无线局域网与蓝牙之间干扰问题的研究

无线局域网与蓝牙之间干扰问题的研究 TechnologyInterchange 无线局域网与蓝牙之问 千扰问题的研究 叶钮法綦健生中国电信广州研发中心 刘元安北京邮电大学 【摘要】蓝牙(BT)和无线局域网(WLAN)均工作在2.4GHz的ISM频段,在相同环 境下同时使用容易产生相互干扰.文章通过WLAN和BT设备间相互干扰机制的 , 数学模型的建立和实验,对两者之间的干扰进行了研究并提出了相应的解决措施. 1BT设备对WLAN设备干扰分析 1.1干扰模型 BT设备干扰WLAN设备时,干扰信号与以下四个参数 有关:发送器和接收器问的距离,干扰设备的平均密度,干 扰设备发射功率大小,信号传播衰减因子.采用以下方法可 以计算平均码元冲突的数目和误码率. 用TBI示BT时隙,一个时隙中实际传输数据包的时 间为TBp,WLAN包的持续时间为Tw,X表示第一个交叠的 BT时隙的头部与WLAN数据包的头部的时间段,X取值范 围(0,TBp).BT与WLAN所交叠的时隙数取决于X,可由 下式得到: ?()= Twl ,I Tw卜 TBI:一个蓝牙时隙; TBp:一个蓝牙时隙中用于传输数据包的时间; T:发送一个WLAN数据包的持续时间; x:第一个交叠的BT时隙的头部与WLAN数据包的头 部的时间段. N(X):一个WLAN数据包与蓝牙交叠的时隙数. 变量Ti表示第i个BT时隙实际干扰WLAN包的时间, 对一般的时隙i(i=l,…,N(X))而言,如果Ti内没有BT 发送,则Ti=0;否则有: 固定x值,对i=l,…,N(X),定义5i为BT在时隙i传 送业务的概率.考虑到WLAN使用DSSS,BT和WLAN的 时隙在频率上重叠的概率就等于BT跳落(hop)在 WLANDSSS频段的概率.由BT跳频序列产生的步骤可知, BT跳落在WLAN频段的概率可以近似为均匀分布(参数hf), 且当不应用共存机制时可得hf=22/79=0.278,其中 22MI1z和79MHz分别是WLAN和BT的带宽. 因此便得到WLAN和BT平均;中突码元个数: r()一11 Ti(S)tSi+"IN)("5N)】(3)l』-一lI,l 可得误包率: Tm . 1 ,j(1一p,4V'出(4)BI』, Ti':为Ti/Ts(i=l,…,N(X)),其中Ts是WLAN码 元占用时间; hf:hf=22/79=0.278,其中22MHz和79~?{z分别是 WLAN和BT的带宽; pe:WLAN数据包的误比特率. (3)式中用Ti【)表示Ti/Ts(i=l,…,N(x)).由(3) 式可知,要减小WLAN和BT之间的干扰,就要让N(X),hf 或者5i减小.通过采用较短的WLAN的包能减小N(X)但是 增加了WLAN传输的总开销.减小hf就要求减小WLAN和 BT传输在频率上重叠的概率.而减小5i就意味着两种系统 传输在时间上重叠的概率要低. fmax(TBP—X,0)i=1 77={TBPi=2,...N(x)一1,1.2干扰实验l min(x+Tw一(?)一),)i=N(x)川(1)实验环境 Ti:第i个BT时隙实际干扰WLAN包的时间.实验环境,如图1所示,由一对WLAN 笔记本和一对蓝 圃 ,??????,,??????【 无线局域网与蓝牙之间干扰问题的研究TechnologyInterchange 牙笔记本组成,WLAN设备之间以及蓝牙设备之间用射频 馈线取代无线链路.蓝牙信号作为干扰信号合路到WLAN 的信号上.通过调节可变衰减器蓝牙信号和WLAN信号的 强度可以通过调节可变衰减器进行改变,可以得到WLAN 在不同S/I条件下的性能. 耦合器 图1测量蓝牙对WLAN的影响的实验环境 (2)实验结果 实验结果如图2所示.蓝牙设备对WLAN系统的影响跟 S/I有很大关系.当S/I低时,丢包率高;随着S/I增 加,丢包率降低.当干扰设备的距离小于2m时,WLAN和 BT之间的干扰将会造成系统吞吐量的严重下降.2,4m的 距离将造成吞吐量轻微下降. SignalSIrongth=一61dBm \,,_… '', - k. -7 一 一 () _, 一 . 