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解决WiMAX、蓝牙和Wi-Fi在手机中的共存问题
作者：Yigal Bitran
来源：电子工程专辑
日期：2007-09-28 09:07:00
摘要：从单功能行动电话到具有丰富连接功能的各式多模多媒体设备，行动手机的发展非常迅速。这种发展趋势同时有益于用户、厂商、网络服务供货商和应用开发人员，但对手机OEM商来说，却意味着难度越来越高，因为不同的无线协议之间存在着难以处理的干扰问题，如蓝牙、Wi-Fi与WiMAX的整合。
从单功能行动电话到具有丰富连接功能的各式多模多媒体设备，行动手机的发展非常迅速。这种发展趋势同时有益于用户、厂商、网络服务供货商和应用开发人员，但对手机OEM商来说，却意味着难度越来越高，因为不同的无线协议之间存在着难以处理的干扰问题，如蓝牙、Wi-Fi与WiMAX的整合。
蓝牙是中阶/高阶手机中的标准配备功能，可提供耳机、笔记型计算机(无线PC调制解调器和/或同步功能)以及打印机等外围的短距离连接。Wi-Fi可让用户接取因特网、拨打VoIP电话。而WiMAX则预计很快会将与Wi-Fi相同的功能扩展到更远的距离，且性能更加稳定。
早在数年前，手机制造商就已体认到，蓝牙和Wi-Fi(2.4GHz频带)的频率非常接近，将二者的天线靠在一起，加上两种协议完全无法协调，最终将导致产生故障的严重性能挑战。为解决此一挑战，蓝牙和Wi-Fi芯片组供货商在产品中增加了共存接口，实现了在共享无线频率媒介上的仲裁，以防止冲突和讯号劣化。
随着行动WiMAX(IEEE802.16e)的问世，OEM又面临新的干扰挑战，这是因为新的WiMAX协议工作在多个频带，这在WiMAX术语中定义为‘类别’(profile)，而最常用的是2.3~2.4GHz和2.5~2.7GHz。这种频率区间虽然比蓝牙和Wi-Fi之间的大，但仍不足以避免共存问题的产生。
一种典型应用是，用户利用蓝牙耳机进行蜂巢式通话，同时透过电话的WiMAX无线链路下载电子邮件或浏览因特网，这时确保无线接口共存的完美机制就很重要。如果没有这种机制，语音质量和数据封包吞吐量下降将导致用户体验低劣。由于越来越多的终端用户使用蓝牙和Wi-Fi配件(如蓝牙耳机、Wi-Fi路由器)，因此，最佳解决方案必须能与已投入使用的设备共同运作，而非修改现有设备。
WiMAX和蓝牙干扰
此处将分析从WiMAX发射到蓝牙无线链路的干扰模式，并确定其影响。图1为一个由蓝牙耳机和带WiMAX功能的行动手机所组成的系统。蓝牙耳机的发射功率是0dBm。在耳机天线处收到的讯号电平是-40dBm。蓝牙规格要求接收器能够处理最高为-27dBm的干扰讯号。
本例中手机的WiMAX发射器工作在2.5~2.7GHz频带。WiMAX功率放大器(PA)的输出功率可能高达+25dBm。WiMAX和蓝牙发射天线彼此靠得很近，用户的手或手机摆放的表面通常会在它们之间造成10dB的路径损耗。这样一来，在蓝牙带通滤波器(BPF)输入端产生的讯号电平为+15dBm。BPF必须能通过高达2.48GHz的频率(最高的蓝牙跳频频率)，因此无法抑制超过3dB的无用WiMAX讯号，故至少有+12dBm的干扰讯号被传递到蓝牙低噪音放大器(LNA)。
假定蓝牙抑制能力为-27dBm，那么很明显无法有效抑制掉WiMAX讯号，这样就会产生阻塞。另外，蓝牙LNA输入端如此强的讯号可能会超过LNA的最大额定输入功率，最终导致严重的可靠性问题。
为了便于讨论，本文将以‘本地端’(local party)代表使用手机的一方，以‘远程’(remote party)代表正在通话的另一方。只要手机的蓝牙接收电路被WiMAX发射讯号阻塞，远程就会听到‘喀喇’声。
