通信學(xué)論文-手機(jī)中WiMax、藍(lán)牙和Wi-Fi共存問(wèn)題探討.doc

通信學(xué)論文-手機(jī)中WiMax、藍(lán)牙和Wi-Fi共存問(wèn)題探討關(guān)鍵詞：WiMax,模式,誤包率,Wi-Fi,循環(huán)冗余校驗(yàn),帶通濾波器,手機(jī)藍(lán)牙,消息映射,接收電路,同步協(xié)議,調(diào)度器從單功能蜂窩電話到具有豐富連接功能的各種多模多媒體設(shè)備，移動(dòng)電話的發(fā)展非常迅速。這種發(fā)展趨勢(shì)同時(shí)有益于用戶、運(yùn)營(yíng)商、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商和應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員，但對(duì)手機(jī)OEM商來(lái)說(shuō)卻意味著難度越來(lái)越高，因?yàn)椴煌臒o(wú)線協(xié)議之間存在著難以處理的干擾問(wèn)題。比如：1.藍(lán)牙：這是中端/高端手機(jī)中的標(biāo)配功能，可以提供耳機(jī)、筆記本(無(wú)線PCmodem和/或同步功能)以及打印機(jī)等外設(shè)的短距離連接。2.Wi-Fi：可以讓用戶接入互聯(lián)網(wǎng)，打VoIP電話。3.WiMax：很快會(huì)將與Wi-Fi相同的功能擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的距離，并且性能更加穩(wěn)定。手機(jī)制造商幾年前就認(rèn)識(shí)到，藍(lán)牙和Wi-Fi(2.4GHz頻帶)的頻率非常接近，而且它們的天線靠在一起，再加上兩種協(xié)議完全不協(xié)調(diào)的事實(shí)，最終將導(dǎo)致發(fā)生故障的嚴(yán)重性能挑戰(zhàn)。藍(lán)牙和Wi-Fi芯片組供應(yīng)商在產(chǎn)品中增加了共存接口，實(shí)現(xiàn)了在共享無(wú)線頻率媒介上的仲裁，以防止沖突和信號(hào)劣化，從而有效解決了這一難題。隨著移動(dòng)WiMax(IEEE802.16e)的推出，OEM又面臨新的干擾挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樾碌腤iMax協(xié)議工作在多個(gè)頻帶(在WiMax術(shù)語(yǔ)中定義為“模式”)，而最常用的是2.3-2.4GHz和2.5-2.7GHz。這種頻率區(qū)間雖然比藍(lán)牙和Wi-Fi之間的大，但仍不足以避免共存問(wèn)題的發(fā)生。一個(gè)典型的使用場(chǎng)合是，用戶一邊利用藍(lán)牙耳機(jī)進(jìn)行蜂窩通話，一邊通過(guò)電話的WiMax無(wú)線鏈路下載電子郵件或?yàn)g覽互聯(lián)網(wǎng)，這時(shí)確保無(wú)線接口共存的完美機(jī)制就很有必要。如果沒(méi)有這種機(jī)制，話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)包吞吐量下降將導(dǎo)致用戶體驗(yàn)低劣。由于有越來(lái)越多的最終用戶使用藍(lán)牙和Wi-Fi配件(如藍(lán)牙耳機(jī)，Wi-Fi路由器)，因此最佳解決方案必須能與已經(jīng)投入使用的設(shè)備一起工作，而不是去修改現(xiàn)有設(shè)備。WiMax和藍(lán)牙干擾上述情景將用來(lái)分析從WiMax發(fā)射到藍(lán)牙無(wú)線鏈路的干擾模式，并確定其影響。圖1所示是一個(gè)由藍(lán)牙耳機(jī)和帶WiMax功能的移動(dòng)電話組成的系統(tǒng)。藍(lán)牙耳機(jī)的發(fā)射功率是0dBm。在耳機(jī)天線處收到的信號(hào)電平是-40dBm。藍(lán)牙規(guī)范要求接收器能夠處理最高為-27dBm的干擾信號(hào)。本例中手機(jī)的WiMax發(fā)射器工作在2.5-2.7GHz頻帶。WiMax功放(PA)的輸出功率可能高達(dá)+25dBm。WiMax和藍(lán)牙發(fā)射天線彼此靠得很近，用戶的手或手機(jī)擺放的表面通常會(huì)在它們之間造成10dB的路徑損耗。這樣一來(lái)，在藍(lán)牙帶通濾波器(BPF)輸入端產(chǎn)生的信號(hào)電平為+15dB。BPF必須能夠通過(guò)高達(dá)2.48GHz的頻率(最高的藍(lán)牙跳頻)，因此無(wú)法抑制超過(guò)3dB的無(wú)用WiMax信號(hào)，故至少有+12dB的干擾信號(hào)被傳遞到藍(lán)牙低噪放大器(LNA)。圖1：由藍(lán)牙耳機(jī)和帶WiMax功能的手機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng)。假定藍(lán)牙抑制能力為-27dBm，那么很明顯無(wú)法有效抑制掉WiMax信號(hào)，這樣就會(huì)發(fā)生阻塞。另外，藍(lán)牙LNA輸入端如此強(qiáng)的信號(hào)可能會(huì)超過(guò)LNA的最大額定輸入功率，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。