一 一 , 0 一 薯 图2蓝牙信号干扰WLAN测试结果 1.3复用距离 在相同室内环境下同时有WLAN和BT运行时,BT对 WLAN的干扰情况如图3所示.存在LOS和非LOS信号的传 播方式.LOS即视距传播,属于大尺度衰落,在LOS信道中 传播的信号服从莱斯分布,莱斯因子K:5;非LOS条件下多 径衰落可用瑞利分布描述(K:0),设du(wLAN)表示两个WLAN 笔记本之间的链路距离,di(盯)表示WLAN接收器与BT发射器 之间的距离.用平均误包率作为系统性能指标. B丁 图3BT设备对WLAN的干扰 11丁X 图4是在BT业务量负载率LwI,有用信号(WLAN发射 器发射)距离du和BT发射功率Pl为参数情况下的平均误包 率.给定PEPm(如PEPm<0.01)便得到最小的距离比dl/ du,这样就能满足QoS要求.在相同的距离比dI/du时, du:8m和du=16m的系统性能不一样.这是由于当dl增加 时,干扰信号的传播系数更大. ?-?l :::=::t :每 \ ', , ,?l.,…- ,\, , ,, ,, ?'-,'\?,,- a? ,. b —C\,r ?…---{?d\-一O------- }Oe'-^-,?—?f,??'?, ? ,, , ? ?. ? ,' OO2040.6081121.416182 图4平均误包率和dI/du函数曲线. 其中du=8m,Pf=0dBm;du=8m,PI:4dBm;du =8m,PI=20dBm;du:16m,PI=0dBm;du=16m,Pl =4dBm;du=16m,PI:20dBm. 在图4中K=5,WLAN的数据率为11Mb/S,BT业务 负载为100%(如E一1Tlail下载服务),WLAN的发射功率 为设为15dBm.PI表示BT的发射功率.通过图4可知,WLAN 比BT能工作在更低的距离比.例如,固定PEPm=0.01, 当PT=4dBm和du=8m时,最小距离为2m时仍是可以接 2005.12_ 旷旷旷旷旷 111111 ./oc口一之,口c?0>c00山 TechnologyInterchange无线局域网与蓝牙之间干扰问题的研究 从图4中也可以看出BT的发射功率大小对最小的共 受的. 存距离也有很大的影响. 2WLAN设备对BT设备干扰分析 2.1拓扑结构 干扰模型建立在典型的办公环境下.假设两个AP组成 的WLAN,WLAN终端(STA)均匀分布,密度为lSTA/ 25m2,一 个AP连接50个STA(服务面积为l250m2). BT的性能由接收到的有用信号和干扰信号的功率决 定,采用总的载波干扰比C/I来表示.C/I取决于以下几 个参数:BT接收机和发射机之间的距离,BT接收机和STA 发射机之间的距离,BT接收机和AP发射机之间的距离. 此外,C/I也与AP,STA和BT发射机的发射功率有 关,这里AP和STA的发射功率均为20dBm,而BT发射功 率为0dBm.由于BT的发射功率较低,可以忽略BT微微网 相互之间的干扰,只考虑AP和STA对BT的干扰.为了避 免边界影响,假设BT接收机位于两个AP之间,远离边界 的任意位置. 2.2传播模型 采用简单的室内传播模型,当BT接收机和发射机之 间的距离r小于8m时为LOS传播,r大于8m时传播指数 为3.3,路径损耗LI1aIh可用下式表示: L=20log(4nrix)r蔓8m = 58.3十331og0'/8,r>8m :2.4GHz时自由空间的波长(12.5cm); r:BT接收机和发射机之间的距离,单位为m. 这里没有包括地面和墙的损耗. 2.3干扰模型 在一 WLAN系统是传输速率为l1Mb/s的WLAN系统.个方向传输数据包后紧跟着的是反方向来自接收方的确认 帧ACK.典型的数据包的持续时间是1210IJS,ACK 时间是l06s,在数据包和ACK之间有l0las的时 延.信息通常连续地传送:在前一个ACK结束后隔 350/as下一个数据包到达.