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藍芽與WLAN共存機制演進與未來展望

上網時間: 2005年04月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:藍芽  Bluetooth  WLAN  802.11b  802.11g 

在各項內含無線功能的資訊、消費及通訊產品推波助瀾下,WLAN藍芽各自在無線通訊市場取得了良好的發展。WLAN幾乎成為筆記型電腦的標準配備,而且正在走入家庭;而藍芽也在手機、耳機後,開始拓展其在資訊領域的應用,如無線滑鼠、鍵盤等。這兩種技術都使用2.4GHz的ISM頻帶,如何讓它們共存,並展現最佳工作效能,將為未來許多電子產品帶來設計挑戰。

無線技術發展至今已臻成熟,目前最常使用在2.4GHz的無線標準無疑是802.11b/g和藍芽技術。以無線應用層面而言,這兩種技術各有其發展潛力,如無線區域網路(WLAN),其應用範圍在較寬廣的範圍,傳輸距離約100公尺,由WiFi標準組織制定規範;藍芽則是應用在個人網路(WPAN,Wireless Personal Area Network)領域,應用範圍在無線個人網路,傳輸距離約10公尺,目前已應用在無線滑鼠、無線鍵盤、耳機和其他個人裝置上,該標準是由藍芽SIG標準組織負責制定規範,其產品檢測組織為藍芽認證實體(BQB,Bluetooth Qualification Body),表一顯示了WLAN和Bluetooth的基本比較。


圖1 沒有Bluetooth裝置下之WLAN傳輸特性。

正因為802.11b/g和藍芽皆使用於2.4GHz(屬ISM頻段,不需licensed之頻帶),雖然兩者所使用的調變方式和展頻技術各有所不同,若兩裝置的無線收發範圍有重複現象時,就會發生互相干擾的現象產生。此干擾現象有兩種發生可能性:其一為一般性干擾(Normal Interference),此現象一般發生在基頻處理器上(Baseband),這是由於WLAN和藍芽裝置因未知對方的頻道時而導致兩者主頻重複在相同通道上,此干擾現象解決方式為將兩裝置避免在重複的通道上傳輸資料,解決方式為本主題所要探討之重點。

其二為前端裝置重複(Front-end overload),此現象是因為此兩個無線系統沒有保持適當的距離,即天線端之隔離度(Isolation)不夠時或彼此的傳輸功率太大時所產生之諧波干擾。針對此一現象,Intel提出兩者天線間之隔離度至少要保持40dB,英國藍芽晶片製造廠CSR則提出30dB,美國藍芽晶片製造廠RFMD(Silicon Wave)則提出25dB。不管依據哪一種標準,兩者之天線裝置必須維持適當的距離才能讓此現象避免發生。其計算隔離度方法有下列兩種計算方法(a)以功率計算,如方程式(a)所示;若以頻率計算,則方程式(b)所示。

圖2 有Bluetooth裝置下(沒有AFH致能時)之WLAN傳輸特性。

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一般性干擾(Normal Interference)的解決方式

針對一般性干擾(Normal Interference)避免發生,從以前發展至今的解決方式大都朝避免通道重複(Avoided channel overlap)發展,至藍芽標準1.2版才發展出適應性跳頻(AFH,Adaptive Frequency Hopping)共存機制,目前以AFH的解決一般性干擾方式為佳。以下為避免藍芽和WLAN(802.11b/g)通道重複方法和演進:

1. 通道資訊(Channel Information)

此方法為藍芽標準1.1版時定義,其方法有兩種:(a)由Microsoft提出藉由Windows作業系統在HCI(Host Controller Interface)介面下利用10Bytes將PC上WLAN卡所使用之通道作定義以防止和藍芽裝置重複。(b)CSR提出藉由四條硬體線路PIO(Programming Input Output)定義WLAN所使用之通道以告知藍芽來避免重複通道產生。另外Intel在Phase I亦提出相同的方法來宣告WLAN所使用之通道,此兩條硬體線路則定義為Ch_Data和Ch_Clk;其他廠商亦利用此方法定義WLAN所使用之通道。

