WiMax和藍(lán)牙干擾
上述情景將用來分析從WiMax發(fā)射到藍(lán)牙無線鏈路的干擾模式,，并確定其影響。圖1所示是一個(gè)由藍(lán)牙耳機(jī)和帶WiMax功能的移動(dòng)電話組成的系統(tǒng),。藍(lán)牙耳機(jī)的發(fā)射功率是0dBm,。在耳機(jī)天線處收到的信號(hào)電平是-40dBm。藍(lán)牙規(guī)范要求接收器能夠處理最高為-27dBm的干擾信號(hào),。
本例中手機(jī)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(dá)+25dBm。WiMax和藍(lán)牙發(fā)射天線彼此靠得很近,，用戶的手或手機(jī)擺放的表面通常會(huì)在它們之間造成10dB的路徑損耗,。這樣一來，在藍(lán)牙帶通濾波器(BPF)輸入端產(chǎn)生的信號(hào)電平為+15dB,。BPF必須能夠通過高達(dá)2.48GHz的頻率(最高的藍(lán)牙跳頻),，因此無法抑制超過3dB的無用WiMax信號(hào)，故至少有+12dB的干擾信號(hào)被傳遞到藍(lán)牙低噪放大器(LNA),。

 
圖1：由藍(lán)牙耳機(jī)和帶WiMax功能的手機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng),。
假定藍(lán)牙抑制能力為-27dBm，那么很明顯無法有效抑制掉WiMax信號(hào),，這樣就會(huì)發(fā)生阻塞,。另外,，藍(lán)牙LNA輸入端如此強(qiáng)的信號(hào)可能會(huì)超過LNA的最大額定輸入功率，最終導(dǎo)致嚴(yán)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(jī)的一方，“遠(yuǎn)端”代表正在通話的另一方,。只要手機(jī)的藍(lán)牙接收電路被WiMax發(fā)射信號(hào)阻塞,，遠(yuǎn)端就會(huì)聽到“喀喇”聲。
WiMax阻塞對(duì)本端的影響程度稍低些,，因?yàn)閺氖謾C(jī)到耳機(jī)存在較高的路徑損耗,，但對(duì)本端端點(diǎn)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(shè)在以下場(chǎng)合(后文有解釋),，手機(jī)中的藍(lán)牙接收器最多有1/6的時(shí)間在用。根據(jù)WiMax的使用情況,，隨著流量的增加,，在較高頻率處，藍(lán)牙接收器將會(huì)被阻塞,。如上所述,，藍(lán)牙發(fā)射對(duì)WiMax接收有負(fù)面影響，但不是很嚴(yán)重,。

解決共存挑戰(zhàn)
根據(jù)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?yàn)檫@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(zhì)訪問控制(MAC)層來實(shí)現(xiàn)。在MAC層,，可以實(shí)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(shí)分復(fù)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(shí)仍能保持固有的鏈路性能屬性。
有許多應(yīng)用場(chǎng)合和使用情況需要解決,，也即WiMax,、藍(lán)牙和Wi-Fi發(fā)射和接收的各種組合，每種情況都有不同的鏈路掃描,、建立和活動(dòng)模式,。為了討論的連貫性，我們?nèi)允褂蒙厦娴睦觼斫忉屚扑]的共存解決方案,。后面我們還會(huì)在上述用例中增加Wi-Fi無線鏈路,，該鏈路用以下要素表征：
移動(dòng)電話和WiMax基站之間的有效WiMax鏈路,。
工作在SCO/HV3模式(商用藍(lán)牙耳機(jī)使用的標(biāo)準(zhǔn)模式)的有效藍(lán)牙語音鏈路。
第一步是同步協(xié)議的時(shí)間基準(zhǔn),。首先,，我們必須找到不同系統(tǒng)時(shí)鐘之間的‘最小公因子’，并確保它們能協(xié)調(diào)動(dòng)作,。藍(lán)牙SCO/HV3模式的時(shí)基是625us,，而WiMax的時(shí)基是基于5ms的幀。這意味著最小公因子時(shí)間間隔為15ms,，在此期間可以處理3個(gè)WiMax幀和24個(gè)藍(lán)牙時(shí)隙,。一旦解決方案被認(rèn)為能夠滿足15ms時(shí)間間隔,，重復(fù)模式就可確保該解決方案基本上可用于這種模式,。