信息的交换是不对称的, 要么是AP发送数据包和STA发送ACK,或者情况 相反. 分别考虑BT数据链路和话音链路,如图5所 示.对数据链路,假设是DH1类型的数据包,该数 据包为在两个方向传输的占用单个时隙的数据包, 总的链路负载为366/625即58%.对话音链路,假 田 设是HV3类型的链接,话音包每隔6个时隙在两个方向交替 传送,总的链路负载为(2×366)/(6×625)即20%. TXRXTX 366US _』丽厂—U—:----------?----一 625US TXRXTXRXTX 丽1圃一IHV: 3750uS 图5BT数据链路(左),语音链路(右) WLAN系统占用2.4GHzISM波段的22M带宽.当BT 的跳频落在WLAN频带时,BT接收机滤出BT的跳频带,对 BT接收机来说,WLAN信号被认为是白噪声,当噪声带宽 为83.5MHz时,BT接收机的滤波抑制为l3dB.如果误比特 率为103,要求C/N为l7dB,这样BT对WLAN系统的C/ I就等于4dB.BT系统的发射功率为0dBm,一20dBm的传 输带宽为lMHz. 只有当BT和WLAN的信号在时域和频域上都重叠时, 才会发生相互之间的干扰.BT每次使用79个跳频信道中的 一 个,这样可能受WLAN影响的只有79个跳频信道中的22 个信道. 2.4干扰范围 要确定干扰,就需要区别BT话音和数据链路的性能. BT数据信道应用了重传机制,能够处理比话音信道更高的 丢包率(PER).对数据链路和话音链路分别取l0%和1%的 性能门限值. 表l是在BT数据链路中PER为l0%的条件下STA能 靠近BT接收机的距离.DBT是BT接收机和发射机之间的距 离DBT,由于STA的行为取决于它是传输数据包还是ACK, 最小的干扰距离(此时干扰开始对BT链路有很大的影响) 也区分了这两种情况.对BT话音链路(IW3类型的包)有同 样的分析.表2是在BT话音链路中PER为1%的条件下STA 表lBT数据链路中STA/AP干扰距离和干扰的STA/AP数 t厨域同蓝哥:问干扰问题的TechnologyInterchange 能靠近BT接收机的距离和相同条件下AP干扰话音链路的 信息 2.5WLAN业务模型 P【,1}=1一(1_P.r×(1.,'× O广'x0一J'(5) 萁中PAPI是AP发送数据的概率,Pu是AP发送数据 或ACK的概率】J是STA发送数据的概率.P 表2BT话音链路中STA/AP干扰距离和干拱由勺sTA/AP数 Brr的性能由AP和STA的激活因子决定.由于每个AP 为5O个STA提供服务.AP的激活因子是srA激活因子的 5【]倍.由于下行业务量(从AI到S'PA)可能远大于上行业 务量,实际中这个数字可能更太 表3给出从AI]到srrA和从STA到^P的典型业务.耳 一 栏中的数字显示的是在8小时工作日中运行的业务数 阻塞时间是信道完全被某个业务占据的时间.在阻塞时 间内效率为37%(4/l】),这还包括头部棱验时间和 ACK传输从表3中得出下行业务负载(从AI到50个 sFA)仅3‰,而单个上行业务负载(从单个STA到AP), 是Il_02% 是STA发送数据或ACK的概率.考虑表3: PDL=0.056944% PuI:0.017361% 得到一个srA在任意时间内发送数据的概率: Ps19,'}:Pu1=0.叭736/% 一 个S11A发送数据或ACK的概率PST.\=Pt +[}ill=0.074305% 在任意时间内一个AP给5(}个STA中任一个发 送数据的概率近似为(PtJl小): Petp. ,=50xP?185% AP发送数据和ACK的概率近似为(P和j,):. =50x(I}UI+PDI1=372% 用概率PsI^和I^】-以及表l给出的Nsf,的值.就可以得到 在BT数据链跆中丢包率大于10%的概率,如图6所示,它是 BT的距离Dlfr和B.r接收机是否在AI干扰范围内的函数, 斟 鞋 表3WLAX系统的澈话密度圉6 2.6BP数据链路性能分析 当WLAN系统与B,r系统共存时,两个系统有22个 BT跳频信道的重叠,BT系统使用79个跳频信道,因此 最坏的情况下吞吐量减少是22/79:278%然而实 际中由于干扰的分布和业务影响吞吐量的减少要小 的多通过公式5可以求得Br数据链路吞量减少10% 以上的概率. 