解決WiMAX、藍(lán)牙和Wi-Fi在手機(jī)中的共存問(wèn)題

從單功能行動(dòng)電話到具有豐富連接功能的各式多模多媒體設(shè)備，行動(dòng)手機(jī)的發(fā)展非常迅速。這種發(fā)展趨勢(shì)同時(shí)有益于用戶、廠商、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供貨商和應(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，如藍(lán)牙、Wi-Fi與WiMAX的整合。 

藍(lán)牙是中階/高階手機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)配備功能，可提供耳機(jī)、筆記型計(jì)算機(jī)(無(wú)線PC調(diào)制解調(diào)器和/或同步功能)以及打印機(jī)等外圍的短距離連接。Wi-Fi可讓用戶接取因特網(wǎng)、撥打VoIP電話。而WiMAX則預(yù)計(jì)很快會(huì)將與Wi-Fi相同的功能擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的距離，且性能更加穩(wěn)定。 

早在數(shù)年前，手機(jī)制造商就已體認(rèn)到，藍(lán)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(xié)議完全無(wú)法協(xié)調(diào)，最終將導(dǎo)致產(chǎn)生故障的嚴(yán)重性能挑戰(zhàn)。為解決此一挑戰(zhàn)，藍(lán)牙和Wi-Fi芯片組供貨商在產(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，以防止沖突和訊號(hào)劣化。 

隨著行動(dòng)WiMAX(IEEE802.16e)的問(wèn)世，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，這在WiMAX術(shù)語(yǔ)中定義為‘類(lèi)別’(profile)，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)題的產(chǎn)生。 

一種典型應(yīng)用是，用戶利用藍(lán)牙耳機(jī)進(jìn)行蜂巢式通話，同時(shí)透過(guò)電話的WiMAX無(wú)線鏈路下載電子郵件或?yàn)g覽因特網(wǎng)，這時(shí)確保無(wú)線接口共存的完美機(jī)制就很重要。如果沒(méi)有這種機(jī)制，語(yǔ)音質(zhì)量和數(shù)據(jù)封包吞吐量下降將導(dǎo)致用戶體驗(yàn)低劣。由于越來(lái)越多的終端用戶使用藍(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投入使用的設(shè)備共同運(yùn)作，而非修改現(xiàn)有設(shè)備。  

WiMAX和藍(lán)牙干擾  

此處將分析從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為一個(gè)由藍(lán)牙耳機(jī)和帶WiMAX功能的行動(dòng)手機(jī)所組成的系統(tǒng)。藍(lán)牙耳機(jī)的發(fā)射功率是0dBm。在耳機(jī)天線處收到的訊號(hào)電平是-40dBm。藍(lán)牙規(guī)格要求接收器能夠處理最高為-27dBm的干擾訊號(hào)。   

本例中手機(jī)的WiMAX發(fā)射器工作在2.5~2.7GHz頻帶。WiMAX功率放大器(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)生的訊號(hào)電平為+15dBm。BPF必須能通過(guò)高達(dá)2.48GHz的頻率(最高的藍(lán)牙跳頻頻率)，因此無(wú)法抑制超過(guò)3dB的無(wú)用WiMAX訊號(hào)，故至少有+12dBm的干擾訊號(hào)被傳遞到藍(lán)牙低噪音放大器(LNA)。  

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訊號(hào)，這樣就會(huì)產(chǎn)生阻塞。另外，藍(lán)牙LNA輸入端如此強(qiáng)的訊號(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，本文將以‘本地端’(local party)代表使用手機(jī)的一方，以‘遠(yuǎn)程’(remote party)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)射訊號(hào)阻塞，遠(yuǎn)程就會(huì)聽(tīng)到‘喀喇’聲。 

WiMAX阻塞對(duì)本地端的影響程度較低，因?yàn)閺氖謾C(jī)到耳機(jī)存在較高的路徑損耗，但對(duì)本地端端點(diǎn)的干擾也不能被完全忽略。這種‘喀喇’聲產(chǎn)生的概率非常高。假設(shè)在手機(jī)中，藍(lán)牙接收器最多有1/6的時(shí)間在使用，根據(jù)WiMAX的使用情況，隨著流量的增強(qiáng)，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。  

