蓝牙与802_11b干扰问题的优化解决方案

蓝牙与802_11b干扰问题的优化解决方案 蓝牙与 802.干扰问题的优化解决方案11 b 吴彦奇,朱刚 ()北京交通大学 电子信息工程学院, 北京 100044 摘要: 本文提出一种自适应包选择延迟发送方法, 解决蓝牙与 802. 11b 的干扰问题。 这种 方法属于非协作共存技术范畴, 其原理为: 蓝牙单元根据信道质量的不同, 选择不同长度的分 组和发送时间, 以躲避冲突, 避免同频干扰。仿真结果说明, 此机制使蓝牙与802. 11的丢包率b 降低到接近零, 使 802. 11b 数据包网络通过率提高了近 30% 。 关键词: 自适应包选择延迟发送; 蓝牙; 802. 11; 干扰; 共存机制b () 中图分类号: TN 919. 1 文献标识码: A 文章编号: 100328329 20060220043205 A M e tho d to O p t im ize an d R e so lve th e In te rfe ren ce 11802. b B e tw een B lu e too th an d 2, W U Y an q iZHU Gan g (), , 100044, Schoo l o f E lec t ro n ic s and Info rm a t io n E ng inee r ingB e ijing J iao to ng U n ive r sityB e ijing C h inaA bstra c t: T h is p ap e r p u t s fo rw a rd a m e tho d o f adap t ive p ack e t se lec t io n an d t ran sm it t in g 802. 11. de lay to re so lve th e in te rfe ren ce b e tw een B lu e too th an d bT h is m e tho d b e lo n g s to a . k in d o f no n co llabo ra t ive co ex isten ceT h e B lu e too th dev ice s se lec t d iffe ren t k in d o f p ack e t . an d t ran sm it t in g t im e acco rd in g to th e qu a lity o f ch an n e l to avo id o ve r lapT h e re su lt s o f sim u la t io n show ed th is m e tho d w a s eff ic ien t to dec rea se p ack e t lo ss ra te an d in c rea se th e .th ro u ghp u t 802. t ran sm it t in g de lay; b lu e too th; 11b; Key word s: adap t ive p ack e t se lec t io n an d ; in te rfe ren ceco ex isten ce 方法而言, 现在较受关注的有两种, 都属于非合作共 (存 方 式,一 种 是 自 适 应 跳 频 A FH : A dap t ive 1 引言 1, 2 ) , 此方法受到法规、接收灵 F requ en cy H opp in g 目前, 已研究提出的克服蓝牙与 802. 11干扰,敏度等限制, 且只适用于未来使用新标准后生产的b , 仍然无法解决目前蓝牙设备和 802.蓝牙设备实现共存的机制, 根据两系统是否能够交换信息而 11b () 分 为合作方式 与非合作之间的干扰问题; 另一种方法在假定可以通过其他co llabo ra t ive co ex isten ce ( ) 方 式 两 类, 其 中 包 技术检测干扰规律基础上, 通过流量调度,“减少因 no n co llabo ra t ive co ex isten ce (括: 法规和标准、使用方式、技术方法等方面。就技术 使用相同频率同时发送分组而引起的碰撞”:OL A Ξ ( ) 基金项目: 北京交通大学“十五”专项基金资助项目 2002019。 SM ( ) 作者简介: 吴彦奇 1980- , 男, 吉林松原人, 北京交通大学硕士生。 研究方向为无线宽带与个人通信。 3 () 降低同频干扰, 取得较好效 , , F 为一段时间内 _ 其中O ve rL ap A vo idan cei2num be r o f lo st p acke t ch an n e lsta te果, 成为比较典型的方法。这种方法属于层技 ) M A C _ up da te_ in in te rva l在该跳频点上传输信息时丢 术, 而层技术包含硬件和软件, 解决干扰问题M A C 掉的包数, F i2num be r o f rece ived p acke t 为成功接收的包数。设 代价相对较小。 本文提出自适应包选择延迟发送机 定丢包率门限值为 g 。 