在不同的AP存在时BT酌距离柜应于BT数据链路干 扰的概率 图6中只考虑了AP附近的区域(N^P为0,I和 2】.\sTA的值在表I中可查到若要考虑整个区域, 式l中应该使用表1中的NAI一 2.7BT话音链路性能分析 本节中求BT话音链路受干扰的概率.可接受 的话音质量的PER一般应不超过I%在计算上行和下行业 务时忽略阻塞时间小于5Oms的业务.WL,'qq的业务模型 里.不考虑E—ITlaI】和因特网业务可以得到: PuI=(1020833% Pc1=00I6667~- 得到一个STA在任意时间内发送数据的概率:Psn1= PLL=0.016667 矽 209 事 512田?_ TechnologyInterchange最境蔚域同与蓝牙之间干扰q腿的研究 一 =PUL+ 个STA发送数据或ACK的概率:PS'VA【 PDL=00375% 在任意时间内一个AP给50个STA中任一个发送数据 的概率近似为(PDI小): PApc1=50×PDL=104% AP发送数据和ACK的概率近似为(Po[和PlIl小 PAl,a=50x(PUf+P)=1875% 用概率PSFA和PAP,和表I给出的NSq,A的值.我们 就可以得到在BT数据链路中丢包率大干10"A的概率,如图 7所示,它是B|r的距离D和BT接受机是否在AP干扰范 围内的函数. 圈7在不同的AP存在时BT的距离相应于BT话音链踌 干扰的概率 图7中只考虑了AP附件的区域(N为O.1和2),N 的值在表2中可查到若要考虑整个区域.式I中应该使用 表2中的r. 2.8分析结果 针对上面干扰模型进行仿真WLAN接人点和终端都 为20dBm的发射功率.蓝牙为0dBm的发射功率 在WLAN正常业务条件下,只要蓝牙操作距离保持在 2m以下,蓝牙话音用户就不会受影响.如果操作距离增加 到10m.对链路的有显着干扰的概率增加到8%而数据链 路的性能会下降更多.当操作距离为lOrn时蓝牙吞吐量 下降If】%以上的概率为24%但由于wLAN和BT只有有限 频率可能重叠.蓝牙吞吐量的减少不会超过27.8‰. 3及措施 主要有两种共存环境."协作"环境和非协作"环境 在协作环境下.BT和WLAN配置在同一终端这时BT和 WtAN可直接交换信息来减小相互干扰而在非协作环境 下wLAN和r并不能直接交换信息.它们独立运行, 3.I发射功率控制 系统性能跟B'r发射功率也有很大关系采用发射功率 田.言 控制能明显的减小干扰影响,延长设备电池的寿命,改善共 存性能= 设I(t)为t时刻的发射功率rt为目标信干比.SIR (【)是在接收器段多次测量的统计平均值,初始功率 Po=Pmax则每隔一个更新间隔时间u,得P+l时的功率: Pi~+hm"(尸…".f尸训—SIR(一t)尸(,)) 经验证,只要对发射功率作上述简单调整,就可明显改 善BT和wLAN网络的性能 3.2协作发射方式 当B下和WLAN安装在同个无线设备中时,采用类 似于i'DbiA的时分复用机制BT和W1ANMAC层的信道 接八控制机制由协调单元(CU)实现.CU采用一定的控制 算法统分配时隙当l玎或wI八需要传辅数据时,首先 向CU申请时隙,CU根据特定的控制机制分配时隙,同时 将时隙分配情况通知WLAMAC层或B_rMAC 33BT的时隙调度策略和自适应跳频 (I)BT的时隙调度策略 假设BT主单元能检测到被WLA\占用的信道频率在 非协作环境下B11通过一系列措旋检查下一个信道是否处 于忙状态当该时隙的频率与WLAN有冲突时也可以推迟 发送该包.等到信道空闲再发送,这种方式增加了,些传输 时隙,吞吐量也有所降低 (2)BT的自适应跳频 由于wIAN占用较宽的频带.这时可能出现在B.'I主 单元准备发送数据时接下来要使用的很多时隙的频率部落 在WLAN的频带肉使用自适应跳频可以解决这个问题 BT主从单元接收器都保存有一个频率使用表,该表划 分了BT的79个跳频.