藍牙與802.11b干擾問題的解決

摘要　本文提出一種自適應包選擇延遲發(fā)送方法，解決藍牙與802.11b的干擾問題。這種方法屬于非協(xié)作共存技術范疇，其原理為：藍牙單元根據(jù)信道質(zhì)量的不同，選擇不同長度的分組和發(fā)送時間，以躲避沖突，避免同頻干擾。仿真結(jié)果說明，此機制使藍牙與802.11b的丟包率降低到接近零，使802.11b數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡通過率提高了近30%。

關鍵詞　自適應包選擇延遲發(fā)送　藍牙　802.11b　干擾　共存機制

1、引言

　　目前，已研究提出的克服藍牙與802.11b干擾，實現(xiàn)共存的機制，根據(jù)兩系統(tǒng)是否能夠交換信息而分為合作方式（collaborative coexistence）與非合作方式（noncollaborative coexistence）兩類，其中包括：法規(guī)和標準、使用方式、技術方法等方面。就技術方法而言，現(xiàn)在較受關注的有兩種，都屬于非合作共存方式，一種是自適應跳頻（AFH：Adaptive Frequency Hopping）[1，2]，此方法受到法規(guī)、接收靈敏度等限制，且只適用于未來使用新標準后生產(chǎn)的藍牙設備，仍然無法解決目前藍牙設備和802.11b之間的干擾問題；另一種方法在假定可以通過其他技術檢測干擾規(guī)律基礎上，通過流量調(diào)度，“減少因使用相同頻率同時發(fā)送分組而引起的碰撞”（OLA：OverLap Avoidance），降低同頻干擾[3]，取得較好效果，成為比較典型的方法。這種方法屬于MAC層技術，而MAC層技術包含硬件和軟件，解決干擾問題代價相對較小。本文提出自適應包選擇延遲發(fā)送機制。此機制屬于OLA方法，但與以往提出的躲避分組碰撞的方法有區(qū)別。此機制解決藍牙ACL鏈路與802.11b的干擾問題更有效，且易于實現(xiàn)。

2、自適應包選擇延遲發(fā)送方法

　　藍牙標準為了滿足不同的應用需要，定義了不同類型信息包。信息包包括話音包和數(shù)據(jù)包。其中數(shù)據(jù)包長度分為一個時隙、三個時隙和五個時隙三種類型。一般來講，如果藍牙自適應層能夠基于應用的需要和無線信道情況，選擇不同類型數(shù)據(jù)包進行傳輸，則可以達到最佳傳輸效果。目前已經(jīng)研究了根據(jù)不同應用選擇不同類型的包[4]。此外，也研究了根據(jù)無線信道的狀況（主要基于誤碼率或者丟包率等評估手段）選擇不同類型的包[5，6]，信道傳輸質(zhì)量較差時選擇短包傳輸，以減小信道同頻干擾對信息傳輸?shù)挠绊懀�信道傳輸質(zhì)量較好時，選擇長包傳輸，以提高傳輸效率，增加網(wǎng)絡的吞吐量。但是，這種通過選擇不同長度類型傳輸分組克服相互干擾方法，沒有從根本上解決引起干擾的碰撞問題，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。藍牙單元在一段時間內(nèi)對信道進行評估，然后根據(jù)信道質(zhì)量好壞自適應地選擇發(fā)送時間和包的大小，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ACL鏈路（就是說藍牙主從單元之間沒有語音的傳輸）。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說，信道評估都是必不可少的一部分（比如說自適應跳頻）。我們將根據(jù)藍牙發(fā)送單元的丟包率對信道進行評估。發(fā)送單元的丟包率在接收單元端計算，并且與跳頻點有關。因此，定義跳頻點相關的丟包率Fi-packet loss（其中0≤i≤78）計算公式為：


　　　（1）

　　其中，F(xiàn)i-number of lost packet為一段時間內(nèi)（channel-state-update-ininterval）在該跳頻點上傳輸信息時丟掉的包數(shù)，F(xiàn)i-number of received packet為成功接收的包數(shù)。設定丟包率門限值為gpacket loss gate。當丟包率大于門限時，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：

