通信學論文-手機中WiMax、藍牙和Wi-Fi共存問題探討.doc

通信學論文-手機中WiMax、藍牙和Wi-Fi共存問題探討關鍵詞：WiMax,模式,誤包率,Wi-Fi,循環(huán)冗余校驗,帶通濾波器,手機藍牙,消息映射,接收電路,同步協(xié)議,調度器從單功能蜂窩電話到具有豐富連接功能的各種多模多媒體設備，移動電話的發(fā)展非常迅速。這種發(fā)展趨勢同時有益于用戶、運營商、網絡服務提供商和應用開發(fā)人員，但對手機OEM商來說卻意味著難度越來越高，因為不同的無線協(xié)議之間存在著難以處理的干擾問題。比如：1.藍牙：這是中端/高端手機中的標配功能，可以提供耳機、筆記本(無線PCmodem和/或同步功能)以及打印機等外設的短距離連接。2.Wi-Fi：可以讓用戶接入互聯(lián)網，打VoIP電話。3.WiMax：很快會將與Wi-Fi相同的功能擴展到更遠的距離，并且性能更加穩(wěn)定。手機制造商幾年前就認識到，藍牙和Wi-Fi(2.4GHz頻帶)的頻率非常接近，而且它們的天線靠在一起，再加上兩種協(xié)議完全不協(xié)調的事實，最終將導致發(fā)生故障的嚴重性能挑戰(zhàn)。藍牙和Wi-Fi芯片組供應商在產品中增加了共存接口，實現(xiàn)了在共享無線頻率媒介上的仲裁，以防止沖突和信號劣化，從而有效解決了這一難題。隨著移動WiMax(IEEE802.16e)的推出，OEM又面臨新的干擾挑戰(zhàn)，這是因為新的WiMax協(xié)議工作在多個頻帶(在WiMax術語中定義為“模式”)，而最常用的是2.3-2.4GHz和2.5-2.7GHz。這種頻率區(qū)間雖然比藍牙和Wi-Fi之間的大，但仍不足以避免共存問題的發(fā)生。一個典型的使用場合是，用戶一邊利用藍牙耳機進行蜂窩通話，一邊通過電話的WiMax無線鏈路下載電子郵件或瀏覽互聯(lián)網，這時確保無線接口共存的完美機制就很有必要。如果沒有這種機制，話音質量和數據包吞吐量下降將導致用戶體驗低劣。由于有越來越多的最終用戶使用藍牙和Wi-Fi配件(如藍牙耳機，Wi-Fi路由器)，因此最佳解決方案必須能與已經投入使用的設備一起工作，而不是去修改現(xiàn)有設備。WiMax和藍牙干擾上述情景將用來分析從WiMax發(fā)射到藍牙無線鏈路的干擾模式，并確定其影響。圖1所示是一個由藍牙耳機和帶WiMax功能的移動電話組成的系統(tǒng)。藍牙耳機的發(fā)射功率是0dBm。在耳機天線處收到的信號電平是-40dBm。藍牙規(guī)范要求接收器能夠處理最高為-27dBm的干擾信號。本例中手機的WiMax發(fā)射器工作在2.5-2.7GHz頻帶。WiMax功放(PA)的輸出功率可能高達+25dBm。WiMax和藍牙發(fā)射天線彼此靠得很近，用戶的手或手機擺放的表面通常會在它們之間造成10dB的路徑損耗。這樣一來，在藍牙帶通濾波器(BPF)輸入端產生的信號電平為+15dB。BPF必須能夠通過高達2.48GHz的頻率(最高的藍牙跳頻)，因此無法抑制超過3dB的無用WiMax信號，故至少有+12dB的干擾信號被傳遞到藍牙低噪放大器(LNA)。圖1：由藍牙耳機和帶WiMax功能的手機構成的通信系統(tǒng)。假定藍牙抑制能力為-27dBm，那么很明顯無法有效抑制掉WiMax信號，這樣就會發(fā)生阻塞。另外，藍牙LNA輸入端如此強的信號可能會超過LNA的最大額定輸入功率，最終導致嚴重的可靠性問題。為了便于討論，本文規(guī)定“本端”代表使用手機的一方，“遠端”代表正在通話的另一方。