当丢包率大于门限 p acke t lo ss ga te 制。 此机制属于方法, 但与以往提出的躲避分 OL A 时, 认为信道是不良信道, 否则, 认定为良好信道, 由 组碰撞的方法有区别。此机制解决蓝牙链路与A CL 此可以得出信道状态表如下: 表 1 主单元信道状态802. 11b 的干扰问题更有效, 且易于实现。 信道 2220178M a stF M a stF M a stF 2 自适应包选择延迟发送方法 ] ] ] 状态 2220 178M a stS ta te M a stS ta te M a stS ta te 表 2 从单元信道状态 蓝牙标准为了满足不同的应用需要, 定义了不 信道2220178 S laveF S laveF S laveF 同类型信息包。 信息包包括话音包和数据包。 其中 状态 2220 ] 1] 78 ]S laveS ta te S laveS ta te S laveS ta te 数据包长度分为一个时隙、三个时隙和五个时隙三 种类型。一般来讲, 如果蓝牙自适应层能够基于应用 其 中 2, 2表 示 蓝 牙 主 单 元 信 道, 078 M a stF M a stF 的需要和无线信道情况, 选择不同类型数据包进行 2, 2表示主单元信道 0 78 M a stS ta te M a stS ta te 传输, 则可以达到最佳传输效果。目前已经研究了根 对应状态; 2, 2表示蓝牙从单元信078 S laveF S laveF 4 据不同应用选择不同类型的包。此外, 也研究了根 道, 2, 2表示从单元信 0 78 S laveS ta te S laveS ta te ( 据无线信道的状况 主要基于误码率或者丢包率等 道对应状态。 5, 6 ) 评估手段选择不同类型的包, 信道传输质量较 蓝牙的数据传输是由主单元控制, 因此, 从单元 差时选择短包传输, 以减小信道同频干扰对信息传 必须将主单元的最新信道状态表通知主单元。为此, 输的影响, 信道传输质量较好时, 选择长包传输, 以 ) (我们定义一个新的链路管理, 用以 LM P PDU 提高传输效率, 增加网络的吞吐量。 但是, 这种通过 携 带 主 单 元 信 道 状 态。 从 单 元 每 隔 一 定 时 间 选择不同长度类型传输分组克服相互干扰方法, 没 ( ) _ _ _ 计 算 一 次 丢 ch an n e lsta te up da te in in te rva l有从根本上解决引起干扰的碰撞问题, 效果不明显。 包率、刷新信道状态表并通过上述 发送到主单PDU 这种包选择机制并不能完全消除干扰。因此, 本文提 元。出自适应包选择延迟发送方法。 蓝牙单元在一段时 2. 2 自适应包选择延迟发送机制间内对信道进行评估, 然后根据信道质量好坏自适 蓝牙物理信道是一个时分双工的跳频信道, 信 应地选择发送时间和包的大小, 从而最大程度地避道之间以彼此近似正交的跳频序列区分。 信道使用 免了碰撞, 理论上能够消除干扰影响。该方法适用于伪随机跳频序列表示, 频率在 79 个射频信道中随机 (A CL 就是说蓝牙主从单元之间没有语音的传 链路 跳变。每个微网使用唯一信道跳频序列, 它是根据主)输。自适应包选择延迟发送方法主要由两部分功能 单元蓝牙设备地址确定。 信道以时隙为单位传输信 () () 块组成: 1信道评估, 2自适应包选择延迟发送机 () (息, 在一个时隙 单时隙分组情况或多个时隙 多时 制。 ) 隙分组情况内采用一个射频跳频点传输信息。频率 2. 1 信道评估跳变速度是1600 跳。一个时隙的长度为625 微秒。ƒs 7 以往的研究工作表明, 对于很多减小干扰影 在时隙中主单元和从单元以时分复用方式, 交替传 (响的机制来说, 信道评估都是必不可少的一部分 比 输分组。主单元在偶数时隙开始传输分组, 从单元仅 )如说自适应跳频。我们将根据蓝牙发送单元的丢包 在奇数时隙开始传输分组。 一个分组传输时间可以 率对信道进行评估。 发送单元的丢包率在接收单元 占用一个时隙、三个时隙或五个时隙。传输某个分组 端计算, 并且与跳频点有关。 因此, 定义跳频点相关 期间, 跳频保持不变。 对于传输单时隙分组, 使用的() 的丢包率 F 其中 0 ? i ?78计算公式为:i2 p acke t lo ss 跳频由当前蓝牙时钟值导出。对于传输多时隙分组, F i2num be r o f lo st p acke tF = i2p acke t lo ss F + F i2num be r o f lo st p acke t i2num be r o f rece ived p acke t跳频根据传输首时隙时钟值导出。 传输多时隙分组 值确定。根据蓝牙标准规定, 链路可以占用一、A CL 三、五时隙传输数据, 但是, 目前在实际使用过程中,占用时隙方式是固定的。 我们提出的这一个算法就 是在满足上面这个条件的基础上, 根据信道的情况 采用延迟发送机制。 具体如下: () 1单时隙包处理机制 在发送该单时隙包之 前, 主单元先查看一下由 信道评估机制产生的ƒ的信道状态表。 