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                          圖1：一個(gè)由藍(lán)牙耳機(jī)和帶WiMAX功能的行動(dòng)手機(jī)所組成的系統(tǒng)。  

解決共存挑戰(zhàn) 

根據(jù)上文的分析，顯然無(wú)法消除或減輕無(wú)線電或?qū)嶓w層(PHY)的干擾，因?yàn)檫@種干擾是系統(tǒng)與生俱來(lái)的。因此，解決方案必須透過(guò)更高的層，即媒體存取控制(MAC)層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在MAC層可實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的同步，并保證共享頻譜上的頻寬能夠以時(shí)分多任務(wù)、異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沖突，同時(shí)仍能保持固有的鏈路性能。  
  
就WiMAX、藍(lán)牙和Wi-Fi發(fā)射和接收的各種組合來(lái)看，有許多應(yīng)用場(chǎng)合和使用問(wèn)題必須解決，每種情況都有不同的鏈路掃描、設(shè)立和活動(dòng)模式。為了討論的連貫性，我們?nèi)允褂蒙厦娴睦觼?lái)解釋推薦的共存解決方案。后面還會(huì)在上述范例中增加Wi-Fi無(wú)線鏈路，該鏈路具備以下特性： 

‧行動(dòng)手機(jī)和WiMAX基地臺(tái)之間的有效WiMAX鏈路。 

‧工作在SCO/HV3模式(用于商用藍(lán)牙耳機(jī)之標(biāo)準(zhǔn)模式)的有效藍(lán)牙語(yǔ)音鏈路。 

第一步是同步協(xié)議的時(shí)間基準(zhǔn)。首先，我們必須找到不同系統(tǒng)頻率之間的‘最小公倍數(shù)’，并確保它們能協(xié)調(diào)運(yùn)作。藍(lán)牙SCO/HV3模式的時(shí)基是625us，而WiMAX的時(shí)基是基于5ms的訊框。這意味著最小時(shí)間間隔為15ms，在此期間可以處理3個(gè)WiMAX訊框和24個(gè)藍(lán)牙時(shí)隙。一旦解決方案被認(rèn)為能夠滿足15ms的時(shí)間間隔，重復(fù)模式就可確保該解決方案基本上適用于這種模式。 

在確定重復(fù)模式后，有必要確保兩個(gè)時(shí)基是同步的，并在整個(gè)鏈路的并行操作過(guò)程中仍能保持同步。由于WiMAX基地臺(tái)決定了時(shí)基，因此行動(dòng)手機(jī)不可能控制相對(duì)于藍(lán)牙時(shí)基的相位。另一方面，行動(dòng)手機(jī)中的藍(lán)牙芯片組(假定它是藍(lán)牙鏈路上的主設(shè)備)有能力控制頻率相位，并與WiMAX鏈路上的頻率取得同步。  

當(dāng)藍(lán)牙鏈路上的主設(shè)備是耳機(jī)而不是行動(dòng)手機(jī)時(shí)，可以執(zhí)行主從切換(藍(lán)牙術(shù)語(yǔ)為MSS)。一旦成為‘主設(shè)備’，手機(jī)藍(lán)牙芯片就能重置鏈路的頻率，并使之與WiMAX頻率對(duì)齊，有效地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)基的同步。隨著時(shí)間的推移，藍(lán)牙頻率與WiMAX頻率的相對(duì)相位可能出現(xiàn)偏差，因此可能要求重新同步藍(lán)牙頻率。圖2為兩條無(wú)線鏈路之間的時(shí)間和相位關(guān)系。 