WiMAX阻塞对本地端的影响程度较低，因为从手机到耳机存在较高的路径损耗，但对本地端端点的干扰也不能被完全忽略。这种‘喀喇’声产生的概率非常高。假设在手机中，蓝牙接收器最多有1/6的时间在使用，根据WiMAX的使用情况，随着流量的增强，在较高频率处，蓝牙接收器将会被阻塞。如上所述，蓝牙发射对WiMAX接收有负面影响，但不是很严重。
解决共存挑战
根据上文的分析，显然无法消除或减轻无线电或实体层(PHY)的干扰，因为这种干扰是系统与生俱来的。因此，解决方案必须透过更高的层，即媒体存取控制(MAC)层来实现。在MAC层可实现不同协议之间的同步，并保证共享频谱上的频宽能够以时分多任务、异步和公平的方式得到分配。这种解决方案可以消除任何潜在的冲突，同时仍能保持固有的链路性能。
就WiMAX、蓝牙和Wi-Fi发射和接收的各种组合来看，有许多应用场合和使用问题必须解决，每种情况都有不同的链路扫描、设立和活动模式。为了讨论的连贯性，我们仍使用上面的例子来解释推荐的共存解决方案。后面还会在上述范例中增加Wi-Fi无线链路，该链路具备以下特性：
‧行动手机和WiMAX基地台之间的有效WiMAX链路。
‧工作在SCO/HV3模式(用于商用蓝牙耳机之标准模式)的有效蓝牙语音链路。
第一步是同步协议的时间基准。首先，我们必须找到不同系统频率之间的‘最小公倍数’，并确保它们能协调运作。蓝牙SCO/HV3模式的时基是625us，而WiMAX的时基是基于5ms的讯框。这意味着最小时间间隔为15ms，在此期间可以处理3个WiMAX讯框和24个蓝牙时隙。一旦解决方案被认为能够满足15ms的时间间隔，重复模式就可确保该解决方案基本上适用于这种模式。
在确定重复模式后，有必要确保两个时基是同步的，并在整个链路的并行操作过程中仍能保持同步。由于WiMAX基地台决定了时基，因此行动手机不可能控制相对于蓝牙时基的相位。另一方面，行动手机中的蓝牙芯片组(假定它是蓝牙链路上的主设备)有能力控制频率相位，并与WiMAX链路上的频率取得同步。
当蓝牙链路上的主设备是耳机而不是行动手机时，可以执行主从切换(蓝牙术语为MSS)。一旦成为‘主设备’，手机蓝牙芯片就能重置链路的频率，并使之与WiMAX频率对齐，有效地实现两个时基的同步。随着时间的推移，蓝牙频率与WiMAX频率的相对相位可能出现偏差，因此可能要求重新同步蓝牙频率。图2为两条无线链路之间的时间和相位关系。
在两条链路取得同步并确定基本的重复模式后，下一步就是设立兼顾两个协议工作原理的频宽分配机制。蓝牙SCO/HV3模式定义了一个重复的六时隙周期(3.75ms)，在此期间只有两个连续时隙用于发射，一个用于主设备(用M代表)，一个用于从设备(用S代表)。在这个间隔时间内行动电话和耳机交换未压缩的语音数据封包。另外4个时隙尚未使用。这是一种非常基本的模式，没有定义任何调度机制、抖动控制(在时隙级)、重发、纠错技术甚至循环冗余校验(CRC)，因此任何错误都将表现为‘喀喇’噪音。
WiMAX讯框由一个从基地台向所有注册行动站台广播发送的MAP消息组成。该消息映像了同一WiMAX讯框中不同行动台的接收间隔，同时在随后的WiMAX讯框中分配发射间隔。紧随MAP消息的是一个下行链路间隔或‘区域’(zone，为WiMAX术语)，用于基地台向注册行动站台以广播、群播或点播发射。在下行链路区后是上行链路区，用于行动站台在前面的WiMAX讯框期间接收发射分配时间。每个WiMAX讯框依次重复这种模式。
根据蓝牙语音模式的基本特点，确保正确并行操作的基本方针是保证连续的蓝牙发射和接收时隙。因此，基地台在这些间隔内(24时隙中的6个时隙，或25%的时间标识为‘阻塞’)必须被禁止向行动手机发射或分配发送。现在让我们分析一下剩余75%的时间，以便了解哪些时间间隔适用于WiMAX链路。讯框[N]实际上未被行动手机的WiMAX链路使用──这意味着下行链路间隔未被使用，这是因为鉴于蓝牙优先级(时隙B1和B2)问题，行动手机不能在讯框开头接收MAP消息。上行链路也由于蓝牙优先级(时隙B7和B8)的原因而未被使用。
