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解決WiMAX、藍牙和Wi-Fi在手機中的共存問題

上網時間: 2007年09月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:藍牙  Wi-Fi  WiMAX 

從單功能行動電話到具有豐富連接功能的各式多模多媒體設備,行動手機的發展非常迅速。這種發展趨勢同時有益於用戶、廠商、網路服務供應商和應用開發人員,但對手機OEM商來說,卻意味著難度越來越高,因為不同的無線協議之間存在著難以處理的干擾問題,如藍牙Wi-FiWiMAX的整合。

藍牙是中階/高階手機中的標準配備功能,可提供耳機、筆記型電腦(無線PC數據機和/或同步功能)以及印表機等週邊的短距離連接。Wi-Fi可讓用戶接取網際網路、撥打VoIP電話。而WiMAX則預計很快會將與Wi-Fi相同的功能擴展到更遠的距離,且性能更加穩定。

早在數年前,手機製造商就已體認到,藍牙和Wi-Fi(2.4GHz頻帶)的頻率非常接近,將二者的天線靠在一起,加上兩種協議完全無法協調,最終將導致產生故障的嚴重性能挑戰。為解決此一挑戰,藍牙和Wi-Fi晶片組供應商在產品中增加了共存介面,實現了在共享無線頻率媒介上的仲裁,以防止衝突和訊號劣化。

隨著行動WiMAX(IEEE802.16e)的問世,OEM又面臨新的干擾挑戰,這是因為新的WiMAX協議工作在多個頻帶,這在WiMAX術語中定義為‘類別’(profile),而最常用的是2.3~2.4GHz和2.5~2.7GHz。這種頻率區間雖然比藍牙和Wi-Fi之間的大,但仍不足以避免共存問題的產生。

一種典型應用是,用戶利用藍牙耳機進行蜂巢式通話,同時透過電話的WiMAX無線鏈路下載電子郵件或瀏覽網際網路,這時確保無線介面共存的完美機制就很重要。如果沒有這種機制,語音品質和數據封包吞吐量下降將導致用戶體驗低劣。由於越來越多的終端用戶使用藍牙和Wi-Fi配件(如藍牙耳機、Wi-Fi路由器),因此,最佳解決方案必須能與已投入使用的設備共同運作,而非修改現有設備。

WiMAX和藍牙干擾

此處將分析從WiMAX發射到藍牙無線鏈路的干擾模式,並確定其影響。圖1為一個由藍牙耳機和帶WiMAX功能的行動手機所組成的系統。藍牙耳機的發射功率是0dBm。在耳機天線處收到的訊號電平是-40dBm。藍牙規格要求接收器能夠處理最高為-27dBm的干擾訊號。

本例中手機的WiMAX發射器工作在2.5~2.7GHz頻帶。WiMAX功率放大器(PA)的輸出功率可能高達+25dBm。WiMAX和藍牙發射天線彼此靠得很近,用戶的手或手機擺放的表面通常會在它們之間造成10dB的路徑損耗。這樣一來,在藍牙帶通濾波器(BPF)輸入端產生的訊號電平為+15dBm。BPF必須能通過高達2.48GHz的頻率(最高的藍牙跳頻頻率),因此無法抑制超過3dB的無用WiMAX訊號,故至少有+12dBm的干擾訊號被傳遞到藍牙低噪音放大器(LNA)。

假定藍牙抑制能力為-27dBm,那麼很明顯無法有效抑制掉WiMAX訊號,這樣就會產生阻塞。另外,藍牙LNA輸入端如此強的訊號可能會超過LNA的最大額定輸入功率,最終導致嚴重的可靠性問題。

為了便於討論,本文將以‘本地端’(local party)代表使用手機的一方,以‘遠端’(remote party)代表正在通話的另一方。只要手機的藍牙接收電路被WiMAX發射訊號阻塞,遠端就會聽到‘喀喇’聲。

WiMAX阻塞對本地端的影響程度較低,因為從手機到耳機存在較高的路徑損耗,但對本地端端點的干擾也不能被完全忽略。這種‘喀喇’聲產生的概率非常高。假設在手機中,藍牙接收器最多有1/6的時間在使用,根據WiMAX的使用情況,隨著流量的增強,在較高頻率處,藍牙接收器將會被阻塞。如上所述,藍牙發射對WiMAX接收有負面影響,但不是很嚴重。

