作者：吳彥奇  朱剛

    本文提出一種自適應包選擇延遲發送方法，解決藍牙與802.11b的干擾問題。

    這種方法屬于非協作共存技術范疇，其原理為：藍牙單元根據信道質量的不同，選擇不同長度的分組和發送時間，以躲避沖突，避免同頻干擾。仿真結果說明，此機制使藍牙與802.11b的丟包率降低到接近零，使802.11b數據包網絡通過率提高了近30%。

    要害詞自適應包選擇延遲發送藍牙802.11b干擾共存機制

    1、引言

    目前，已研究提出的克服藍牙與802.11b干擾，實現共存的機制，根據兩系統是否能夠交換信息而分為合作方式（collaborativecoexistence）與非合作方式（noncollaborativecoexistence）兩類，其中包括：法規和標準、使用方式、技術方法等方面。就技術方法而言，現在較受關注的有兩種，都屬于非合作共存方式，一種是自適應跳頻（AFH：AdaptiveFrequency Hopping）[1，2]，此方法受到法規、接收靈敏度等限制，且只適用于未來使用新標準后生產的藍牙設備，仍然無法解決目前藍牙設備和802.11b之間的干擾問題；另一種方法在假定可以通過其他技術檢測干擾規律基礎上，通過流量調度，“減少因使用相同頻率同時發送分組而引起的碰撞”（OLA：OverLap Avoidance），降低同頻干擾[3]，取得較好效果，成為比較典型的方法。這種方法屬于MAC層技術，而MAC層技術包含硬件和軟件，解決干擾問題代價相對較小。本文提出自適應包選擇延遲發送機制。此機制屬于OLA方法，但與以往提出的躲避分組碰撞的方法有區別。此機制解決藍牙ACL鏈路與802.11b的干擾問題更有效，且易于實現。

    2、自適應包選擇延遲發送方法

    藍牙標準為了滿足不同的應用需要，定義了不同類型信息包。信息包包括話音包和數據包。其中數據包長度分為一個時隙、三個時隙和五個時隙三種類型。一般來講，假如藍牙自適應層能夠基于應用的需要和無線信道情況，選擇不同類型數據包進行傳輸，則可以達到最佳傳輸效果。目前已經研究了根據不同應用選擇不同類型的包[4]。此外，也研究了根據無線信道的狀況（主要基于誤碼率或者丟包率等評估手段）選擇不同類型的包[5，6]，信道傳輸質量較差時選擇短包傳輸，以減小信道同頻干擾對信息傳輸的影響，信道傳輸質量較好時，選擇長包傳輸，以提高傳輸效率，增加網絡的吞吐量。但是，這種通過選擇不同長度類型傳輸分組克服相互干擾方法，沒有從根本上解決引起干擾的碰撞問題，效果不明顯。這種包選擇機制并不能完全消除干擾。因此，本文提出自適應包選擇延遲發送方法。藍牙單元在一段時間內對信道進行評估，然后根據信道質量好壞自適應地選擇發送時間和包的大小，從而最大程度地避免了碰撞，理論上能夠消除干擾影響。該方法適用于ACL鏈路（就是說藍牙主從單元之間沒有語音的傳輸）。自適應包選擇延遲發送方法主要由兩部分功能塊組成：（1）信道評估，（2）自適應包選擇延遲發送機制。

    2.1信道評估

    以往的研究工作[7]表明，對于很多減小干擾影響的機制來說，信道評估都是必不可少的一部分（比如說自適應跳頻）。我們將根據藍牙發送單元的丟包率對信道進行評估。發送單元的丟包率在接收單元端計算，并且與跳頻點有關。因此，定義跳頻點相關的丟包率Fi-packetloss（其中0≤i≤78）計算公式為：

    其中，Fi-numberoflostpacket為一段時間內（channel-state-update-ininterval）在該跳頻點上傳輸信息時丟掉的包數，Fi-number of received packet為成功接收的包數。設定丟包率門限值為gpacket loss gate。當丟包率大于門限時，認為信道是不良信道，否則，認定為良好信道，由此可以得出信道狀態表如下：

    表1  主單元信道狀態

    表2  從單元信道狀態

    其中Mast-F0～Mast-F78表示藍牙主單元信道，Mast-State[0]～Mast-State[78]表示主單元信道對應狀態；Slave-F0～Slave-F78表示藍牙從單元信道，Slave-State[0]～Slave-State[78]表示從單元信道對應狀態。

