手机中WiMax、蓝牙和Wi-Fi共存问题探讨

关键词：WiMax,模式,误包率,Wi-Fi,循环冗余校验,带通滤波器,手机蓝牙,消息映射,接收电路,同步协议,调度器

从单功能蜂窝电话到具有丰富连接功能的各种多模多媒体设备，移动电话的发展非常迅速。这种发展趋势同时有益于用户、运营商、网络服务提供商和应用开发人员，但对手机OEM商来说却意味着难度越来越高，因为不同的无线协议之间存在着难以处理的干扰问题。比如：

1.蓝牙：这是中端/高端手机中的标配功能，可以提供耳机、笔记本(无线PC modem和/或同步功能)以及打印机等外设的短距离连接。

2.Wi-Fi：可以让用户接入互联网，打VoIP电话。

3.WiMax：很快会将与Wi-Fi相同的功能扩展到更远的距离，并且性能更加稳定。

手机制造商几年前就认识到，蓝牙和Wi-Fi(2.4GHz频带)的频率非常接近，而且它们的天线靠在一起，再加上两种协议完全不协调的事实，最终将导致发生故障的严重性能挑战。蓝牙和Wi-Fi芯片组供应商在产品中增加了共存接口，实现了在共享无线频率媒介上的仲裁，以防止冲突和信号劣化，从而有效解决了这一难题。

随着移动WiMax(IEEE802.16e)的推出，OEM又面临新的干扰挑战，这是因为新的WiMax协议工作在多个频带(在WiMax术语中定义为“模式”)，而最常用的是2.3-2.4GHz和2.5-2.7GHz。这种频率区间虽然比蓝牙和Wi-Fi之间的大，但仍不足以避免共存问题的发生。

一个典型的使用场合是，用户一边利用蓝牙耳机进行蜂窝通话，一边通过电话的WiMax无线链路下载电子邮件或浏览互联网，这时确保无线接口共存的完美机制就很有必要。如果没有这种机制，话音质量和数据包吞吐量下降将导致用户体验低劣。由于有越来越多的最终用户使用蓝牙和Wi-Fi配件(如蓝牙耳机，Wi-Fi路由器)，因此最佳解决方案必须能与已经投入使用的设备一起工作，而不是去修改现有设备。

WiMax和蓝牙干扰

上述情景将用来分析从WiMax发射到蓝牙无线链路的干扰模式，并确定其影响。图1所示是一个由蓝牙耳机和带WiMax功能的移动电话组成的系统。蓝牙耳机的发射功率是0dBm。在耳机天线处收到的信号电平是-40dBm。蓝牙规范要求接收器能够处理最高为-27dBm的干扰信号。

本例中手机的WiMax发射器工作在2.5-2.7GHz频带。WiMax功放(PA)的输出功率可能高达+25dBm。WiMax和蓝牙发射天线彼此靠得很近，用户的手或手机摆放的表面通常会在它们之间造成10dB的路径损耗。这样一来，在蓝牙带通滤波器(BPF)输入端产生的信号电平为+15dB。BPF必须能够通过高达2.48GHz的频率(最高的蓝牙跳频)，因此无法抑制超过3dB的无用WiMax信号，故至少有+12dB的干扰信号被传递到蓝牙低噪放大器(LNA)。

图1：由蓝牙耳机和带WiMax功能的手机构成的通信系统。

假定蓝牙抑制能力为-27dBm，那么很明显无法有效抑制掉WiMax信号，这样就会发生阻塞。另外，蓝牙LNA输入端如此强的信号可能会超过LNA的最大额定输入功率，最终导致严重的可靠性问题。

为了便于讨论，本文规定“本端”代表使用手机的一方，“远端”代表正在通话的另一方。只要手机的蓝牙接收电路被WiMax发射信号阻塞，远端就会听到“喀喇”声。

WiMax阻塞对本端的影响程度稍低些，因为从手机到耳机存在较高的路径损耗，但对本端端点的干扰也不能被完全忽略。这种“喀喇”声发生的概率异常的高。假设在以下场合(后文有解释)，手机中的蓝牙接收器最多有1/6的时间在用。根据WiMax的使用情况，随着流量的增加，在较高频率处，蓝牙接收器将会被阻塞。如上所述，蓝牙发射对WiMax接收有负面影响，但不是很严重。

解决共存挑战

根据上文的分析，显然无法消除或者减轻无线或物理层(PHY)的干扰，因为这种干扰是系统与生俱来的。因此，解决方案必须通过更高的层即介质访问控制(MAC)层来实现。在MAC层，可以实现不同协议之间的同步，并保证共享频谱上的带宽能够以时分复用、非并性和公平的方式得到分配。这种解决方案可以消除任何潜在的冲突，同时仍能保持固有的链路性能属性。

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关键词：WiMax,模式,误包率,Wi-Fi,循环冗余校验,带通滤波器,手机蓝牙,消息映射,接收电路,同步协议,调度器

从单功能蜂窝电话到具有丰富连接功能的各种多模多媒体设备，移动电话的发展非常迅速。这种发展趋势同时有益于用户、运营商、网络服务提供商和应用开发人员，但对手机OEM商来说却意味着难度越来越高，因为不同的无线协议之间存在着难以处理的干扰问题。比如：

1.蓝牙：这是中端/高端手机中的标配功能，可以提供耳机、笔记本(无线PC modem和/或同步功能)以及打印机等外设的短距离连接。

2.Wi-Fi：可以让用户接入互联网，打VoIP电话。

3.WiMax：很快会将与Wi-Fi相同的功能扩展到更远的距离，并且性能更加稳定。

手机制造商几年前就认识到，蓝牙和Wi-Fi(2.4GHz频带)的频率非常接近，而且它们的天线靠在一起，再加上两种协议完全不协调的事实，最终将导致发生故障的严重性能挑战。蓝牙和Wi-Fi芯片组供应商在产品中增加了共存接口，实现了在共享无线频率媒介上的仲裁，以防止冲突和信号劣化，从而有效解决了这一难题。