圖1:一個由藍牙耳機和帶WiMAX功能的行動手機所組成的系統。
圖1:一個由藍牙耳機和帶WiMAX功能的行動手機所組成的系統。

解決共存挑戰

根據上文的分析,顯然無法消除或減輕無線電或實體層(PHY)的干擾,因為這種干擾是系統與生俱來的。因此,解決方案必須透過更高的層,即媒體存取控制(MAC)層來實現。在MAC層可實現不同協議之間的同步,並保證共享頻譜上的頻寬能夠以時分多工、非同步和公平的方式得到分配。這種解決方案可以消除任何潛在的衝突,同時仍能保持固有的鏈路性能。

就WiMAX、藍牙和Wi-Fi發射和接收的各種組合來看,有許多應用場合和使用問題必須解決,每種情況都有不同的鏈路掃描、設立和活動模式。為了討論的連貫性,我們仍使用上面的例子來解釋推薦的共存解決方案。後面還會在上述範例中增加Wi-Fi無線鏈路,該鏈路具備以下特性:

•行動手機和WiMAX基地台之間的有效WiMAX鏈路。

•工作在SCO/HV3模式(用於商用藍牙耳機之標準模式)的有效藍牙語音鏈路。

第一步是同步協議的時間基準。首先,我們必須找到不同系統時脈之間的‘最小公倍數’,並確保它們能協調運作。藍牙SCO/HV3模式的時基是625us,而WiMAX的時基是基於5ms的訊框。這意味著最小時間間隔為15ms,在此期間可以處理3個WiMAX訊框和24個藍牙時隙。一旦解決方案被認為能夠滿足15ms的時間間隔,重複模式就可確保該解決方案基本上適用於這種模式。

在確定重複模式後,有必要確保兩個時基是同步的,並在整個鏈路的平行作業過程中仍能保持同步。由於WiMAX基地台決定了時基,因此行動手機不可能控制相對於藍牙時基的相位。另一方面,行動手機中的藍牙晶片組(假定它是藍牙鏈路上的主設備)有能力控制時脈相位,並與WiMAX鏈路上的時脈取得同步。

當藍牙鏈路上的主設備是耳機而不是行動手機時,可以執行主從切換(藍牙術語為MSS)。一旦成為‘主設備’,手機藍牙晶片就能重置鏈路的時脈,並使之與WiMAX時脈對齊,有效地實現兩個時基的同步。隨著時間的推移,藍牙時脈與WiMAX時脈的相對相位可能出現偏差,因此可能要求重新同步藍牙時脈。圖2為兩條無線鏈路之間的時間和相位關係。

在兩條鏈路取得同步並確定基本的重複模式後,下一步就是設立兼顧兩個協議工作原理的頻寬分配機制。藍牙SCO/HV3模式定義了一個重複的六時隙週期(3.75ms),在此期間只有兩個連續時隙用於發射,一個用於主設備(用M代表),一個用於從設備(用S代表)。在這個間隔時間內行動電話和耳機交換未壓縮的語音數據封包。另外4個時隙尚未使用。這是一種非常基本的模式,沒有定義任何調度機制、抖動控制(在時隙級)、重發、糾錯技術甚至循環冗餘校驗(CRC),因此任何錯誤都將表現為‘喀喇’噪音。

WiMAX訊框由一個從基地台向所有註冊行動站台廣播發送的MAP消息組成。該消息映射了同一WiMAX訊框中不同行動台的接收間隔,同時在隨後的WiMAX訊框中分配發射間隔。緊隨MAP消息的是一個下行鏈路間隔或‘區域’(zone,為WiMAX術語),用於基地台向註冊行動站台以廣播、群播或點播發射。在下行鏈路區後是上行鏈路區,用於行動站台在前面的WiMAX訊框期間接收發射分配時間。每個WiMAX訊框依次重複這種模式。