m a ste rslave 在图 1 中, 如果 f 和 f 只要有一个是不良信道, 那1 2 么主单元就延迟到下一个偶数时隙来接着判断是否可 以发送。只有 f 、f 全是优良信道, 该数据包才能 12 在该时刻发送。 图 1 时隙与信道 () 在发送这个三时隙2三时隙数据包处理机制 包之前, 主单元先检查 f 和k f k + 3 是否都是优良信道, 只有这两个频率都是优良 信道, 这个包才允许发送; 如果 f 是不良信道, 这个 k 图 2 算法图 三时隙的数据包就延迟到 f 进行发送, 在发送之 k + 2 2. 3 方法比较 前也要经过这样的判决; 如果 f 是优良信道, f k k + 3 3 以往的方法 由于 802. 11系统总是在OL A b 是不良信道, 那么首先判断 f 是不是优良信道, k + 1 22频段内通信, 所以假定蓝牙系统能够通过检 M H z 如果是, 那么将数据封装成单时隙的数据包进行发 测识别出 802. 11系统占用频段。 如果某一时刻蓝 b 送, 如果不是, 那么就延迟到 f 进行发送判决。 k + 2 () 牙主单元准备以跳频点 f 发送 k k = 1、3、5时隙2n () 五时隙包也采用近3五时隙数据包处理机制 分 组并发现 f 2n+ k 将落入 802. 11 系统 22M H z 频段似的机制, 如果 f 和 f 都k k + 5 ’ ’ ’ () 内, 则改以 k 时隙 k = 1、3、5, k ? k 分组发送, 使 是优良信道, 这个包允许发送; 如果 f k 是不良信道,’ 接 收频点成为 f , 避免发生频率冲突; 如果某一 2n+ k 这个五时隙的数据包就延迟到 f 进行发送判决;k + 2 () 时刻蓝牙主单元将以跳频点 f 、f m = 2、4、62n2n + m 如果 f 是优良信道, f 是不良信道, 那么首先判 k k + 5 连 续 发 送 分 组 并 发 现 f 将 落 入 802. 11 系 统2n+ m 断 f 是不是优良信道, 如果是, 那么将数据封装k + 3 ’ () 22频段内, 则要求应答从单元发送 m - 1时 M H z 成三时隙的数据包进行发送, 如果不是, 那么就判断’ ’ () 隙 m = 2、4、6, m ?m 分组, 使主单元下一个发送 f 是否是优良信道, 如果是, 那么封装成单时隙包 k + 1 ’ 频点改为 f , 避免频率冲突。如果所有可供选择 2n+ m 进 行发送, 如果 f 和 f 同样也为不良信道, 那k + 1 k + 3 的分组对应传输频点均无法避免频率冲突, 则暂不 么就延迟到 f 进行上面这种判决机制。如图 2 是 k + 2 发送, 等待其余恰当跳频点。由此可看出自适应包选此机制的算法流程图。 ( ) 择延迟发送方法相对于此方法的优点: 1此OL A 方法没有考虑当前蓝牙主单元发送频点的信OL A 道情况, 而自适应包选择延迟发送方法考虑了, 这样 ( ) 会 进一步减小干扰; 2自适应包选择延迟发送方 法没有使用时隙覆盖, 节省功率。 3 仿真分析 3. 1 仿真参数设定 我们使用一个 4 节点的拓扑: 包括两个蓝牙节 ( ( ) 点 1 个和 1 个 两个 802. 11设备 1, m a ste r slaveb ) 个A P 和1 个移动节点。无线局域网A P 与蓝牙节点在距离两米的范围内。我们设定 802. 11采用b CC K 调制方式, 速率为 11移动节点向发送数 ƒ, M b itsA P 图 3无线局域网丢包率 据, 只是发送消息。802. 11的包长设定为A P A C K b 8000b it s, 包与包之间的间隔服从指数分布, 均值为 1. 86。 蓝牙设定层接收的上层消息长度为m sM A C 500, 消 息 间 隔 时 间 满 足 指 数 分 布, 均 值 为 0.b it s 92。 蓝牙和 802. 11的发射功率分别为 1和m sb mW 25。mW 3. 2 结果与分析 通过仿真, 我们来看一下采用自适应包选择延 迟发送机制与不采用此机制对丢包率、网络通过率 以及网络时延的影响。 图 3, 图 5 给 出 了 使 用 和 不 使 用 此 机 制 时 、蓝牙主单元、蓝牙从单元的丢包率。 我们定义 w lan 此处的丢包率 p 为从传输数据开始到现在时 p acke t lo ss 间 内 丢 掉 的 包 数 n 除 以 丢 掉 的 包 数num be r o f lo st p acke t 图 4蓝牙主单元丢包率 n 与成功接收的包数 n 之 num be r o f lo st p acke t num be r o f rece ived p acke t 和, 即: n num b e r o f lo st p acke t ()p = 2 p acke t lo ss num be r o f rece ived p ack e t num be r o f lo st p ack e t n + n 从图 3, 图 5 中可发现使用此机制使丢包率明 显减小。 实际上, 在对信道进行一段时间的评估之 后, 各单元几乎不再丢包, 即 n 不 再 明num be r o f lo st p acke t 显增长, 而相反 n 在逐渐增长, 故曲线 num be r o f rece ived p acke t 急剧下降, 直至丢包率接近为零。