為了便于討論，本文規(guī)定“本端”代表使用手機(jī)的一方，“遠(yuǎn)端”代表正在通話的另一方。只要手機(jī)的藍(lán)牙接收電路被WiMax發(fā)射信號(hào)阻塞，遠(yuǎn)端就會(huì)聽(tīng)到“喀喇”聲。WiMax阻塞對(duì)本端的影響程度稍低些，因?yàn)閺氖謾C(jī)到耳機(jī)存在較高的路徑損耗，但對(duì)本端端點(diǎn)的干擾也不能被完全忽略。這種“喀喇”聲發(fā)生的概率異常的高。假設(shè)在以下場(chǎng)合(后文有解釋)，手機(jī)中的藍(lán)牙接收器最多有1/6的時(shí)間在用。根據(jù)WiMax的使用情況，隨著流量的增加，在較高頻率處，藍(lán)牙接收器將會(huì)被阻塞。如上所述，藍(lán)牙發(fā)射對(duì)WiMax接收有負(fù)面影響，但不是很?chē)?yán)重。解決共存挑戰(zhàn)根據(jù)上文的分析，顯然無(wú)法消除或者減輕無(wú)線或物理層(PHY)的干擾，因?yàn)檫@種干擾是系統(tǒng)與生俱來(lái)的。因此，解決方案必須通過(guò)更高的層即介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在MAC層，可以實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的同步，并保證共享頻譜上的帶寬能夠以時(shí)分復(fù)用、非并性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沖突，同時(shí)仍能保持固有的鏈路性能屬性。關(guān)鍵詞：WiMax,模式,誤包率,Wi-Fi,循環(huán)冗余校驗(yàn),帶通濾波器,手機(jī)藍(lán)牙,消息映射,接收電路,同步協(xié)議,調(diào)度器從單功能蜂窩電話到具有豐富連接功能的各種多模多媒體設(shè)備，移動(dòng)電話的發(fā)展非常迅速。這種發(fā)展趨勢(shì)同時(shí)有益于用戶、運(yùn)營(yíng)商、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商和應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員，但對(duì)手機(jī)OEM商來(lái)說(shuō)卻意味著難度越來(lái)越高，因?yàn)椴煌臒o(wú)線協(xié)議之間存在著難以處理的干擾問(wèn)題。比如：1.藍(lán)牙：這是中端/高端手機(jī)中的標(biāo)配功能，可以提供耳機(jī)、筆記本(無(wú)線PCmodem和/或同步功能)以及打印機(jī)等外設(shè)的短距離連接。2.Wi-Fi：可以讓用戶接入互聯(lián)網(wǎng)，打VoIP電話。3.WiMax：很快會(huì)將與Wi-Fi相同的功能擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的距離，并且性能更加穩(wěn)定。手機(jī)制造商幾年前就認(rèn)識(shí)到，藍(lán)牙和Wi-Fi(2.4GHz頻帶)的頻率非常接近，而且它們的天線靠在一起，再加上兩種協(xié)議完全不協(xié)調(diào)的事實(shí)，最終將導(dǎo)致發(fā)生故障的嚴(yán)重性能挑戰(zhàn)。藍(lán)牙和Wi-Fi芯片組供應(yīng)商在產(chǎn)品中增加了共存接口，實(shí)現(xiàn)了在共享無(wú)線頻率媒介上的仲裁，以防止沖突和信號(hào)劣化，從而有效解決了這一難題。隨著移動(dòng)WiMax(IEEE802.16e)的推出，OEM又面臨新的干擾挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樾碌腤iMax協(xié)議工作在多個(gè)頻帶(在WiMax術(shù)語(yǔ)中定義為“模式”)，而最常用的是2.3-2.4GHz和2.5-2.7GHz。這種頻率區(qū)間雖然比藍(lán)牙和Wi-Fi之間的大，但仍不足以避免共存問(wèn)題的發(fā)生。一個(gè)典型的使用場(chǎng)合是，用戶一邊利用藍(lán)牙耳機(jī)進(jìn)行蜂窩通話，一邊通過(guò)電話的WiMax無(wú)線鏈路下載電子郵件或?yàn)g覽互聯(lián)網(wǎng)，這時(shí)確保無(wú)線接口共存的完美機(jī)制就很有必要。如果沒(méi)有這種機(jī)制，話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)包吞吐量下降將導(dǎo)致用戶體驗(yàn)低劣。由于有越來(lái)越多的最終用戶使用藍(lán)牙和Wi-Fi配件(如藍(lán)牙耳機(jī)，Wi-Fi路由器)，因此最佳解決方案必須能與已經(jīng)投入使用的設(shè)備一起工作，而不是去修改現(xiàn)有設(shè)備。WiMax和藍(lán)牙干擾上述情景將用來(lái)分析從WiMax發(fā)射到藍(lán)牙無(wú)線鏈路的干擾模式，并確定其影響。圖1所示是一個(gè)由藍(lán)牙耳機(jī)和帶WiMax功能的移動(dòng)電話組成的系統(tǒng)。藍(lán)牙耳機(jī)的發(fā)射功率是0dBm。在耳機(jī)天線處收到的信號(hào)電平是-40dBm。