在確定重復(fù)模式后，有必要確保兩個(gè)時(shí)基是同步的,，并在整個(gè)鏈路的并行操作過程中仍能保持同步,。由于WiMax基站決定了時(shí)基，因此移動(dòng)電話不可能控制相對(duì)于藍(lán)牙時(shí)基的相位,。另一方面,，移動(dòng)電話中的藍(lán)牙芯片組(假定它是藍(lán)牙鏈路上的主設(shè)備)有能力控制時(shí)鐘相位，并與WiMax鏈路上的時(shí)鐘取得同步,。
當(dāng)藍(lán)牙鏈路上的主設(shè)備是耳機(jī)而不是移動(dòng)電話時(shí),，可以執(zhí)行主從切換(藍(lán)牙術(shù)語叫MSS)。一旦成為“主設(shè)備”,，手機(jī)藍(lán)牙芯片就能復(fù)位鏈路的時(shí)鐘,，并使之與WiMax時(shí)鐘對(duì)齊，從而有效地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)基的同步,。隨著時(shí)間的推移,，藍(lán)牙時(shí)鐘與WiMax時(shí)鐘的相對(duì)相位可能出現(xiàn)偏差，因此可能要求重新同步藍(lán)牙時(shí)鐘,。圖2給出了兩條無線鏈路之間的時(shí)間和相位關(guān)系,。
在兩條鏈路取得同步并確定基本的重復(fù)模式后，下一步就是建立兼顧兩個(gè)協(xié)議工作原理的帶寬分配機(jī)制,。藍(lán)牙SCO/HV3模式定義了一個(gè)重復(fù)的六時(shí)隙周期(3.75ms),，在此期間只有兩個(gè)連續(xù)時(shí)隙用于發(fā)射，一個(gè)用于主設(shè)備(用M代表),，一個(gè)用于從設(shè)備(用S代表),。在這個(gè)間隔時(shí)間內(nèi)移動(dòng)電話和耳機(jī)交換未壓縮的語音數(shù)據(jù)包。另外4個(gè)時(shí)隙尚未使用,。這是一種非?；镜哪Ｊ?，沒有定義任何調(diào)度機(jī)制、抖動(dòng)控制(在時(shí)隙級(jí)),、重發(fā),、糾錯(cuò)技術(shù)甚至循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，因此任何錯(cuò)誤都將表現(xiàn)為“喀喇”噪聲,。
WiMax幀由一個(gè)從基站向所有注冊(cè)移動(dòng)臺(tái)廣播發(fā)送的MAP消息組成,。該消息映射了同一WiMax幀中不同移動(dòng)臺(tái)的接收間隔，同時(shí)在隨后的WiMax幀中分配發(fā)射間隔,。緊隨MAP消息的是一個(gè)下行鏈路間隔或“區(qū)”(WiMax術(shù)語),，用于基站向注冊(cè)移動(dòng)臺(tái)廣播、組播或單播發(fā)射,。在下行鏈路區(qū)后是上行鏈路區(qū),，用于移動(dòng)臺(tái)在前面的WiMax幀期間接收發(fā)射分配時(shí)間。每個(gè)WiMax幀依次重復(fù)這種模式,。
根據(jù)藍(lán)牙語音模式的基本特點(diǎn),，確保正確并行操作的基本方針是保證連續(xù)的藍(lán)牙發(fā)射和接收時(shí)隙。因此,，基站在這些間隔內(nèi)(24時(shí)隙中的6個(gè)時(shí)隙,，或25%的時(shí)間標(biāo)注“阻塞”)必須被禁止向移動(dòng)電話發(fā)射或分配發(fā)送機(jī)會(huì)。現(xiàn)在讓我們分析一下剩余75%的時(shí)間,，以便理解哪些時(shí)間間隔可用于WiMax鏈路,。幀[N]實(shí)際上未被移動(dòng)電話的WiMax鏈路使用---下行鏈路間隔未被使用，這是因?yàn)?，鑒于藍(lán)牙優(yōu)先級(jí)(時(shí)隙B1和B2)問題,，移動(dòng)電話不能在幀開頭接收MAP消息。上行鏈路也由于藍(lán)牙優(yōu)先級(jí)(時(shí)隙B7和B8)的原因而未被使用,。
在幀[N+1]期間,，移動(dòng)電話可以接收和解碼MAP消息，并且允許它接收在B10和B12之間的間隙期(2.5ms)發(fā)送的突發(fā)信號(hào),，直到下一次藍(lán)牙分配(時(shí)隙B13和B14),。不過，幀[N+1]中的上行鏈路不能被移動(dòng)電話使用,，因?yàn)樗鼪]有接收到幀[N]中的MAP消息,，該消息用于分配幀[N+1]的上行鏈路間隔中用于發(fā)射的帶寬。