每一个跳频信道根据接收器测得的误 比特率(或误包率误帧率)与预先设置得门限值比较来决 定该信道是否被占用.然后接收器选择或等待未被使用的 信道.在BT中.主单元控制了所有的包传输,所以主单元 在给定的跳频发送包之前必须检查从单元和自己的接收频 率,查询接收器的频率使用表 3.4WLAN包选择方案 BT声音业务使用IW3包,每隔六个时隙(6*625)在两 个方向周期性地传送一个单肘隙包,BT声音业务实时性要 求很强因此不能用上面的方法下面通过两种WLAN数 据包计划方案来减小二者之间的干扰(假设wLAN能检测 到在同一环境下使用相同频率的BT的干扰), (1)WLAN包延迟策略 TechnologyInterchange 冯华?王世一 阵凡 浙江师范大学 南京邮电大学 I摘要】对于成熟期的GSM系统的网络优化.空阑小区比是其网络质量重要指标 之 一 ,文章阐述了空闲小区比的定义物理意义和形威原因:还以实践为例.介绍了 降低空闲小区比的众多技术如载频池技术,假定向技术,基站覆盖延伸技术等 l空闲小区及空闲小区比的定义 中国移动是这样定义空闲小区的:GSM系统中.I,24 小时各肘段话务量均低于_】_J5I:7JTCIt的小区,称之为空 闲小区显然.空闲小区数量越少,说明小区资源闲置越 少.空闲,j,区比的定义则是.在移动网络中.空闲小区数量 与全网小区总量之比此比值越高,说明全网中空闲小区数 量越多,系统资源闲置程度越高,网络的浪费性越大,这是 不可取的随着技术的发展.用户数的增多以及用户对服务 水平要求的提高,这个比值还将被逐步降低 空闲小区比值越低,说明小区资源利用得越充分因 此.运营商不仅利用它作为资源利用程度的评估标准.还能 通过采用一种简单的控制机制:当前一时刻的 wLAN包发送失败时,将当前要发送的WLAN数据包延迟 一 个等于TnI的时间周期再发送通过实验获知WLAN的 误包率能减小l0%当WLt~\的业务量不大时(小于0.4). 这种方案只增加了】0—30ms的时延 (2)w1AN包大小选择策略 WLAN包的大小对误包率有很大的影响当WLAN SrA准备发送数据包时(i时刻),它根据检测到的干扰 信息来判断发送包的大小如果信道空闲并且在下一个 等于(il)个BT时隙的时间周期内没有干扰它就发 送有效负载等于II1iI1【l500.i*500)个字节的包,有效负 载的最小长度设为51)0字节,是因为相应的WLAN的包的 传输对间和单个时隙的BT包的肘问差不多.如果检测到 的信道被干扰信号占用,则STA笈送一个500字节有效负 载的数据包 该方案在只有一个BT电话呼叫时能将正确传输率提 高8%,而有两个B1,电话呼叫时能将正确传输率提高17%. 用来促进网络效益的提高,以及促进网络向价值增长型卓 越网演变因此,我们把它力荐给其他蜂窝网络运营商.供 参考或引用 运营商总是力图降低空闲小区比,以使小区能以较少 信道吸收更多话务,这就是定义空闲小区比的物理意义,基 于此,也说明空闲小区及空闲小区比的定义只可能出现在 移动网络一再大规模扩容之后的成熟期,而不可能提前 2空闲小区的成因分析 形成空闲小区的宏观因素很多各个因素彰响程度也 固网络的具体条件而不同但是.般来说,资源配置过 而传输时延只比没有应用方案的时延略微增加了2—3ms 4结论 蓝牙和无线局域网wI州都是工作在ISM频段上的设备 在共存的环境下相 互之间会存在比较 大的干扰当WIAN 设备跟蓝牙设备之 间的距离不超过2米 时,两者之间相互干 扰会比较严重,对蓝 牙可以采用自适应 调频和时隙调度.而 WI~kN可以采用包延 迟,包大小选择等方 案.可以有效减少相 互之间的干扰.? 【伟?蕾介】 叶韫法:毕业于 中山大学.硕士. 现任职干中国电 信厂州研究院 主踅从率3G技术 研究以及网络盹 化等工作 粱健生:毕业于 北京曲I大学, 现任辑于中国电 信广州研究院. 主要从事无线技 最晰宽和同络优 化工作. 秒通信 200512匿