表1　主單元信道狀態(tài)


表2　從單元信道狀態(tài)


　　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(shù)據(jù)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)。從單元每隔一定時間（channel-state-update-ininterval）計算一次丟包率、刷新信道狀態(tài)表并通過上述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時分雙工的跳頻信道，信道之間以彼此近似正交的跳頻序列區(qū)分。信道使用偽隨機跳頻序列表示，頻率在79個射頻信道中隨機跳變。每個微網(wǎng)使用唯一信道跳頻序列，它是根據(jù)主單元藍牙設備地址確定。信道以時隙為單位傳輸信息，在一個時隙（單時隙分組情況）或多個時隙（多時隙分組情況）內(nèi)采用一個射頻跳頻點傳輸信息。頻率跳變速度是1600跳/s。一個時隙的長度為625微秒。在時隙中主單元和從單元以時分復用方式，交替?zhèn)鬏敺纸M。主單元在偶數(shù)時隙開始傳輸分組，從單元僅在奇數(shù)時隙開始傳輸分組。一個分組傳輸時間可以占用一個時隙、三個時隙或五個時隙。傳輸某個分組期間，跳頻保持不變。對于傳輸單時隙分組，使用的跳頻由當前藍牙時鐘值導出。對于傳輸多時隙分組，跳頻根據(jù)傳輸首時隙時鐘值導出。傳輸多時隙分組后，傳輸下一分組的跳頻也根據(jù)該分組首時隙時鐘值確定。根據(jù)藍牙標準規(guī)定，ACL鏈路可以占用一、三、五時隙傳輸數(shù)據(jù)，但是，目前在實際使用過程中，占用時隙方式是固定的。我們提出的這一個算法就是在滿足上面這個條件的基礎上，根據(jù)信道的情況采用延遲發(fā)送機制。具體如下：

　　（1）單時隙包處理機制

　　在發(fā)送該單時隙包之前，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ƒ1和ƒ2只要有一個是不良信道，那么主單元就延遲到下一個偶數(shù)時隙來接著判斷是否可以發(fā)送。只有ƒ1、ƒ2全是優(yōu)良信道，該數(shù)據(jù)包才能存該時刻發(fā)送。


圖1　時隙與信道

　�。�2）三時隙數(shù)據(jù)包處理機制

　　在發(fā)送這個三時隙包之前，主單元先檢查ƒk和ƒk+3是否都是優(yōu)良信道，只有這兩個頻率都是優(yōu)良信道，這個包才允許發(fā)送；如果ƒk是不良信道，這個三時隙的數(shù)據(jù)包就延遲到ƒk+2進行發(fā)送，在發(fā)送之前也要經(jīng)過這樣的判決；如果ƒk是優(yōu)良信道，ƒk+3是不良信道，那么首先判斷ƒk+1是不是優(yōu)良信道，如果是，那么將數(shù)據(jù)封裝成單時隙的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送，如果不是，那么就延遲到ƒk+2進行發(fā)送判決。

　�。�3）五時隙數(shù)據(jù)包處理機制

　　五時隙包也采用近似的機制，如果ƒk和ƒk+5都是優(yōu)良信道，這個包允許發(fā)送；如果ƒk是不良信道，這個五時隙的數(shù)據(jù)包就延遲到ƒk+2進行發(fā)送判決；如果ƒk是優(yōu)良信道，ƒk+5是不良信道，那么首先判斷ƒk+3是不是優(yōu)良信道，如果是，那么將數(shù)據(jù)封裝成三時隙的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送，如果不是，那么就判斷ƒk+1是否是優(yōu)良信道，如果是，那么封裝成單時隙包進行發(fā)送，如果ƒk+1和ƒk+3同樣也為不良信道，那么就延遲到ƒk+2進行上面這種判決機制。如圖2是此機制的算法流程圖。


