对比蓝牙和Wi-Fi 共存在智能手机上的解决方案

　1 引言

　　设计同时包含Wi-Fi和蓝牙功能的消费类电子产品会遇到很多问题，特别是在要求同时工作模式的情况下。蓝牙和802.11b/gWLAN系统工作在2.4GHz频段，这两种技术都用到了可用频谱的重要部分（见图1）。

　　当WLAN设备和蓝牙设备靠得很近并试图同时收发无线信号时就会发生干扰。这两种技术采用不同的方法进行信号传送：载波侦听多路访问（CSMA）和跳频扩频。前者用于802.11b/g收发器，它在发送信号前会侦听空闲信道。所发送的信号带宽大约20MHz，将占用间距为25MHz、最多3个非重叠信道中的一个进行传输。

　　而蓝牙则采用跳频扩频技术在79个带宽为1MHz的信道间以每秒1,600跳的速率跳跃选频，在每个跳频点发送较短的时分复用数据包。当一个设备发起连接并成为该子网的主设备时，蓝牙连接就成功建立了。如果知道目标地址，设备就直接发送页面消息。如果目标地址未知，会先发送一个查询消息，跟着再发页面消息。一旦两个设备同步上以后，这两个具备蓝牙功能的设备就处于连接状态，并且每个设备会设定一个唯一的MAC）地址。通过简单的计算可以证实，蓝牙发射器输出的信号与802.11b/g信号在大约25%的时间内会有冲突。

　　这种共同信道干扰效应与信号的相对强度与数据包的发送长度和占空比密切相关。针对这种干扰现象所做的各种分析和仿真试验表明，干扰会严重影响其中一种或两种信号。相关标准提供了不同信号设计方法——802.11b使用的直接序列扩展频谱（DSSS）、802.11g使用的正交频分复用（OFDM）及蓝牙使用的跳频所导致的干扰反弹程度。这些标准还使用基于数据包重传和数据速率降低的协议。然而，这些对策会极大地降低数据吞吐量，从而严重影响一些设备的性能。例如蓝牙音频传送或WLAN上的VoIP，数据包差错率只要超过几个百分点就会导致无法忍受的音频时延甚至通话中断。下面提出了解决共存干扰的的两种方法——AFH（自适应跳频）和AFH与三线共存（时分复用）结合使用的技术。

　　2 AFH（自适应跳频）技术介绍及试验结果

　　AFH技术是对原始蓝牙跳频序列的一种改进，它允许蓝牙设备缩减跳频点的数量，其基本原理是通过分辨出ISM频段中优良和恶化的信道，从而避兔使用恶化信道，减少受干扰的程度。当蓝牙微微网进入AFH状态后，其跳频序列可使用的跳频点N的数量是动态变化的，其最大值不超过79。AFH只用于连接状态，而不会改变寻呼、查询等状态时的跳频序列。

　　自适应跳频选择机制的实现是基于原79跳系统（Bluetooth1.2协议中规定不再使用23跳系统）的频率选择核心，在其基础上增加了AFH_mode和AFH_channel_map两个参数。

　　AFH_mode指出当前选频核心是否可以使用自适应跳频序列；AFH_channel_map中指明哪些信道是可用的，哪些信道是不可用的。首先，原选频核心生成一个信道，如果这个信道是AFH_channel_map中定义的可用信道，则不作任何调整，直接作为跳频序列的输出；如果此信道包含在不可用信道中，则通过重定位函数将其映射成一个可用的信道。这种映射关系是一一对应的，就是说，如果给定了蓝牙地址、时钟以及AFH_channel_map，一个不可用的射频信道将被唯一地转换为一可用信道，这样保证了在同一微微网中使用AFH机制的主从设备能够保持跳频序列的同步。