只要手機的藍牙接收電路被WiMax發(fā)射信號阻塞，遠端就會聽到“喀喇”聲。WiMax阻塞對本端的影響程度稍低些，因為從手機到耳機存在較高的路徑損耗，但對本端端點的干擾也不能被完全忽略。這種“喀喇”聲發(fā)生的概率異常的高。假設在以下場合(后文有解釋)，手機中的藍牙接收器最多有1/6的時間在用。根據WiMax的使用情況，隨著流量的增加，在較高頻率處，藍牙接收器將會被阻塞。如上所述，藍牙發(fā)射對WiMax接收有負面影響，但不是很嚴重。解決共存挑戰(zhàn)根據上文的分析，顯然無法消除或者減輕無線或物理層(PHY)的干擾，因為這種干擾是系統(tǒng)與生俱來的。因此，解決方案必須通過更高的層即介質訪問控制(MAC)層來實現(xiàn)。在MAC層，可以實現(xiàn)不同協(xié)議之間的同步，并保證共享頻譜上的帶寬能夠以時分復用、非并性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，同時仍能保持固有的鏈路性能屬性。關鍵詞：WiMax,模式,誤包率,Wi-Fi,循環(huán)冗余校驗,帶通濾波器,手機藍牙,消息映射,接收電路,同步協(xié)議,調度器從單功能蜂窩電話到具有豐富連接功能的各種多模多媒體設備，移動電話的發(fā)展非常迅速。這種發(fā)展趨勢同時有益于用戶、運營商、網絡服務提供商和應用開發(fā)人員，但對手機OEM商來說卻意味著難度越來越高，因為不同的無線協(xié)議之間存在著難以處理的干擾問題。比如：1.藍牙：這是中端/高端手機中的標配功能，可以提供耳機、筆記本(無線PCmodem和/或同步功能)以及打印機等外設的短距離連接。2.Wi-Fi：可以讓用戶接入互聯(lián)網，打VoIP電話。3.WiMax：很快會將與Wi-Fi相同的功能擴展到更遠的距離，并且性能更加穩(wěn)定。手機制造商幾年前就認識到，藍牙和Wi-Fi(2.4GHz頻帶)的頻率非常接近，而且它們的天線靠在一起，再加上兩種協(xié)議完全不協(xié)調的事實，最終將導致發(fā)生故障的嚴重性能挑戰(zhàn)。藍牙和Wi-Fi芯片組供應商在產品中增加了共存接口，實現(xiàn)了在共享無線頻率媒介上的仲裁，以防止沖突和信號劣化，從而有效解決了這一難題。隨著移動WiMax(IEEE802.16e)的推出，OEM又面臨新的干擾挑戰(zhàn)，這是因為新的WiMax協(xié)議工作在多個頻帶(在WiMax術語中定義為“模式”)，而最常用的是2.3-2.4GHz和2.5-2.7GHz。這種頻率區(qū)間雖然比藍牙和Wi-Fi之間的大，但仍不足以避免共存問題的發(fā)生。一個典型的使用場合是，用戶一邊利用藍牙耳機進行蜂窩通話，一邊通過電話的WiMax無線鏈路下載電子郵件或瀏覽互聯(lián)網，這時確保無線接口共存的完美機制就很有必要。如果沒有這種機制，話音質量和數據包吞吐量下降將導致用戶體驗低劣。由于有越來越多的最終用戶使用藍牙和Wi-Fi配件(如藍牙耳機，Wi-Fi路由器)，因此最佳解決方案必須能與已經投入使用的設備一起工作，而不是去修改現(xiàn)有設備。WiMax和藍牙干擾上述情景將用來分析從WiMax發(fā)射到藍牙無線鏈路的干擾模式，并確定其影響。圖1所示是一個由藍牙耳機和帶WiMax功能的移動電話組成的系統(tǒng)。藍牙耳機的發(fā)射功率是0dBm。在耳機天線處收到的信號電平是-40dBm。藍牙規(guī)范要求接收器能夠處理最高為-27dBm的干擾信號。