随着移动WiMax(IEEE802.16e)的推出，OEM又面临新的干扰挑战，这是因为新的WiMax协议工作在多个频带(在WiMax术语中定义为“模式”)，而最常用的是2.3-2.4GHz和2.5-2.7GHz。这种频率区间虽然比蓝牙和Wi-Fi之间的大，但仍不足以避免共存问题的发生。

一个典型的使用场合是，用户一边利用蓝牙耳机进行蜂窝通话，一边通过电话的WiMax无线链路下载电子邮件或浏览互联网，这时确保无线接口共存的完美机制就很有必要。如果没有这种机制，话音质量和数据包吞吐量下降将导致用户体验低劣。由于有越来越多的最终用户使用蓝牙和Wi-Fi配件(如蓝牙耳机，Wi-Fi路由器)，因此最佳解决方案必须能与已经投入使用的设备一起工作，而不是去修改现有设备。

WiMax和蓝牙干扰

上述情景将用来分析从WiMax发射到蓝牙无线链路的干扰模式，并确定其影响。图1所示是一个由蓝牙耳机和带WiMax功能的移动电话组成的系统。蓝牙耳机的发射功率是0dBm。在耳机天线处收到的信号电平是-40dBm。蓝牙规范要求接收器能够处理最高为-27dBm的干扰信号。

本例中手机的WiMax发射器工作在2.5-2.7GHz频带。WiMax功放(PA)的输出功率可能高达+25dBm。WiMax和蓝牙发射天线彼此靠得很近，用户的手或手机摆放的表面通常会在它们之间造成10dB的路径损耗。这样一来，在蓝牙带通滤波器(BPF)输入端产生的信号电平为+15dB。BPF必须能够通过高达2.48GHz的频率(最高的蓝牙跳频)，因此无法抑制超过3dB的无用WiMax信号，故至少有+12dB的干扰信号被传递到蓝牙低噪放大器(LNA)。

图1：由蓝牙耳机和带WiMax功能的手机构成的通信系统。

假定蓝牙抑制能力为-27dBm，那么很明显无法有效抑制掉WiMax信号，这样就会发生阻塞。另外，蓝牙LNA输入端如此强的信号可能会超过LNA的最大额定输入功率，最终导致严重的可靠性问题。

为了便于讨论，本文规定“本端”代表使用手机的一方，“远端”代表正在通话的另一方。只要手机的蓝牙接收电路被WiMax发射信号阻塞，远端就会听到“喀喇”声。

WiMax阻塞对本端的影响程度稍低些，因为从手机到耳机存在较高的路径损耗，但对本端端点的干扰也不能被完全忽略。这种“喀喇”声发生的概率异常的高。假设在以下场合(后文有解释)，手机中的蓝牙接收器最多有1/6的时间在用。根据WiMax的使用情况，随着流量的增加，在较高频率处，蓝牙接收器将会被阻塞。如上所述，蓝牙发射对WiMax接收有负面影响，但不是很严重。

解决共存挑战

根据上文的分析，显然无法消除或者减轻无线或物理层(PHY)的干扰，因为这种干扰是系统与生俱来的。因此，解决方案必须通过更高的层即介质访问控制(MAC)层来实现。在MAC层，可以实现不同协议之间的同步，并保证共享频谱上的带宽能够以时分复用、非并性和公平的方式得到分配。这种解决方案可以消除任何潜在的冲突，同时仍能保持固有的链路性能属性。

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把Wi-Fi增加入共存机制相对比较简单。Wi-Fi与以太网非常相似，也是一种载波侦听多址访问/冲突检测(CSMA/CD)协议，它采用的不是时间分配机制，而是冲突检测和随机后退方法。

因此也就不可能将异步协议同步到推荐的共存机制。不过这个问题可以通过使用Wi-Fi中称为非排程自动省电(U-APSD)的模式加以解决。这种模式一般用于把Wi-Fi站的功耗降至最低，手机在该模式下可以进入睡眠模式，让接入点缓存所有发送往手机的信息，直到预定义的缓冲器溢出。当手机退出睡眠模式时，它向接入点发送一个触发帧，接入点随后将所有缓存的数据发送给手机，从而有效地保持了常规CSMA/CD操作的类似性能。

这种模式在推荐共存机制中的使用方法是强迫手机Wi-Fi模式在间隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期间进入U-APSD睡眠模式，并在其它时间内(10/24或42%)保持激活状态。这样对Wi-Fi吞吐量造成的影响是很小的，可忽略不计。

其它时隙(标记为“OP”)代表了对某个无线链路来说可能可用也可能不可用的发射和接收机会，这些时隙可以用任何传统的优先级算法进行分配。

前述共存方案的优点是：

1. 只有少许吞吐量的损失就消除了共存问题。

2. 可以用于任何商用WiMax基站、支持U-APSD的Wi-Fi接入点(大多数都支持)和蓝牙耳机。

3. 无需对商用的蓝牙和Wi-Fi手机芯片组作任何硬件改动。

本文小结

手机和手持设备中WiMax、蓝牙和Wi-Fi的共存带来了艰巨的技术挑战，因为它们在相邻无线频带上的发送可能会发生冲突，并严重降低性能。本文推荐的共存机制可以实现WiMax和蓝牙时钟的同步，时间上共享无线频带(以一种尽可能减小对各自无线链路性能影响的方式)以及使Wi-Fi工作于U-APSD模式，因而有效地解决了这方面的挑战。

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