藍牙與802.11b之間相互干擾問題的解決

　　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據包。其中數據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，選擇不同類型數據包進行傳輸，則可以達到最佳傳輸效果。目前已經研究了根據不同應用選擇不同類型的包[4]。此外，也研究了根據無線信道的狀況（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]，信道傳輸質量較差時選擇短包傳輸，以減小信道同頻干擾對信息傳輸的影響，信道傳輸質量較好時，選擇長包傳輸，以提高傳輸效率，增加網絡的吞吐量。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對信道進行評估，然后根據信道質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：

　　其中，F(xiàn)i-number of lost packet為一段時間內（channel-state-update-ininterval）在該跳頻點上傳輸信息時丟掉的包數，F(xiàn)i-number of received packet為成功接收的包數。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：

　　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。主單元在偶數時隙開始傳輸分組，從單元僅在奇數時隙開始傳輸分組。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該分組首時隙時鐘值確定。根據藍牙標準規(guī)定，ACL鏈路可以占用一、三、五時隙傳輸數據，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只要有一個是不良信道，那么主單元就延遲到下一個偶數時隙來接著判斷是否可以發(fā)送。只有?1、?2全是優(yōu)良信道，該數據包才能存該時刻發(fā)送。

　　（2）三時隙數據包處理機制

　　在發(fā)送這個三時隙包之前，主單元先檢查?k和?k+3是否都是優(yōu)良信道，只有這兩個頻率都是優(yōu)良信道，這個包才允許發(fā)送；如果?k是不良信道，這個三時隙的數據包就延遲到?k+2進行發(fā)送，在發(fā)送之前也要經過這樣的判決；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隙的數據包進行發(fā)送，如果不是，那么就延遲到?k+2進行發(fā)送判決。

　　（3）五時隙數據包處理機制

　　五時隙包也采用近似的機制，如果?k和?k+5都是優(yōu)良信道，這個包允許發(fā)送；如果?k是不良信道，這個五時隙的數據包就延遲到?k+2進行發(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隙的數據包進行發(fā)送，如果不是，那么就判斷?k+1是否是優(yōu)良信道，如果是，那么封裝成單時隙包進行發(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(tǒng)總是在22MHz頻段內通信，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?2n發(fā)送k（k=1、3、5）時隙分組并發(fā)現(xiàn)?2n+k將落入802.11系統(tǒng)22MHz頻段內，則改以k’時隙（k’=1、3、5，k’≠k）分組發(fā)送，使接收頻點成為?2n+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?2n、?2n+m（m=2、4、6）連續(xù)發(fā)送分組并發(fā)現(xiàn)?2n+m。將落入802.11系統(tǒng)22MHz頻段內，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?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AP與藍牙節(jié)點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，移動節(jié)點向AP發(fā)送數據，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、網絡通過率以及網絡時延的影響。

　　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為從傳輸數據開始到現(xiàn)在時間內丟掉的包數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(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的網絡通過率約提高了30%。此機制對網絡時延的影響如圖7，從圖中可看出使用此機制并沒有使時延明顯增大。

4、結語

　　總體來說，該機制在減小丟包率和提高網絡吞吐量方面非常有效，此機制并沒有使網絡時延明顯增大，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。