本例中手機的WiMax發(fā)射器工作在2.5-2.7GHz頻帶。WiMax功放(PA)的輸出功率可能高達+25dBm。WiMax和藍牙發(fā)射天線彼此靠得很近，用戶的手或手機擺放的表面通常會在它們之間造成10dB的路徑損耗。這樣一來，在藍牙帶通濾波器(BPF)輸入端產生的信號電平為+15dB。BPF必須能夠通過高達2.48GHz的頻率(最高的藍牙跳頻)，因此無法抑制超過3dB的無用WiMax信號，故至少有+12dB的干擾信號被傳遞到藍牙低噪放大器(LNA)。圖1：由藍牙耳機和帶WiMax功能的手機構成的通信系統(tǒng)。假定藍牙抑制能力為-27dBm，那么很明顯無法有效抑制掉WiMax信號，這樣就會發(fā)生阻塞。另外，藍牙LNA輸入端如此強的信號可能會超過LNA的最大額定輸入功率，最終導致嚴重的可靠性問題。為了便于討論，本文規(guī)定“本端”代表使用手機的一方，“遠端”代表正在通話的另一方。只要手機的藍牙接收電路被WiMax發(fā)射信號阻塞，遠端就會聽到“喀喇”聲。WiMax阻塞對本端的影響程度稍低些，因為從手機到耳機存在較高的路徑損耗，但對本端端點的干擾也不能被完全忽略。這種“喀喇”聲發(fā)生的概率異常的高。假設在以下場合(后文有解釋)，手機中的藍牙接收器最多有1/6的時間在用。根據WiMax的使用情況，隨著流量的增加，在較高頻率處，藍牙接收器將會被阻塞。如上所述，藍牙發(fā)射對WiMax接收有負面影響，但不是很嚴重。解決共存挑戰(zhàn)根據上文的分析，顯然無法消除或者減輕無線或物理層(PHY)的干擾，因為這種干擾是系統(tǒng)與生俱來的。因此，解決方案必須通過更高的層即介質訪問控制(MAC)層來實現(xiàn)。在MAC層，可以實現(xiàn)不同協(xié)議之間的同步，并保證共享頻譜上的帶寬能夠以時分復用、非并性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，同時仍能保持固有的鏈路性能屬性。把Wi-Fi增加入共存機制相對比較簡單。Wi-Fi與以太網非常相似，也是一種載波偵聽多址訪問/沖突檢測(CSMA/CD)協(xié)議，它采用的不是時間分配機制，而是沖突檢測和隨機后退方法。因此也就不可能將異步協(xié)議同步到推薦的共存機制。不過這個問題可以通過使用Wi-Fi中稱為非排程自動省電(U-APSD)的模式加以解決。這種模式一般用于把Wi-Fi站的功耗降至最低，手機在該模式下可以進入睡眠模式，讓接入點緩存所有發(fā)送往手機的信息，直到預定義的緩沖器溢出。當手機退出睡眠模式時，它向接入點發(fā)送一個觸發(fā)幀，接入點隨后將所有緩存的數據發(fā)送給手機，從而有效地保持了常規(guī)CSMA/CD操作的類似性能。這種模式在推薦共存機制中的使用方法是強迫手機Wi-Fi模式在間隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期間進入U-APSD睡眠模式，并在其它時間內(10/24或42%)保持激活狀態(tài)。這樣對Wi-Fi吞吐量造成的影響是很小的，可忽略不計。其它時隙(標記為“OP”)代表了對某個無線鏈路來說可能可用也可能不可用的發(fā)射和接收機會，這些時隙可以用任何傳統(tǒng)的優(yōu)先級算法進行分配。前述共存方案的優(yōu)點是：1.只有少許吞吐量的損失就消除了共存問題。2.可以用于任何商用WiMax基站、支持U-APSD的Wi-Fi接入