在讯框[N+1]期间，行动手机可以接收和译码MAP消息，并允许它接收在B10和B12之间的间隙期(2.5ms)发送的突发讯号，直到下一次蓝牙分配(时隙B13和B14)。不过，讯框[N+1]中的上行链路不能被行动手机使用，因为它没有接收到讯框[N]中的MAP消息，该消息用于分配讯框[N+1]的上行链路间隔中用于发射的频宽。
在讯框[N+2]中，由于蓝牙占用了时隙B19和B20，行动手机将不能接收来自基地台的下行链路流量。讯框[N+2]的上行链路间隔可能已经被赋予了讯框[N+1]之MAP消息中的发射机会，因此适用于行动手机的发射。只要两条链路保持有效，这种模式就会不断重复。
这种机制的潜在规则是需要WiMAX链路避免在某段时间内发送讯号。有两种方法可以实现这一点：
1.行动手机可以使用某种WiMAX睡眠模式来避免在相应时间内与基地台产生影响。这种方法的缺点是在蓝牙时隙B13和B14期间，在WiMAX的发送中，可能存在封包错误率(PER)，不过这种可能性较低，而且在任何情况下都可以透过WiMAX中的前向纠错(FEC)和重发机制来加以克服。
2.根据预先协商的手机功能信息，基地台调度器禁止在B13和B14两个时隙内进行接收和发射分配。这种方法要求对WiMAX标准作少量补充，以便支持手机和基地台之间的共存功能协商。
把Wi-Fi加入共存机制相对比较简单。Wi-Fi与以太网络非常相似，也是一种载波侦听多址存取/冲突检测(CSMA/CD)协议，它采用的不是时间分配机制，而是冲突检测和随机后退方法。
因此，此处不可能将异步协议同步到推荐的共存机制。不过这个问题可透过使用Wi-Fi中称为非排程自动省电(U-APSD)的模式加以解决。这种模式一般用于把Wi-Fi站点的功耗降至最低，手机在该模式下可以进入睡眠模式，让接取点缓冲存储器所有发送往手机的信息，直到预定义的缓冲器溢出。当手机退出睡眠模式时，它向接取点发送一个触发讯框，接取点随后将所有缓冲存储器的数据发送给手机，有效地保持了正常CSMA/CD作业的类似性能。
这种模式在推荐共存机制中的使用方法是强迫手机Wi-Fi模式在间隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期间进入U-APSD睡眠模式，并在其它时间内(24分之10，或42%)保持启动状态。这样对Wi-Fi吞吐量造成的影响是很小的，可忽略不计。
图2中的其它时隙(标记为‘OP’)代表了对某个无线链路来说可能可用也可能不可用的发射和接收机会，这些时隙可以用任何传统的优先级算法进行分配。
上述的共存方案具备许多优势，包括：1.只损失少许吞吐量就消除了共存问题；2.可用于任何商用WiMAX基地台、支持U-APSD的Wi-Fi接取点(大多数都支持)和蓝牙耳机；3.无需对商用蓝牙和Wi-Fi手机芯片组作任何硬件更动。
本文小结
手机和手持设备中的WiMAX、蓝牙和Wi-Fi共存带来了艰巨的技术挑战，因为它们在相邻无线频带上的发送可能会产生冲突，并严重降低性能。本文推荐的共存机制能以一种尽可能减少对各自无线链路性能影响的方式，实现WiMAX和蓝牙频率的同步、时间上共享无线频带，以及使Wi-Fi工作于U-APSD模式，有效地解决了这方面的挑战。
作者：Yigal Bitran
合伙创办人兼技术长
Eran Eshed
合伙创办人兼营销和业务开发部副总裁
Altair Semiconductor
*什么是WiMAX？