在兩條鏈路取得同步并確定基本的重復(fù)模式后，下一步就是設(shè)立兼顧兩個(gè)協(xié)議工作原理的頻寬分配機(jī)制。藍(lán)牙SCO/HV3模式定義了一個(gè)重復(fù)的六時(shí)隙周期(3.75ms)，在此期間只有兩個(gè)連續(xù)時(shí)隙用于發(fā)射，一個(gè)用于主設(shè)備(用M代表)，一個(gè)用于從設(shè)備(用S代表)。在這個(gè)間隔時(shí)間內(nèi)行動(dòng)電話和耳機(jī)交換未壓縮的語(yǔ)音數(shù)據(jù)封包。另外4個(gè)時(shí)隙尚未使用。這是一種非常基本的模式，沒(méi)有定義任何調(diào)度機(jī)制、抖動(dòng)控制(在時(shí)隙級(jí))、重發(fā)、糾錯(cuò)技術(shù)甚至循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，因此任何錯(cuò)誤都將表現(xiàn)為‘喀喇’噪音。 

WiMAX訊框由一個(gè)從基地臺(tái)向所有注冊(cè)行動(dòng)站臺(tái)廣播發(fā)送的MAP消息組成。該消息映像了同一WiMAX訊框中不同行動(dòng)臺(tái)的接收間隔，同時(shí)在隨后的WiMAX訊框中分配發(fā)射間隔。緊隨MAP消息的是一個(gè)下行鏈路間隔或‘區(qū)域’(zone，為WiMAX術(shù)語(yǔ))，用于基地臺(tái)向注冊(cè)行動(dòng)站臺(tái)以廣播、群播或點(diǎn)播發(fā)射。在下行鏈路區(qū)后是上行鏈路區(qū)，用于行動(dòng)站臺(tái)在前面的WiMAX訊框期間接收發(fā)射分配時(shí)間。每個(gè)WiMAX訊框依次重復(fù)這種模式。 

根據(jù)藍(lán)牙語(yǔ)音模式的基本特點(diǎn)，確保正確并行操作的基本方針是保證連續(xù)的藍(lán)牙發(fā)射和接收時(shí)隙。因此，基地臺(tái)在這些間隔內(nèi)(24時(shí)隙中的6個(gè)時(shí)隙，或25%的時(shí)間標(biāo)識(shí)為‘阻塞’)必須被禁止向行動(dòng)手機(jī)發(fā)射或分配發(fā)送?，F(xiàn)在讓我們分析一下剩余75%的時(shí)間，以便了解哪些時(shí)間間隔適用于WiMAX鏈路。訊框[N]實(shí)際上未被行動(dòng)手機(jī)的WiMAX鏈路使用──這意味著下行鏈路間隔未被使用，這是因?yàn)殍b于藍(lán)牙優(yōu)先級(jí)(時(shí)隙B1和B2)問(wèn)題，行動(dòng)手機(jī)不能在訊框開(kāi)頭接收MAP消息。上行鏈路也由于藍(lán)牙優(yōu)先級(jí)(時(shí)隙B7和B8)的原因而未被使用。 

在訊框[N+1]期間，行動(dòng)手機(jī)可以接收和譯碼MAP消息，并允許它接收在B10和B12之間的間隙期(2.5ms)發(fā)送的突發(fā)訊號(hào)，直到下一次藍(lán)牙分配(時(shí)隙B13和B14)。不過(guò)，訊框[N+1]中的上行鏈路不能被行動(dòng)手機(jī)使用，因?yàn)樗鼪](méi)有接收到訊框[N]中的MAP消息，該消息用于分配訊框[N+1]的上行鏈路間隔中用于發(fā)射的頻寬。  
  
在訊框[N+2]中，由于藍(lán)牙占用了時(shí)隙B19和B20，行動(dòng)手機(jī)將不能接收來(lái)自基地臺(tái)的下行鏈路流量。訊框[N+2]的上行鏈路間隔可能已經(jīng)被賦予了訊框[N+1]之MAP消息中的發(fā)射機(jī)會(huì)，因此適用于行動(dòng)手機(jī)的發(fā)射。只要兩條鏈路保持有效，這種模式就會(huì)不斷重復(fù)。 