在幀[N+2]中,，由于藍(lán)牙占用了時(shí)隙B19和B20,，移動(dòng)電話將不能接收來自基站的下行鏈路流量。幀[N+2]的上行鏈路間隔可能已經(jīng)被賦于了幀[N+1]的MAP消息中的發(fā)射機(jī)會(huì),，因此可用于移動(dòng)電話的發(fā)射,。只要兩條鏈路保持有效,，這種模式就會(huì)不斷重復(fù)。
這種機(jī)制的潛在規(guī)則是需要WiMax鏈路避免在某段時(shí)間內(nèi)發(fā)送信號(hào),。有兩種方法可以做到這一點(diǎn)：
1. 移動(dòng)電話可以使用某種WiMax睡眠模式來避免在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)與基站發(fā)生交互,。這種方法的缺點(diǎn)是在藍(lán)牙時(shí)隙B13和B14期間，在WiMax的發(fā)送中,，可能存在誤包率(PER),，不過這種可能性比較低，而且在任何情況下都可以通過WiMax中的前向糾錯(cuò)(FEC)和重發(fā)機(jī)制來加以克服,。
2. 根據(jù)預(yù)協(xié)商的手機(jī)功能信息,，基站調(diào)度器禁止在B13和B14兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行接收和發(fā)射分配。這種方法要求對(duì)WiMax標(biāo)準(zhǔn)作少量補(bǔ)充,，以便支持手機(jī)和基站之間的共存功能協(xié)商,。
把Wi-Fi增加入共存機(jī)制相對(duì)比較簡(jiǎn)單。Wi-Fi與以太網(wǎng)非常相似,，也是一種載波偵聽多址訪問/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)協(xié)議,，它采用的不是時(shí)間分配機(jī)制，而是沖突檢測(cè)和隨機(jī)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(jī)制。不過這個(gè)問題可以通過使用Wi-Fi中稱為非排程自動(dòng)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(jī)在該模式下可以進(jìn)入睡眠模式，讓接入點(diǎn)緩存所有發(fā)送往手機(jī)的信息,，直到預(yù)定義的緩沖器溢出,。當(dāng)手機(jī)退出睡眠模式時(shí)，它向接入點(diǎn)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)幀,，接入點(diǎn)隨后將所有緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī),，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(jī)制中的使用方法是強(qiáng)迫手機(jī)Wi-Fi模式在間隔B1-B2,、B7-B14,、B19-B20以及B23-B24期間進(jìn)入U(xiǎn)-APSD睡眠模式，并在其它時(shí)間內(nèi)(10/24或42%)保持激活狀態(tài),。這樣對(duì)Wi-Fi吞吐量造成的影響是很小的,，可忽略不計(jì)。
圖2中的其它時(shí)隙(標(biāo)記為“OP”)代表了對(duì)某個(gè)無線鏈路來說可能可用也可能不可用的發(fā)射和接收機(jī)會(huì),，這些時(shí)隙可以用任何傳統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)算法進(jìn)行分配,。
前述共存方案的優(yōu)點(diǎn)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接入點(diǎn)(大多數(shù)都支持)和藍(lán)牙耳機(jī),。
3. 無需對(duì)商用的藍(lán)牙和Wi-Fi手機(jī)芯片組作任何硬件改動(dòng),。

本文小結(jié)
手機(jī)和手持設(shè)備中WiMax、藍(lán)牙和Wi-Fi的共存帶來了艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn),，因?yàn)樗鼈冊(cè)谙噜彑o線頻帶上的發(fā)送可能會(huì)發(fā)生沖突,，并嚴(yán)重降低性能。本文推薦的共存機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)WiMax和藍(lán)牙時(shí)鐘的同步,，時(shí)間上共享無線頻帶(以一種盡可能減小對(duì)各自無線鏈路性能影響的方式)以及使Wi-Fi工作于U-APSD模式,，因而有效地解決了這方面的挑戰(zhàn)。