查詢(xún)等狀態(tài)時(shí)的跳頻序列。

　　自適應跳頻選擇機制的實(shí)現是基于原79跳系統（Bluetooth1.2協(xié)議中規定不再使用23跳系統）的頻率選擇核心，在其基礎上增加了AFH_mode和AFH_channel_map兩個(gè)參數。

　　AFH_mode指出當前選頻核心是否可以使用自適應跳頻序列；AFH_channel_map中指明哪些信道是可用的，哪些信道是不可用的。首先，原選頻核心生成一個(gè)信道，如果這個(gè)信道是AFH_channel_map中定義的可用信道，則不作任何調整，直接作為跳頻序列的輸出；如果此信道包含在不可用信道中，則通過(guò)重定位函數將其映射成一個(gè)可用的信道。這種映射關(guān)系是一一對應的，就是說(shuō)，如果給定了藍牙地址、時(shí)鐘以及AFH_channel_map，一個(gè)不可用的射頻信道將被唯一地轉換為一可用信道，這樣保證了在同一微微網(wǎng)中使用AFH機制的主從設備能夠保持跳頻序列的同步。

　　在這種實(shí)現機制下，非自適應的79跳系統的跳頻序列等于將全部信適設為可用的AFH選頻核心產(chǎn)生的頻率序列，這一屬性使得可以方便地與原非AFH設備保持兼容。

　　AFH技術(shù)的另一點(diǎn)改變是：在原跳頻系統中，主從節點(diǎn)分別采用不同的頻率發(fā)送數據；當處于A(yíng)FH狀態(tài)時(shí)，在一次主從對話(huà)期間，從節點(diǎn)使用與主節點(diǎn)相同的射頻信道向主節點(diǎn)響應數據包，這被稱(chēng)作AFH的相同信道機制。使用相同信道機制主要是由于在網(wǎng)中存在干擾的情況下，減少跳頻可以防止從節點(diǎn)在發(fā)送響應分組時(shí)跳到可能發(fā)生沖突的信道上，保證至少在一次主從對話(huà)的過(guò)程中數據不易受到干擾，達到提高吞吐率的目的。

　　不幸的是，諸如AFH等技術(shù)是專(zhuān)門(mén)為2.4GHz設備設計用于檢測和避免干擾的，還不足以實(shí)現藍牙與WLAN的共存。當藍牙與802.11設備共存于同一設計中時(shí)作為獨立技術(shù)的AFH是遠遠不夠的，這主要是因為WLAN設備必須提供較高的輸出功率才能支持長(cháng)距離、高數據速率、可靠的互聯(lián)網(wǎng)、語(yǔ)音、數據和視頻傳輸。圖2給出了手機在同時(shí)使用藍牙和Wi-Fi時(shí)的仿真圖，此時(shí)Wi-Fi正在進(jìn)行數據傳輸，藍牙耳機正在接聽(tīng)由小靈通打進(jìn)的電話(huà)。

　　單獨使用AFH技術(shù)，結果使得Wi-Fi吞吐量下降20%左右，小靈通接聽(tīng)雜音大。由此可以看出手機的WIFI發(fā)送會(huì )干擾到手機藍牙的接收。
3 AFH技術(shù)與三線(xiàn)共存（時(shí)分復用）技術(shù)結合解決干擾問(wèn)題

　　AFH技術(shù)在上面已經(jīng)介紹過(guò)了，單獨使用AFH技術(shù)使用藍牙耳機的通話(huà)效果不是很好，為了解決這種問(wèn)題，在使用AFH技術(shù)的基礎上又使用了三線(xiàn)共存（時(shí)分復用）技術(shù)。三線(xiàn)共存，顧名思義，就是使用三根線(xiàn)連接Wi-Fi和藍牙，下面結合圖3中Wi-Fi和藍牙所示的三線(xiàn)連接圖來(lái)描述一下三線(xiàn)共存的機制，其中主處理器使用的是TI公司的OMAP1621芯片。

　　由圖3可以看出，三線(xiàn)連接由RF_ACTIVE，BT_STATE,WLAN_ACTIVE三根信號線(xiàn)組成。RF_ACTIVE是從藍牙設備向Wi—Fi設備發(fā)送的信號線(xiàn)，它通知Wi—Fi設備此時(shí)藍牙設備正在工作，RF_ACTIVE在整個(gè)藍牙的發(fā)送與接收過(guò)程中都是有效的。由于硬件的需要，它必須連接到PIO7且不能改變。

　　BT_STATE也是由藍牙設備向Wi—Fi設備發(fā)送的信號線(xiàn)，它通知Wi—Fi設備此時(shí)藍牙是處于發(fā)送狀態(tài)還是接收狀態(tài)。由于硬件的需要，此信號線(xiàn)必須連接到藍牙的PIO5管腳。

　　WLAN_ACTIVE是由Wi—Fi設備向藍牙發(fā)送的信號線(xiàn)，它用來(lái)通知藍牙Wi—Fi設備將要發(fā)送或接收數據，下一個(gè)藍牙的操作應該被取消。這根信號線(xiàn)默認連接到PIO9。

　　此種類(lèi)型的三線(xiàn)連接一般只能用于BlueCore4以及更高的藍牙核上。

　　這里的三線(xiàn)共存實(shí)質(zhì)上使用的是時(shí)分共存技術(shù)，當Wi—Fi設備將要發(fā)送或者接收數據的時(shí)候下一個(gè)藍牙任務(wù)動(dòng)作將會(huì )被取消。藍牙任務(wù)在這里一般分為高優(yōu)先級和低優(yōu)先級兩種，當高優(yōu)先級任務(wù)工作的時(shí)候，如果此時(shí)Wi—Fi也在工作，這時(shí)候Wi—Fi任務(wù)將會(huì )被取消，當藍牙執行低優(yōu)先級任務(wù)的時(shí)候，如果有Wi—Fi也在工作，這時(shí)候藍牙任務(wù)應該被取消。

　　使用AFH和三線(xiàn)共存兩種技術(shù)很好的解決了藍牙耳機通話(huà)的語(yǔ)音質(zhì)量問(wèn)題，而且Wi—Fi傳輸數據的效果也比較好。圖4就是在同時(shí)使用這兩種技術(shù)的情況下對藍牙和Wi—Fi測試的仿真圖。

　　4 結語(yǔ)

　　本文詳細介紹了AFH技術(shù)和AFH技術(shù)與三線(xiàn)共存技術(shù)結合使用來(lái)解決智能手機上的藍牙與Wi-Fi共存問(wèn)題，通過(guò)試驗結果得出了兩種解決方法的效果，使用AFH技術(shù)和三線(xiàn)共存技術(shù)可以更好的解決藍牙與Wi-Fi的共存問(wèn)題。相信以后這種解決方案在同時(shí)擁有這兩種無(wú)線(xiàn)的其他的終端上也會(huì )越來(lái)越多的得到應用。