WiMAX代表Worldwide Interoperability for Microwave Access，是属于IEEE 802.16标准的一种点到多点宽带无线存取技术。与802.11标准定义的Wi-F网络一样，WiMAX也是一种无线上网技术，只是它的讯号范围更广、传递速度更快。Wi-Fi的传输率最高可达54 Mbps，传输范围最远约一百公尺，而WiMAX的速度、范围分别是74Mbps、48公里。目前除了固定接取式标准外，WiMAX行动版本的制订也已经就绪。
蓝牙是中阶/高阶手机中的标准配备功能，可提供耳机、笔记型计算机(无线PC调制解调器和/或同步功能)以及打印机等外围的短距离连接。Wi-Fi可让用户接取因特网、拨打VoIP电话。而WiMAX则预计很快会将与Wi-Fi相同的功能扩展到更远的距离，且性能更加稳定。
早在数年前，手机制造商就已体认到，蓝牙和Wi-Fi(2.4GHz频带)的频率非常接近，将二者的天线靠在一起，加上两种协议完全无法协调，最终将导致产生故障的严重性能挑战。为解决此一挑战，蓝牙和Wi-Fi芯片组供货商在产品中增加了共存接口，实现了在共享无线频率媒介上的仲裁，以防止冲突和讯号劣化。
随着行动WiMAX(IEEE802.16e)的问世，OEM又面临新的干扰挑战，这是因为新的WiMAX协议工作在多个频带，这在WiMAX术语中定义为‘类别’(profile)，而最常用的是2.3~2.4GHz和2.5~2.7GHz。这种频率区间虽然比蓝牙和Wi-Fi之间的大，但仍不足以避免共存问题的产生。
一种典型应用是，用户利用蓝牙耳机进行蜂巢式通话，同时透过电话的WiMAX无线链路下载电子邮件或浏览因特网，这时确保无线接口共存的完美机制就很重要。如果没有这种机制，语音质量和数据封包吞吐量下降将导致用户体验低劣。由于越来越多的终端用户使用蓝牙和Wi-Fi配件(如蓝牙耳机、Wi-Fi路由器)，因此，最佳解决方案必须能与已投入使用的设备共同运作，而非修改现有设备。
WiMAX和蓝牙干扰
此处将分析从WiMAX发射到蓝牙无线链路的干扰模式，并确定其影响。图1为一个由蓝牙耳机和带WiMAX功能的行动手机所组成的系统。蓝牙耳机的发射功率是0dBm。在耳机天线处收到的讯号电平是-40dBm。蓝牙规格要求接收器能够处理最高为-27dBm的干扰讯号。
本例中手机的WiMAX发射器工作在2.5~2.7GHz频带。WiMAX功率放大器(PA)的输出功率可能高达+25dBm。WiMAX和蓝牙发射天线彼此靠得很近，用户的手或手机摆放的表面通常会在它们之间造成10dB的路径损耗。这样一来，在蓝牙带通滤波器(BPF)输入端产生的讯号电平为+15dBm。BPF必须能通过高达2.48GHz的频率(最高的蓝牙跳频频率)，因此无法抑制超过3dB的无用WiMAX讯号，故至少有+12dBm的干扰讯号被传递到蓝牙低噪音放大器(LNA)。
假定蓝牙抑制能力为-27dBm，那么很明显无法有效抑制掉WiMAX讯号，这样就会产生阻塞。另外，蓝牙LNA输入端如此强的讯号可能会超过LNA的最大额定输入功率，最终导致严重的可靠性问题。
为了便于讨论，本文将以‘本地端’(local party)代表使用手机的一方，以‘远程’(remote party)代表正在通话的另一方。只要手机的蓝牙接收电路被WiMAX发射讯号阻塞，远程就会听到‘喀喇’声。
WiMAX阻塞对本地端的影响程度较低，因为从手机到耳机存在较高的路径损耗，但对本地端端点的干扰也不能被完全忽略。这种‘喀喇’声产生的概率非常高。假设在手机中，蓝牙接收器最多有1/6的时间在使用，根据WiMAX的使用情况，随着流量的增强，在较高频率处，蓝牙接收器将会被阻塞。如上所述，蓝牙发射对WiMAX接收有负面影响，但不是很严重。
解决共存挑战