圖2　算法流程圖

　　2.3　方法比較

　　以往的OLA方法[3]由于802.11b系統(tǒng)總是在22MHz頻段內(nèi)通信，所以假定藍牙系統(tǒng)能夠通過檢測識別出802.11b系統(tǒng)占用頻段。如果某一時刻藍牙主單元準備以跳頻點ƒ2n發(fā)送k（k=1、3、5）時隙分組并發(fā)現(xiàn)ƒ2n+k將落入802.11系統(tǒng)22MHz頻段內(nèi)，則改以k’時隙（k’=1、3、5，k’≠k）分組發(fā)送，使接收頻點成為ƒ2n+k’，避免發(fā)生頻率沖突；如果某一時刻藍牙主單元將以跳頻點ƒ2n、ƒ2n+m（m=2、4、6）連續(xù)發(fā)送分組并發(fā)現(xiàn)ƒ2n+m。將落入802.11系統(tǒng)22MHz頻段內(nèi)，則要求應答從單元發(fā)送（m’-1）時隙（m’=2、4、6，m’≠m）分組，使主單元下一個發(fā)送頻點改為ƒ2n+m’，避免頻率沖突。如果所有可供選擇的分組對應傳輸頻點均無法避免頻率沖突，則暫不發(fā)送，等待其余恰當跳頻點。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：（1）此OLA方法沒有考慮當前藍牙主單元發(fā)送頻點的信道情況，而自適應包選擇延遲發(fā)送方法考慮了，這樣會進一步減小干擾；（2）自適應包選擇延遲發(fā)送方法沒有使用時隙覆蓋，節(jié)省功率。

3、仿真分析

　　3.1　仿真參數(shù)設定

　　我們使用一個4節(jié)點的拓撲：包括兩個藍牙節(jié)點（1個master和1個slave），兩個802.11b設備（1個AP和1個移動節(jié)點）。無線局域網(wǎng)AP與藍牙節(jié)點在距離兩米的范圍內(nèi)。我們設定802.11b采用CCK調(diào)制方式，速率為11Mbit/s，移動節(jié)點向AP發(fā)送數(shù)據(jù)，AP只是發(fā)送ACK消息。802.11b的包長設定為8000bits，包與包之間的間隔服從指數(shù)分布，均值為1.86ms。藍牙設定MAC層接收的上層消息長度為500bits，消息間隔時間滿足指數(shù)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(jié)果與分析

　　通過仿真，我們來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)絡通過率以及網(wǎng)絡時延的影響。

　　圖3～圖5給出了使用和不使用此機制時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(shù)據(jù)開始到現(xiàn)在時間內(nèi)丟掉的包數(shù)nnumber of lost packet除以丟掉的包數(shù)nnumber of lost packet與成功接收的包數(shù)nnumber of received packet之和，即：


　　　（2）

　　從圖3～圖5中可發(fā)現(xiàn)使用此機制使丟包率明顯減小。實際上，在對信道進行一段時間的評估之后，各單元幾乎不再丟包，即nnumber of lost packet不再明顯增長，而相反nnumber of received packet在逐漸增長，故曲線急劇下降，直至丟包率接近為零。我們來看一下此機制對于提高wlan的網(wǎng)絡吞吐量的影響，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)絡通過率約提高了30%。此機制對網(wǎng)絡時延的影響如圖7，從圖中可看出使用此機制并沒有使時延明顯增大。


圖3　無線局域網(wǎng)丟包率


圖4　藍牙主單元丟包率


圖5　藍牙從單元丟包率


圖6　無線局域網(wǎng)吞吐量


圖7　藍牙網(wǎng)絡時延

4、結(jié)語

　　總體來說，該機制在減小丟包率和提高網(wǎng)絡吞吐量方面非常有效，此機制并沒有使網(wǎng)絡時延明顯增大，另外還有一個好處就是當信道不良時不發(fā)送信號能夠節(jié)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鏈路還需要進一步的研究。

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