藍(lán)牙和Wi-Fi共存在智能手機(jī)上的兩種解決方法

1 引言

設(shè)計(jì)同時(shí)包含Wi-Fi和藍(lán)牙功能的消費(fèi)類電子產(chǎn)品會遇到很多問題，特別是在要求同時(shí)工作模式的情況下。藍(lán)牙和802.11b/gWLAN系統(tǒng)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（見圖1）。

當(dāng)WLAN設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備靠得很近并試圖同時(shí)收發(fā)無線信號時(shí)就會發(fā)生干擾。這兩種技術(shù)采用不同的方法進(jìn)行信號傳送：載波偵聽多路訪問（CSMA）和跳頻擴(kuò)頻。前者用于802.11b/g收發(fā)器，它在發(fā)送信號前會偵聽空閑信道。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(lán)牙則采用跳頻擴(kuò)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(fù)用數(shù)據(jù)包。當(dāng)一個(gè)設(shè)備發(fā)起連接并成為該子網(wǎng)的主設(shè)備時(shí)，藍(lán)牙連接就成功建立了。如果知道目標(biāo)地址，設(shè)備就直接發(fā)送頁面消息。如果目標(biāo)地址未知，會先發(fā)送一個(gè)查詢消息，跟著再發(fā)頁面消息。一旦兩個(gè)設(shè)備同步上以后，這兩個(gè)具備藍(lán)牙功能的設(shè)備就處于連接狀態(tài)，并且每個(gè)設(shè)備會設(shè)定一個(gè)唯一的MAC）地址。通過簡單的計(jì)算可以證實(shí)，藍(lán)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(nèi)會有沖突。

這種共同信道干擾效應(yīng)與信號的相對強(qiáng)度與數(shù)據(jù)包的發(fā)送長度和占空比密切相關(guān)。針對這種干擾現(xiàn)象所做的各種分析和仿真試驗(yàn)表明，干擾會嚴(yán)重影響其中一種或兩種信號。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供了不同信號設(shè)計(jì)方法——802.11b使用的直接序列擴(kuò)展頻譜（DSSS）、802.11g使用的正交頻分復(fù)用（OFDM）及藍(lán)牙使用的跳頻所導(dǎo)致的干擾反彈程度。這些標(biāo)準(zhǔn)還使用基于數(shù)據(jù)包重傳和數(shù)據(jù)速率降低的協(xié)議。然而，這些對策會極大地降低數(shù)據(jù)吞吐量，從而嚴(yán)重影響一些設(shè)備的性能。例如藍(lán)牙音頻傳送或WLAN上的VoIP，數(shù)據(jù)包差錯率只要超過幾個(gè)百分點(diǎn)就會導(dǎo)致無法忍受的音頻時(shí)延甚至通話中斷。下面提出了解決共存干擾的的兩種方法——AFH（自適應(yīng)跳頻）和AFH與三線共存（時(shí)分復(fù)用）結(jié)合使用的技術(shù)。

2 AFH（自適應(yīng)跳頻）技術(shù)介紹及試驗(yàn)結(jié)果

AFH技術(shù)是對原始藍(lán)牙跳頻序列的一種改進(jìn)，它允許藍(lán)牙設(shè)備縮減跳頻點(diǎn)的數(shù)量，其基本原理是通過分辨出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(dāng)藍(lán)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(shù)量是動態(tài)變化的，其最大值不超過79。AFH只用于連接狀態(tài)，而不會改變尋呼、查詢等狀態(tài)時(shí)的跳頻序列。

自適應(yīng)跳頻選擇機(jī)制的實(shí)現(xiàn)是基于原79跳系統(tǒng)（Bluetooth1.2協(xié)議中規(guī)定不再使用23跳系統(tǒng)）的頻率選擇核心，在其基礎(chǔ)上增加了AFH_mode和AFH_channel_map兩個(gè)參數(shù)。

AFH_mode指出當(dāng)前選頻核心是否可以使用自適應(yīng)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(diào)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，則通過重定位函數(shù)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(yīng)的，就是說，如果給定了藍(lán)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(zhuǎn)換為一可用信道，這樣保證了在同一微微網(wǎng)中使用AFH機(jī)制的主從設(shè)備能夠保持跳頻序列的同步。

在這種實(shí)現(xiàn)機(jī)制下，非自適應(yīng)的79跳系統(tǒng)的跳頻序列等于將全部信適設(shè)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(shè)備保持兼容。