根据上文的分析，显然无法消除或减轻无线电或实体层(PHY)的干扰，因为这种干扰是系统与生俱来的。因此，解决方案必须透过更高的层，即媒体存取控制(MAC)层来实现。在MAC层可实现不同协议之间的同步，并保证共享频谱上的频宽能够以时分多任务、异步和公平的方式得到分配。这种解决方案可以消除任何潜在的冲突，同时仍能保持固有的链路性能。
就WiMAX、蓝牙和Wi-Fi发射和接收的各种组合来看，有许多应用场合和使用问题必须解决，每种情况都有不同的链路扫描、设立和活动模式。为了讨论的连贯性，我们仍使用上面的例子来解释推荐的共存解决方案。后面还会在上述范例中增加Wi-Fi无线链路，该链路具备以下特性：
‧行动手机和WiMAX基地台之间的有效WiMAX链路。
‧工作在SCO/HV3模式(用于商用蓝牙耳机之标准模式)的有效蓝牙语音链路。
第一步是同步协议的时间基准。首先，我们必须找到不同系统频率之间的‘最小公倍数’，并确保它们能协调运作。蓝牙SCO/HV3模式的时基是625us，而WiMAX的时基是基于5ms的讯框。这意味着最小时间间隔为15ms，在此期间可以处理3个WiMAX讯框和24个蓝牙时隙。一旦解决方案被认为能够满足15ms的时间间隔，重复模式就可确保该解决方案基本上适用于这种模式。
在确定重复模式后，有必要确保两个时基是同步的，并在整个链路的并行操作过程中仍能保持同步。由于WiMAX基地台决定了时基，因此行动手机不可能控制相对于蓝牙时基的相位。另一方面，行动手机中的蓝牙芯片组(假定它是蓝牙链路上的主设备)有能力控制频率相位，并与WiMAX链路上的频率取得同步。
当蓝牙链路上的主设备是耳机而不是行动手机时，可以执行主从切换(蓝牙术语为MSS)。一旦成为‘主设备’，手机蓝牙芯片就能重置链路的频率，并使之与WiMAX频率对齐，有效地实现两个时基的同步。随着时间的推移，蓝牙频率与WiMAX频率的相对相位可能出现偏差，因此可能要求重新同步蓝牙频率。图2为两条无线链路之间的时间和相位关系。
在两条链路取得同步并确定基本的重复模式后，下一步就是设立兼顾两个协议工作原理的频宽分配机制。蓝牙SCO/HV3模式定义了一个重复的六时隙周期(3.75ms)，在此期间只有两个连续时隙用于发射，一个用于主设备(用M代表)，一个用于从设备(用S代表)。在这个间隔时间内行动电话和耳机交换未压缩的语音数据封包。另外4个时隙尚未使用。这是一种非常基本的模式，没有定义任何调度机制、抖动控制(在时隙级)、重发、纠错技术甚至循环冗余校验(CRC)，因此任何错误都将表现为‘喀喇’噪音。
WiMAX讯框由一个从基地台向所有注册行动站台广播发送的MAP消息组成。该消息映像了同一WiMAX讯框中不同行动台的接收间隔，同时在随后的WiMAX讯框中分配发射间隔。紧随MAP消息的是一个下行链路间隔或‘区域’(zone，为WiMAX术语)，用于基地台向注册行动站台以广播、群播或点播发射。在下行链路区后是上行链路区，用于行动站台在前面的WiMAX讯框期间接收发射分配时间。每个WiMAX讯框依次重复这种模式。
根据蓝牙语音模式的基本特点，确保正确并行操作的基本方针是保证连续的蓝牙发射和接收时隙。因此，基地台在这些间隔内(24时隙中的6个时隙，或25%的时间标识为‘阻塞’)必须被禁止向行动手机发射或分配发送。现在让我们分析一下剩余75%的时间，以便了解哪些时间间隔适用于WiMAX链路。讯框[N]实际上未被行动手机的WiMAX链路使用──这意味着下行链路间隔未被使用，这是因为鉴于蓝牙优先级(时隙B1和B2)问题，行动手机不能在讯框开头接收MAP消息。上行链路也由于蓝牙优先级(时隙B7和B8)的原因而未被使用。
在讯框[N+1]期间，行动手机可以接收和译码MAP消息，并允许它接收在B10和B12之间的间隙期(2.5ms)发送的突发讯号，直到下一次蓝牙分配(时隙B13和B14)。不过，讯框[N+1]中的上行链路不能被行动手机使用，因为它没有接收到讯框[N]中的MAP消息，该消息用于分配讯框[N+1]的上行链路间隔中用于发射的频宽。