根據藍牙語音模式的基本特點,確保正確平行作業的基本方針是保證連續的藍牙發射和接收時隙。因此,基地台在這些間隔內(24時隙中的6個時隙,或25%的時間標識為‘阻塞’)必須被禁止向行動手機發射或分配發送。現在讓我們分析一下剩餘75%的時間,以便瞭解哪些時間間隔適用於WiMAX鏈路。訊框[N]實際上未被行動手機的WiMAX鏈路使用──這意味著下行鏈路間隔未被使用,這是因為鑒於藍牙優先級(時隙B1和B2)問題,行動手機不能在訊框開頭接收MAP消息。上行鏈路也由於藍牙優先級(時隙B7和B8)的原因而未被使用。

在訊框[N+1]期間,行動手機可以接收和解碼MAP消息,並允許它接收在B10和B12之間的間隙期(2.5ms)發送的突發訊號,直到下一次藍牙分配(時隙B13和B14)。不過,訊框[N+1]中的上行鏈路不能被行動手機使用,因為它沒有接收到訊框[N]中的MAP消息,該消息用於分配訊框[N+1]的上行鏈路間隔中用於發射的頻寬。

在訊框[N+2]中,由於藍牙佔用了時隙B19和B20,行動手機將不能接收來自基地台的下行鏈路流量。訊框[N+2]的上行鏈路間隔可能已經被賦予了訊框[N+1]之MAP消息中的發射機會,因此適用於行動手機的發射。只要兩條鏈路保持有效,這種模式就會不斷重複。

這種機制的潛在規則是需要WiMAX鏈路避免在某段時間內發送訊號。有兩種方法可以實現這一點:

1. 行動手機可以使用某種WiMAX睡眠模式來避免在相應時間內與基地台產生影響。這種方法的缺點是在藍牙時隙B13和B14期間,在WiMAX的發送中,可能存在封包錯誤率(PER),不過這種可能性較低,而且在任何情況下都可以透過WiMAX中的前向糾錯(FEC)和重發機制來加以克服。

2. 根據預先協商的手機功能資訊,基地台調度器禁止在B13和B14兩個時隙內進行接收和發射分配。這種方法要求對WiMAX標準作少量補充,以便支援手機和基地台之間的共存功能協商。

把Wi-Fi加入共存機制相對比較簡單。Wi-Fi與乙太網路非常相似,也是一種載波偵聽多址存取/衝突檢測(CSMA/CD)協議,它採用的不是時間分配機制,而是衝突檢測和隨機後退方法。

因此,此處不可能將非同步協議同步到推薦的共存機制。不過這個問題可透過使用Wi-Fi中稱為非排程自動省電(U-APSD)的模式加以解決。這種模式一般用於把Wi-Fi站點的功耗降至最低,手機在該模式下可以進入睡眠模式,讓接取點緩衝記憶體所有發送往手機的資訊,直到預定義的緩衝器溢出。當手機退出睡眠模式時,它向接取點發送一個觸發訊框,接取點隨後將所有緩衝記憶體的數據發送給手機,有效地保持了正常CSMA/CD作業的類似性能。

這種模式在推薦共存機制中的使用方法是強迫手機Wi-Fi模式在間隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期間進入U-APSD睡眠模式,並在其它時間內(24分之10,或42%)保持啟動狀態。這樣對Wi-Fi吞吐量造成的影響是很小的,可忽略不計。

圖2中的其它時隙(標記為‘OP’)代表了對某個無線鏈路來說可能可用也可能不可用的發射和接收機會,這些時隙可以用任何傳統的優先級演算法進行分配。

上述的共存方案具備許多優勢,包括:1. 只損失少許吞吐量就消除了共存問題;2. 可用於任何商用WiMAX基地台、支援U-APSD的Wi-Fi接取點(大多數都支援)和藍牙耳機;3. 無需對商用藍牙和Wi-Fi手機晶片組作任何硬體更動。

本文小結

手機和手持設備中的WiMAX、藍牙和Wi-Fi共存帶來了艱鉅的技術挑戰,因為它們在相鄰無線頻帶上的發送可能會產生衝突,並嚴重降低性能。本文推薦的共存機制能以一種盡可能減少對各自無線鏈路性能影響的方式,實現WiMAX和藍牙時脈的同步、時間上共享無線頻帶,以及使Wi-Fi工作於U-APSD模式,有效地解決了這方面的挑戰。

作者:Yigal Bitran

合夥創辦人兼技術長

Eran Eshed

合夥創辦人兼行銷和業務開發部副總裁

Altair Semiconductor




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