發布日期：2022-07-14 點擊率：37
恩智浦半導體公司(NXP)的測試和分析表明,在辦公室環境中,覆蓋范圍會減小到其基線距離(即藍牙功能未激活時)的20%。
對于終端用戶的體驗而言,如果WLAN基站是一臺能在WLAN或熱點可用的情況下切換到WLAN的雙模手機,這一問題尤其突出。由于這個問題只有在藍牙功能激活時才出現,因此消費者將會敏銳地感到手機性能不穩定,并且在很多情況下不令人滿意。
就距離或范圍而言,需要考慮三個數值:在藍牙功能未激活時,系統靈敏度一般在-95dBm范圍內,輸出功率在15-20dBm范圍內；當藍牙和WLAN配合使用出現問題時,系統靈敏度降低到-65dBm；當采用調節機制時(如恩智浦半導體發明并實現的藍牙與WLAN芯片方案),系統靈敏度可保持在-85dBm。
對于不同應用,實際的覆蓋范圍會有很大不同,但預計平均可以改善到基線距離的50%左右。
AP速率適配機制
發送藍牙與WLAN信令的固有問題使情況變得更加復雜。這兩種技術均使用相同的 ISM頻段,但由于兩者在應用初期似乎彼此分離、互不相關,因此在它們各自的工程化發展過程中,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據連接,這只是一種無線以太局域網。藍牙最初是用于手機的短距離無線連接。但是,過去幾年來,隨著WLAN熱點的推出,家庭WLAN接入點的強勁發展及其與手機的同步功能(即在大樓中信號覆蓋不佳的地方切換到WLAN),使得WLAN進入了語音傳輸領域。同樣地,單聲道藍牙耳機(mono)被應用于手機,而立體聲藍牙耳機則被用于MP3播放器和iPod。
這些新的應用領域意味著藍牙與WLAN需要近距離工作,而終端用戶的體驗取決于藍牙和WLAN是否能夠同時作用,以及在關鍵的延遲需求下傳輸相同類型的數據。
共存問題的核心是WLAN接入點(AP)速率適配機制,WLAN接入點利用這個機制來維持與智能手機等WLAN站點(具有WLAN功能的設備)的可靠連接。
最好能通過描述藍牙的工作方式來研究這種機制。在語音傳輸模式下,藍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,它具有一種規則的幀結構,即每允許的語音數據交換。該幀結構如圖1所示。這種SCO幀結構是藍牙規格的組成部分,不能被修改或改變。
藍牙技術所需的接收和傳輸間隔,僅給WLAN數據包的接收和傳輸留下了的時間間隙。否則,它們就會與某個藍牙數據包發生沖突并因此而降低靈敏度。
如果AP傳輸的一個幀恰好落入藍牙的Tx周期內,那么它將很可能被正在進行的藍牙傳輸破壞,并且WLAN站點不會給AP發送確認信息。同樣,如果AP傳輸的幀太靠近等待周期(quiet period)的末端,則WLAN站將無法傳送一個確認幀,導致AP會認為該幀沒有正確地被接收。許多AP要通過非確認幀的數量來確定信道的質量。
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,但當存在像藍牙這類脈沖干擾源時,這種方法就不靈了。
藍牙技術產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,后者是藍牙傳輸所產生的非常典型的噪聲。AWGN是大多數環境下的典型噪聲,在這些環境下噪聲是隨機的且基本不發生變化。鑒于當初的工程化假設,WLAN熱點被設計為工作在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:當靈敏度開始下降時,AP與WLAN站都降低各自的數據傳輸速率,以維持它們的數據包誤碼率指標。
每個設備都對其鏈路負責。從AP到WLAN站的鏈路速率適配程度由AP決定。為維持AP與站之間的目標誤碼率(并假設它工作在一個AWGN信道上),AP根據設計工程師為其選定的算法回調數據交換速率。但WLAN幀中的信息量(通常約為1500字節)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實現方案則沒有這種問題,因為它在適配數據速率時考慮了所配備的藍牙功能。
但由于要花更多時間來發送數據,使得WLAN幀更難適應藍牙工作在SCO鏈路模式留下的窗口。事實上,以1、2和 WLAN速率發送的數據包長度過大,至少有一次藍牙傳輸會對它產生影響,并很有可能破壞數據包。
WLAN所允許的最低數據速率為6Mbps,這大約相當于不到-90dBm的靈敏度。共存范圍的問題在于,AP行為與WLAN/藍牙共存配置并不兼容。AP會在想要的時候發送數據包,并且即使數據包是以能適合藍牙傳輸間隔的高速率發送,仍然存在WLAN數據包與藍牙傳輸發生碰撞的某種統計概率。