藍(lán)牙規(guī)范要求接收器能夠處理最高為-27dBm的干擾信號(hào)。本例中手機(jī)的WiMax發(fā)射器工作在2.5-2.7GHz頻帶。WiMax功放(PA)的輸出功率可能高達(dá)+25dBm。WiMax和藍(lán)牙發(fā)射天線彼此靠得很近，用戶的手或手機(jī)擺放的表面通常會(huì)在它們之間造成10dB的路徑損耗。這樣一來(lái)，在藍(lán)牙帶通濾波器(BPF)輸入端產(chǎn)生的信號(hào)電平為+15dB。BPF必須能夠通過(guò)高達(dá)2.48GHz的頻率(最高的藍(lán)牙跳頻)，因此無(wú)法抑制超過(guò)3dB的無(wú)用WiMax信號(hào)，故至少有+12dB的干擾信號(hào)被傳遞到藍(lán)牙低噪放大器(LNA)。圖1：由藍(lán)牙耳機(jī)和帶WiMax功能的手機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng)。假定藍(lán)牙抑制能力為-27dBm，那么很明顯無(wú)法有效抑制掉WiMax信號(hào)，這樣就會(huì)發(fā)生阻塞。另外，藍(lán)牙LNA輸入端如此強(qiáng)的信號(hào)可能會(huì)超過(guò)LNA的最大額定輸入功率，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。為了便于討論，本文規(guī)定“本端”代表使用手機(jī)的一方，“遠(yuǎn)端”代表正在通話的另一方。只要手機(jī)的藍(lán)牙接收電路被WiMax發(fā)射信號(hào)阻塞，遠(yuǎn)端就會(huì)聽(tīng)到“喀喇”聲。WiMax阻塞對(duì)本端的影響程度稍低些，因?yàn)閺氖謾C(jī)到耳機(jī)存在較高的路徑損耗，但對(duì)本端端點(diǎn)的干擾也不能被完全忽略。這種“喀喇”聲發(fā)生的概率異常的高。假設(shè)在以下場(chǎng)合(后文有解釋)，手機(jī)中的藍(lán)牙接收器最多有1/6的時(shí)間在用。根據(jù)WiMax的使用情況，隨著流量的增加，在較高頻率處，藍(lán)牙接收器將會(huì)被阻塞。如上所述，藍(lán)牙發(fā)射對(duì)WiMax接收有負(fù)面影響，但不是很?chē)?yán)重。解決共存挑戰(zhàn)根據(jù)上文的分析，顯然無(wú)法消除或者減輕無(wú)線或物理層(PHY)的干擾，因?yàn)檫@種干擾是系統(tǒng)與生俱來(lái)的。因此，解決方案必須通過(guò)更高的層即介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在MAC層，可以實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的同步，并保證共享頻譜上的帶寬能夠以時(shí)分復(fù)用、非并性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沖突，同時(shí)仍能保持固有的鏈路性能屬性。把Wi-Fi增加入共存機(jī)制相對(duì)比較簡(jiǎn)單。Wi-Fi與以太網(wǎng)非常相似，也是一種載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)協(xié)議，它采用的不是時(shí)間分配機(jī)制，而是沖突檢測(cè)和隨機(jī)后退方法。因此也就不可能將異步協(xié)議同步到推薦的共存機(jī)制。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)使用Wi-Fi中稱為非排程自動(dòng)省電(U-APSD)的模式加以解決。這種模式一般用于把Wi-Fi站的功耗降至最低，手機(jī)在該模式下可以進(jìn)入睡眠模式，讓接入點(diǎn)緩存所有發(fā)送往手機(jī)的信息，直到預(yù)定義的緩沖器溢出。當(dāng)手機(jī)退出睡眠模式時(shí)，它向接入點(diǎn)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)幀，接入點(diǎn)隨后將所有緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)，從而有效地保持了常規(guī)CSMA/CD操作的類似性能。這種模式在推薦共存機(jī)制中的使用方法是強(qiáng)迫手機(jī)Wi-Fi模式在間隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期間進(jìn)入U(xiǎn)-APSD睡眠模式，并在其它時(shí)間內(nèi)(10/24或42%)保持激活狀態(tài)。這樣對(duì)Wi-Fi吞吐量造成的影響是很小的，可忽略不計(jì)。其它時(shí)隙(標(biāo)記為“OP”)代表了對(duì)某個(gè)無(wú)線鏈路來(lái)說(shuō)可能可用也可能不可用的發(fā)射和接收機(jī)會(huì)，這些時(shí)隙可以用任何傳統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)算法進(jìn)行分配。前述共存方案的優(yōu)點(diǎn)是：1.只有少許吞吐量的損失就消除了共存問(wèn)題。2.可以用于任何商用WiMax基站、支持U-APSD的Wi-Fi接入