AFH技術(shù)的另一點(diǎn)改變是：在原跳頻系統(tǒng)中，主從節(jié)點(diǎn)分別采用不同的頻率發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)處于AFH狀態(tài)時(shí)，在一次主從對話期間，從節(jié)點(diǎn)使用與主節(jié)點(diǎn)相同的射頻信道向主節(jié)點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)包，這被稱作AFH的相同信道機(jī)制。使用相同信道機(jī)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(jié)點(diǎn)在發(fā)送響應(yīng)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的過程中數(shù)據(jù)不易受到干擾，達(dá)到提高吞吐率的目的。

不幸的是，諸如AFH等技術(shù)是專門為2.4GHz設(shè)備設(shè)計(jì)用于檢測和避免干擾的，還不足以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙與WLAN的共存。當(dāng)藍(lán)牙與802.11設(shè)備共存于同一設(shè)計(jì)中時(shí)作為獨(dú)立技術(shù)的AFH是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這主要是因?yàn)閃LAN設(shè)備必須提供較高的輸出功率才能支持長距離、高數(shù)據(jù)速率、可靠的互聯(lián)網(wǎng)、語音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸。圖2給出了手機(jī)在同時(shí)使用藍(lán)牙和Wi-Fi時(shí)的仿真圖，此時(shí)Wi-Fi正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙耳機(jī)正在接聽由小靈通打進(jìn)的電話。

單獨(dú)使用AFH技術(shù)，結(jié)果使得Wi-Fi吞吐量下降20%左右，小靈通接聽雜音大。由此可以看出手機(jī)的WIFI發(fā)送會干擾到手機(jī)藍(lán)牙的接收。

3 AFH技術(shù)與三線共存（時(shí)分復(fù)用）技術(shù)結(jié)合解決干擾問題

AFH技術(shù)在上面已經(jīng)介紹過了，單獨(dú)使用AFH技術(shù)使用藍(lán)牙耳機(jī)的通話效果不是很好，為了解決這種問題，在使用AFH技術(shù)的基礎(chǔ)上又使用了三線共存（時(shí)分復(fù)用）技術(shù)。三線共存，顧名思義，就是使用三根線連接Wi-Fi和藍(lán)牙，下面結(jié)合圖3中Wi-Fi和藍(lán)牙所示的三線連接圖來描述一下三線共存的機(jī)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，三線連接由RF_ACTIVE，BT_STATE,WLAN_ACTIVE三根信號線組成。RF_ACTIVE是從藍(lán)牙設(shè)備向Wi—Fi設(shè)備發(fā)送的信號線，它通知Wi—Fi設(shè)備此時(shí)藍(lán)牙設(shè)備正在工作，RF_ACTIVE在整個(gè)藍(lán)牙的發(fā)送與接收過程中都是有效的。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(lán)牙設(shè)備向Wi—Fi設(shè)備發(fā)送的信號線，它通知Wi—Fi設(shè)備此時(shí)藍(lán)牙是處于發(fā)送狀態(tài)還是接收狀態(tài)。由于硬件的需要，此信號線必須連接到藍(lán)牙的PIO5管腳。

WLAN_ACTIVE是由Wi—Fi設(shè)備向藍(lán)牙發(fā)送的信號線，它用來通知藍(lán)牙Wi—Fi設(shè)備將要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，下一個(gè)藍(lán)牙的操作應(yīng)該被取消。這根信號線默認(rèn)連接到PIO9。

此種類型的三線連接一般只能用于BlueCore4以及更高的藍(lán)牙核上。

這里的三線共存實(shí)質(zhì)上使用的是時(shí)分共存技術(shù)，當(dāng)Wi—Fi設(shè)備將要發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的時(shí)候下一個(gè)藍(lán)牙任務(wù)動作將會被取消。藍(lán)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(dāng)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)將會被取消，當(dāng)藍(lán)牙執(zhí)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(lán)牙任務(wù)應(yīng)該被取消。

使用AFH和三線共存兩種技術(shù)很好的解決了藍(lán)牙耳機(jī)通話的語音質(zhì)量問題，而且Wi—Fi傳輸數(shù)據(jù)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(lán)牙和Wi—Fi測試的仿真圖。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了AFH技術(shù)和AFH技術(shù)與三線共存技術(shù)結(jié)合使用來解決智能手機(jī)上的藍(lán)牙與Wi-Fi共存問題，通過試驗(yàn)結(jié)果得出了兩種解決方法的效果，使用AFH技術(shù)和三線共存技術(shù)可以更好的解決藍(lán)牙與Wi-Fi的共存問題。相信以后這種解決方案在同時(shí)擁有這兩種無線的其他的終端上也會越來越多的得到應(yīng)用。