我们来看一下此机 制对于提高 的网络吞吐量的影响, 如图 6 所 w lan 示, 从图中看出使用此机制比不使用此机制的w lan 网络通过率约提高了 30% 。此机制对网络时延的影响如图 7, 从图中可看出使用此机制并没有使时延 明显增大。 图 5蓝牙从单元丢包率 参考文献 1 Gan H , and T re iste r B. A dap t ive F requency H opp ing 802. 15. 12ƒIm p lem en ta t io n P ropo sa ls fo r IE E E W PA N [ EB ƒOL . h t tp : ƒƒwww. ieee802. o rgƒ15ƒ p ub T G2 - Co ex istence - M ech an ism s. h tm l, 2000 - ƒ 11 . 2 , , . . , . . , T re iste r B Gan H B C h en KCC h en HKB a t ra . , . Aand E lieze r OCom po nen t s o f th e A FH M ech an ism [ EB ƒOL . h t tp ƒƒwww. ieee802. o rgƒ15ƒ 2001 - p ub ƒT G2 - Co ex istence - M ech an ism s. h tm l, 5. 3 C a r la F , C h ia sse r in i and R am e sh R. R ao. Co ex istence 图 6 无线局域网吞吐量 M ech an ism s fo r In te rfe rence M it iga t io n be tw een IE E E 802. 2002 11 W L A N sand B lue too th [A . IN FO COM [C . Tw en ty - F ir st A nnua l Jo in t Co nfe rence o f th e ,IE E E Com p u te r and Comm un ica t io n s So c ie t ie s 2002: 590- 598. P ro ceed ing s. IE E E , 4 Ka lia M . B an sa l D. Sho rey R. V eh icu la r D a ta []sch edu ling and SA R fo r B lue too th M A C A V T C 2000 - . 2000 51.C Sp r ing T o k yoIE E E st 5 , , , J e sung K im Yu jin L im Yo ng suk K im and Joo ng . Soo M aA n adap t ive segm en ta t io n sch em e fo r th e - [. .B lue too thba sed w ire le ss ch anne lA P ro ceed ing s T en th In te rna t io na l Co nfe rence o n Com p u te r 2001: 440- 445. Comm un ica t io n s and N e tw o rk s[C . 6 C a r lo s de M , Co rde iro and D h a rm a P. A g raw a l. 图 7 蓝牙网络时延 -Em p lo y ing D ynam ic Segm en ta t io n fo r E ffec t ive Co lo ca ted Co ex istence be tw een B lue too th and IE E E 802. 11 W L A N s [A . G lo ba l T e lecomm un ica t io n s 4 结语 Co nfe rence [C . GL OB ECOM ’02 IE E E , 2002: 195 - 200. 总体来说, 该机制在减小丢包率和提高网络吞 7 . , , . NGo lm ieR eba la O C h ev ro llie r NB lue too th 吐量方面非常有效, 此机制并没有使网络时延明显 [. A dap t ive F requency H opp ing and Sch edu ling A 增大, 另外还有一个好处就是当信道不良时不发送 03 , , , . 2003.P ro c M IL COM ’C Bo sto n M A O c t 信号能够节省发射功率。 最重要的就是我们消除了 8 朱刚 谈振辉 周贤伟. 蓝牙技术原理与协议 [M . 北京 蓝牙和 802. 11之间的干扰。 该机制的不足之处是 b 北方交通大学ƒ清华大学出版社, 2002. 针对链路, 对于 链路还需要进一步的研A CL SCO ( ) 收稿日期: 2005212214 究。