　　在这种实现机制下，非自适应的79跳系统的跳频序列等于将全部信适设为可用的AFH选频核心产生的频率序列，这一属性使得可以方便地与原非AFH设备保持兼容。

　　AFH技术的另一点改变是：在原跳频系统中，主从节点分别采用不同的频率发送数据；当处于AFH状态时，在一次主从对话期间，从节点使用与主节点相同的射频信道向主节点响应数据包，这被称作AFH的相同信道机制。使用相同信道机制主要是由于在网中存在干扰的情况下，减少跳频可以防止从节点在发送响应分组时跳到可能发生冲突的信道上，保证至少在一次主从对话的过程中数据不易受到干扰，达到提高吞吐率的目的。

　　不幸的是，诸如AFH等技术是专门为2.4GHz设备设计用于检测和避免干扰的，还不足以实现蓝牙与WLAN的共存。当蓝牙与802.11设备共存于同一设计中时作为独立技术的AFH是远远不够的，这主要是因为WLAN设备必须提供较高的输出功率才能支持长距离、高数据速率、可靠的互联网、语音、数据和视频传输。图2给出了手机在同时使用蓝牙和Wi-Fi时的仿真图，此时Wi-Fi正在进行数据传输，蓝牙耳机正在接听由小灵通打进的电话。

　　单独使用AFH技术，结果使得Wi-Fi吞吐量下降20%左右，小灵通接听杂音大。由此可以看出手机的WIFI发送会干扰到手机蓝牙的接收。

　　3 AFH技术与三线共存（时分复用）技术结合解决干扰问题

　　AFH技术在上面已经介绍过了，单独使用AFH技术使用蓝牙耳机的通话效果不是很好，为了解决这种问题，在使用AFH技术的基础上又使用了三线共存（时分复用）技术。三线共存，顾名思义，就是使用三根线连接Wi-Fi和蓝牙，下面结合图3中Wi-Fi和蓝牙所示的三线连接图来描述一下三线共存的机制，其中主处理器使用的是TI公司的OMAP1621芯片。

　　由图3可以看出，三线连接由RF_ACTIVE，BT_STATE,WLAN_ACTIVE三根信号线组成。RF_ACTIVE是从蓝牙设备向Wi—Fi设备发送的信号线，它通知Wi—Fi设备此时蓝牙设备正在工作，RF_ACTIVE在整个蓝牙的发送与接收过程中都是有效的。由于硬件的需要，它必须连接到PIO7且不能改变。

　　BT_STATE也是由蓝牙设备向Wi—Fi设备发送的信号线，它通知Wi—Fi设备此时蓝牙是处于发送状态还是接收状态。由于硬件的需要，此信号线必须连接到蓝牙的PIO5管脚。

　　WLAN_ACTIVE是由Wi—Fi设备向蓝牙发送的信号线，它用来通知蓝牙Wi—Fi设备将要发送或接收数据，下一个蓝牙的操作应该被取消。这根信号线默认连接到PIO9。

　　此种类型的三线连接一般只能用于BlueCore4以及更高的蓝牙核上。

　　这里的三线共存实质上使用的是时分共存技术，当Wi—Fi设备将要发送或者接收数据的时候下一个蓝牙任务动作将会被取消。蓝牙任务在这里一般分为高优先级和低优先级两种，当高优先级任务工作的时候，如果此时Wi—Fi也在工作，这时候Wi—Fi任务将会被取消，当蓝牙执行低优先级任务的时候，如果有Wi—Fi也在工作，这时候蓝牙任务应该被取消。

　　使用AFH和三线共存两种技术很好的解决了蓝牙耳机通话的语音质量问题，而且Wi—Fi传输数据的效果也比较好。图4就是在同时使用这两种技术的情况下对蓝牙和Wi—Fi测试的仿真图。

　　4 结语

　　本文详细介绍了AFH技术和AFH技术与三线共存技术结合使用来解决智能手机上的蓝牙与Wi-Fi共存问题，通过试验结果得出了两种解决方法的效果，使用AFH技术和三线共存技术可以更好的解决蓝牙与Wi-Fi的共存问题。相信以后这种解决方案在同时拥有这两种无线的其他的终端上也会越来越多的得到应用。