2. 主動式訊號(Active Signaling)

此方法亦在藍芽標準1.1版時定義,若WLAN裝置在空氣中傳送封包時,藍芽若欲傳送資料封包(Packet)至其他藍芽裝置時,則會藉由一條硬體線路告知同一台PC上之WLAN裝置(mini-PCI

圖3 有Bluetooth裝置下(AFH致能時)之WLAN傳輸特性。

card),則此WLAN裝置會暫時停止傳送WLAN資料封包,反之亦然,明顯會影響兩裝置的總體傳輸資料量,且兩裝置若不在同一台PC上,則此法便不能運用。其中CSR定義此兩條硬體線路為BT_Active和WLAN_Active;而Intel Phase II則定義為Ch_Data和BT_Priority,其他廠商也運用類似的技術在其共存解決方法上。

3. 跳動式頻率(Channel Skipping)

適應型跳頻(AFH)方法為藍芽標準1.2版所提出,此法為藍芽裝置在檢測週遭(On air)所使用相同的通道時的一種避免干擾的方法。AFH的啟動步驟為:步驟一,藉由RSSI(Receive Signal Strength Incident)在空氣中偵測到某一個通道的信號強度是否與此藍芽裝置所使用之通道重複,藉以獲得此藍芽裝置在某個通道是否有干擾現象或有不好的通道。

步驟二,藍芽SIG組織定義藍芽裝置之LMP(Link Manger Protocol)在空氣中所使用的通道,若幾個藍芽裝置連結在一起所形成的微網(Pico-net),則在一個微網下之所有藍芽裝置則會將所偵測到所有不好的通道建構一個不可使用之通道表,將已偵測到這些不好的通道紀錄下來告訴此微網內之所有藍芽裝置不可再使用這些通道。

步驟三,若藍芽裝置已知空氣中哪些不好或已受干擾的通道,則會避免這些通道在其所跳頻的通道上,再選用已知好的通道來代替這些所偵測到的通道,以達所有跳頻的通道是好的,故此方法並不會降低整體傳輸速率(Data Rate),此三個步驟整個完成必須花費大約3~5秒。針對AFH做以下測試,其測試結果如圖(1)~(3)所示,在圖(3)上明顯的可以發現AFH確實不會將WLAN傳輸量降低。

4. 其他方法

傳輸功率控制(Transmission power control)

表1:WLAN和Bluetooth比較。

若很多藍芽裝置形成一個微網時,其中在此微網內中某個藍芽裝置的接收訊號強度會受到干擾時(因為諧波因素產生),則可增加或減少其發射功率會在LMP上作為調整。藍芽裝置的功率可分為3類:Class 1~ 3。Class 1功率定義最大功率為+20dBm(100mW);Class 2功率定義最大功率為+4dBm(2.5mW);Class 3功率定義最大功率為0dBm(1mW)。因為藍芽裝置為無線個人網路所以一般最常使用為Class 2,而WLAN所使用的功率為+30dBm(1W),若能有效的控制其傳輸功率則可以避免互相干擾現象產生。

雖然解決共存的方法有如此多種的方式,但目前以AFH之跳頻方式為最佳,因為它可以讓兩個不同的無線裝置充分運用在ISM頻段。另外若過多的藍芽裝置同時處在一個無線傳輸範圍,則再如何好的跳頻方式也會明顯的降低整個的無線傳輸量,所以處理方式為改進其編碼方式技術,目前藍芽標準2.0版在2004年十一月公告,其和1.2版不同點在於改變了原來的跳頻方式,從ASK改變為PSK,且運用更好的糾錯能力,目的在於減少BER(Bit Error Rate),以達到在其規範的傳輸能力下完美的運用。另外,目前藍芽標準1.2版定義資料傳輸量721kbps(ACL上傳資料吞吐量)以不敷使用,故藍芽標準2.0版上因為改變其調變方式,也增加其傳輸量達2M至3M,以期真正達到藍芽裝置同時一對七的資料吞吐量和WLAN共存。

作者:邱文全


移動系統部


廣達研究院





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