在讯框[N+2]中，由于蓝牙占用了时隙B19和B20，行动手机将不能接收来自基地台的下行链路流量。讯框[N+2]的上行链路间隔可能已经被赋予了讯框[N+1]之MAP消息中的发射机会，因此适用于行动手机的发射。只要两条链路保持有效，这种模式就会不断重复。
这种机制的潜在规则是需要WiMAX链路避免在某段时间内发送讯号。有两种方法可以实现这一点：
1.行动手机可以使用某种WiMAX睡眠模式来避免在相应时间内与基地台产生影响。这种方法的缺点是在蓝牙时隙B13和B14期间，在WiMAX的发送中，可能存在封包错误率(PER)，不过这种可能性较低，而且在任何情况下都可以透过WiMAX中的前向纠错(FEC)和重发机制来加以克服。
2.根据预先协商的手机功能信息，基地台调度器禁止在B13和B14两个时隙内进行接收和发射分配。这种方法要求对WiMAX标准作少量补充，以便支持手机和基地台之间的共存功能协商。
把Wi-Fi加入共存机制相对比较简单。Wi-Fi与以太网络非常相似，也是一种载波侦听多址存取/冲突检测(CSMA/CD)协议，它采用的不是时间分配机制，而是冲突检测和随机后退方法。
因此，此处不可能将异步协议同步到推荐的共存机制。不过这个问题可透过使用Wi-Fi中称为非排程自动省电(U-APSD)的模式加以解决。这种模式一般用于把Wi-Fi站点的功耗降至最低，手机在该模式下可以进入睡眠模式，让接取点缓冲存储器所有发送往手机的信息，直到预定义的缓冲器溢出。当手机退出睡眠模式时，它向接取点发送一个触发讯框，接取点随后将所有缓冲存储器的数据发送给手机，有效地保持了正常CSMA/CD作业的类似性能。
这种模式在推荐共存机制中的使用方法是强迫手机Wi-Fi模式在间隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期间进入U-APSD睡眠模式，并在其它时间内(24分之10，或42%)保持启动状态。这样对Wi-Fi吞吐量造成的影响是很小的，可忽略不计。
图2中的其它时隙(标记为‘OP’)代表了对某个无线链路来说可能可用也可能不可用的发射和接收机会，这些时隙可以用任何传统的优先级算法进行分配。
上述的共存方案具备许多优势，包括：1.只损失少许吞吐量就消除了共存问题；2.可用于任何商用WiMAX基地台、支持U-APSD的Wi-Fi接取点(大多数都支持)和蓝牙耳机；3.无需对商用蓝牙和Wi-Fi手机芯片组作任何硬件更动。
本文小结
手机和手持设备中的WiMAX、蓝牙和Wi-Fi共存带来了艰巨的技术挑战，因为它们在相邻无线频带上的发送可能会产生冲突，并严重降低性能。本文推荐的共存机制能以一种尽可能减少对各自无线链路性能影响的方式，实现WiMAX和蓝牙频率的同步、时间上共享无线频带，以及使Wi-Fi工作于U-APSD模式，有效地解决了这方面的挑战。
作者：Yigal Bitran
合伙创办人兼技术长
Eran Eshed
合伙创办人兼营销和业务开发部副总裁
Altair Semiconductor
*什么是WiMAX？
WiMAX代表Worldwide Interoperability for Microwave Access，是属于IEEE 802.16标准的一种点到多点宽带无线存取技术。与802.11标准定义的Wi-F网络一样，WiMAX也是一种无线上网技术，只是它的讯号范围更广、传递速度更快。Wi-Fi的传输率最高可达54 Mbps，传输范围最远约一百公尺，而WiMAX的速度、范围分别是74Mbps、48公里。目前除了固定接取式标准外，WiMAX行动版本的制订也已经就绪。