AP的另外三個特性使得問題更難解決:WLAN站點幾乎不能控制AP；藍牙的共存機制是與站點(STA)通信,而不是與AP；不同制造商的回調機制與算法各不相同。
完整的解決方案
由于在WLAN站點和藍牙設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站點用于控制AP數據傳輸的方法中,有一種是在系統省電模式下。這種模式是為了延長便攜產品的電池使用壽命而創建。換句話說,它可以使站點進入睡眠模式,不用連續監控和響應來自AP的信號。通過使用控制這種省電模式的信令,WLAN站點可以減少與共存藍牙設備發生干擾的可能性。
在正常運行時,AP約每100ms向WLAN站點發送一個信標(beacon),告知WLAN站點:AP中是否有等待提交的數據。信標之間的間隔時間是可變的,通常可在AP中編程設定。正常情況下,當WLAN站點收到一個有待發送數據的信息時,它會要求AP發送數據。顯然,如果WLAN站點首先監聽到藍牙設備的活動,它就可以告知AP每當藍牙功能被激活,WLAN站點就處于睡眠模式。
一旦WLAN站進入省電模式,AP就停止發送幀,直到收到WLAN站點的發送請求。WLAN站點向AP發送一個輪詢幀(poll frame),開始請求數據。通過從策略上確定輪詢幀的時序,WLAN站點就可以增加AP的響應落在藍牙等待周期內的概率。
如圖1所示,這一過程從WLAN站點接收到一個來自AP的信標開始,該信標表示AP上有一個信息正在等待。然后WLAN站通過一個SCO鏈路監聽下一個藍牙傳輸。一旦交換開始,WLAN站點就知道它有的時間來接收藍牙信息,緊接著有間隔來接收AP發送的信息。
圖1:藍牙和WLAN AP與WLAN站點共享一個的窗口。
不過,在兩次藍牙傳輸間隔增加AP傳輸正確匹配的概率還不足以為擴展WLAN覆蓋范圍創建可靠的機制。例如,AP會根據最新的傳輸記錄選擇數據速率,這一速率使得數據幀不可能落在所分配的間隔內。
任何真實世界環境下都存在著很多干擾的機會。一旦出現這種情況,AP將啟動速率適配程序,使AP與WLAN站點之間建立鏈路和傳輸數據的可能性更低。
最顯而易見的替代方案是調整AP的數據速率。在很多AP中,這可以通過使WLAN站點與AP短暫斷開、然后再快速連接的方式來實現。通常情況下AP會再次從一個高數據速率開始傳輸,并且可以重復藍牙與WLAN數據包之間的交錯過程。
另一種可能的方法是讓WLAN站點忽略通常藍牙設備在與WLAN站點連接時享有的優先權。藍牙設備與WLAN站點之間的優先連接能將藍牙傳輸提前告知WLAN站點。這種優先權可以被忽略,但會導致藍牙幀被破壞,這通常是以藍牙語音質量下降為代價的。
異步無連接(ACL)鏈路
以上討論都是關于藍牙與WLAN站點之間建立了一個SCO鏈路的情況。但當藍牙使用A2DP profile時(例如用立體聲耳機聽音樂時),它建立的是一個異步無連接(ACL)鏈路。這時情況并不是很復雜,因為ACL鏈路沒有與SCO鏈路一樣嚴格的幀結構。
實際上,藍牙連接可以由WLAN站點控制,在藍牙傳輸之間可以安排更長的時隙。有一種排序機制可以使傳輸介質在藍牙和WLAN之間來回交替。但這樣做必須十分小心,因為藍牙應用必須維持均衡的數據流吞吐量和低延遲特性,以保證立體聲耳機正常工作。
可通過編寫帶寬分配算法來管理藍牙和WLAN之間的可用帶寬。相關參數在主控接口(Host Control Interface)級被編入了藍牙芯片中。
恩智浦半導體公司開發的專有軟件實現了本文中所描述的方案和步驟。該軟件必須同時運行在藍牙和WLAN站點芯片上,具體而言即恩智浦的BGB210S藍牙芯片和BGW211 芯片。
圖2:圖中用不同顏色來表示采用了競爭方案的兩種手機的傳輸距離,以及采用恩智浦BGB210S藍牙芯片和BGW211 WLAN芯片時的傳輸距離。
本文小結
將恩智浦的芯片用于兼有藍牙和WLAN的配置中,可以顯著提高系統的靈敏性,并擴展WLAN系統的覆蓋距離。
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的傳輸距離,以及采用恩智浦BGB210S藍牙芯片和BGW211 WLAN芯片時的傳輸距離。圖3給出了BGB210S藍牙芯片的功能框圖。恩智浦芯片采用本文所述技術進行了功能增強,以減輕由AP產生的數據速率下降效應。
圖3:BGB210S藍牙芯片支持與WLAN系統的共存。
本文由NXP公司供稿