這種機(jī)制的潛在規(guī)則是需要WiMAX鏈路避免在某段時(shí)間內(nèi)發(fā)送訊號(hào)。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)： 

1.行動(dòng)手機(jī)可以使用某種WiMAX睡眠模式來(lái)避免在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)與基地臺(tái)產(chǎn)生影響。這種方法的缺點(diǎn)是在藍(lán)牙時(shí)隙B13和B14期間，在WiMAX的發(fā)送中，可能存在封包錯(cuò)誤率(PER)，不過(guò)這種可能性較低，而且在任何情況下都可以透過(guò)WiMAX中的前向糾錯(cuò)(FEC)和重發(fā)機(jī)制來(lái)加以克服。 

2.根據(jù)預(yù)先協(xié)商的手機(jī)功能信息，基地臺(tái)調(diào)度器禁止在B13和B14兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行接收和發(fā)射分配。這種方法要求對(duì)WiMAX標(biāo)準(zhǔn)作少量補(bǔ)充，以便支持手機(jī)和基地臺(tái)之間的共存功能協(xié)商。 

把Wi-Fi加入共存機(jī)制相對(duì)比較簡(jiǎn)單。Wi-Fi與以太網(wǎng)絡(luò)非常相似，也是一種載波偵聽(tīng)多址存取/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，此處不可能將異步協(xié)議同步到推薦的共存機(jī)制。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題可透過(guò)使用Wi-Fi中稱(chēng)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站點(diǎn)的功耗降至最低，手機(jī)在該模式下可以進(jìn)入睡眠模式，讓接取點(diǎn)緩沖存儲(chǔ)器所有發(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)，它向接取點(diǎn)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)訊框，接取點(diǎn)隨后將所有緩沖存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)，有效地保持了正常CSMA/CD作業(yè)的類(lèi)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)(24分之10，或42%)保持啟動(dòng)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)。 

圖2中的其它時(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。 

上述的共存方案具備許多優(yōu)勢(shì)，包括：1.只損失少許吞吐量就消除了共存問(wèn)題；2.可用于任何商用WiMAX基地臺(tái)、支持U-APSD的Wi-Fi接取點(diǎn)(大多數(shù)都支持)和藍(lán)牙耳機(jī)；3.無(wú)需對(duì)商用藍(lán)牙和Wi-Fi手機(jī)芯片組作任何硬件更動(dòng)。 

本文小結(jié) 

手機(jī)和手持設(shè)備中的WiMAX、藍(lán)牙和Wi-Fi共存帶來(lái)了艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谙噜彑o(wú)線頻帶上的發(fā)送可能會(huì)產(chǎn)生沖突，并嚴(yán)重降低性能。本文推薦的共存機(jī)制能以一種盡可能減少對(duì)各自無(wú)線鏈路性能影響的方式，實(shí)現(xiàn)WiMAX和藍(lán)牙頻率的同步、時(shí)間上共享無(wú)線頻帶，以及使Wi-Fi工作于U-APSD模式，有效地解決了這方面的挑戰(zhàn)。 

作者：Yigal Bitran  

合伙創(chuàng)辦人兼技術(shù)長(zhǎng)  

Eran Eshed  

合伙創(chuàng)辦人兼營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)部副總裁  

Altair Semiconductor  

*什么是WiMAX？ 

WiMAX代表Worldwide Interoperability for Microwave Access，是屬于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的一種點(diǎn)到多點(diǎn)寬帶無(wú)線存取技術(shù)。與802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的Wi-F網(wǎng)絡(luò)一樣，WiMAX也是一種無(wú)線上網(wǎng)技術(shù)，只是它的訊號(hào)范圍更廣、傳遞速度更快。Wi-Fi的傳輸率最高可達(dá)54 Mbps，傳輸范圍最遠(yuǎn)約一百公尺，而WiMAX的速度、范圍分別是74Mbps、48公里。目前除了固定接取式標(biāo)準(zhǔn)外，WiMAX行動(dòng)版本的制訂也已經(jīng)就緒。