    藍牙的數據傳輸是由主單元控制，因此，從單元必須將主單元的最新信道狀態表通知主單元。為此，我們定義一個新的LMP（鏈路治理協議）PDU，用以攜帶主單元信道狀態。從單元每隔一定時間（channel-state-update-ininterval）計算一次丟包率、刷新信道狀態表并通過上述PDU發送到主單元。

    2.2自適應包選擇延遲發送機制

    藍牙物理信道是一個時分雙工的跳頻信道，信道之間以彼此近似正交的跳頻序列區分。信道使用偽隨機跳頻序列表示，頻率在79個射頻信道中隨機跳變。每個微網使用唯一信道跳頻序列，它是根據主單元藍牙設備地址確定。信道以時隙為單位傳輸信息，在一個時隙（單時隙分組情況）或多個時隙（多時隙分組情況）內采用一個射頻跳頻點傳輸信息。頻率跳變速度是1600跳/s。一個時隙的長度為625微秒。在時隙中主單元和從單元以時分復用方式，交替傳輸分組。主單元在偶數時隙開始傳輸分組，從單元僅在奇數時隙開始傳輸分組。一個分組傳輸時間可以占用一個時隙、三個時隙或五個時隙。傳輸某個分組期間，跳頻保持不變。對于傳輸單時隙分組，使用的跳頻由當前藍牙時鐘值導出。對于傳輸多時隙分組，跳頻根據傳輸首時隙時鐘值導出。傳輸多時隙分組后，傳輸下一分組的跳頻也根據該分組首時隙時鐘值確定。根據藍牙標準規定，ACL鏈路可以占用一、三、五時隙傳輸數據，但是，目前在實際使用過程中，占用時隙方式是固定的。我們提出的這一個算法就是在滿足上面這個條件的基礎上，根據信道的情況采用延遲發送機制。具體如下：

    （1）單時隙包處理機制

    在發送該單時隙包之前，主單元先查看一下由信道評估機制產生的master/slave的信道狀態表。在圖1中，假如ƒ1和ƒ2只要有一個是不良信道，那么主單元就延遲到下一個偶數時隙來接著判定是否可以發送。只有ƒ1、ƒ2全是優良信道，該數據包才能存該時刻發送。

    圖1  時隙與信道

    （2）三時隙數據包處理機制

    在發送這個三時隙包之前，主單元先檢查ƒk和ƒk+3是否都是優良信道，只有這兩個頻率都是優良信道，這個包才答應發送；假如ƒk是不良信道，這個三時隙的數據包就延遲到ƒk+2進行發送，在發送之前也要經過這樣的判決；假如ƒk是優良信道，ƒk+3是不良信道，那么首先判定ƒk+1是不是優良信道，假如是，那么將數據封裝成單時隙的數據包進行發送，假如不是，那么就延遲到ƒk+2進行發送判決。

    （3）五時隙數據包處理機制

    五時隙包也采用近似的機制，假如ƒk和ƒk+5都是優良信道，這個包答應發送；假如ƒk是不良信道，這個五時隙的數據包就延遲到ƒk+2進行發送判決；假如ƒk是優良信道，ƒk+5是不良信道，那么首先判定ƒk+3是不是優良信道，假如是，那么將數據封裝成三時隙的數據包進行發送，假如不是，那么就判定ƒk+1是否是優良信道，假如是，那么封裝成單時隙包進行發送，假如ƒk+1和ƒk+3同樣也為不良信道，那么就延遲到ƒk+2進行上面這種判決機制。如圖2是此機制的算法流程圖。

    圖2  算法流程圖

    2.3方法比較

    以往的OLA方法[3]由于802.11b系統總是在22MHz頻段內通信，所以假定藍牙系統能夠通過檢測識別出802.11b系統占用頻段。假如某一時刻藍牙主單元預備以跳頻點ƒ2n發送k（k=1、3、5）時隙分組并發現ƒ2n+k將落入802.11系統22MHz頻段內，則改以k’時隙（k’=1、3、5，k’≠k）分組發送，使接收頻點成為ƒ2n+k’，避免發生頻率沖突；假如某一時刻藍牙主單元將以跳頻點ƒ2n、ƒ2n+m（m=2、4、6）連續發送分組并發現ƒ2n+m。將落入802.11系統22MHz頻段內，則要求應答從單元發送（m’-1）時隙（m’=2、4、6，m’≠m）分組，使主單元下一個發送頻點改為ƒ2n+m’，避免頻率沖突。假如所有可供選擇的分組對應傳輸頻點均無法避免頻率沖突，則暫不發送，等待其余恰當跳頻點。由此可看出自適應包選擇延遲發送方法相對于此OLA方法的優點：（1）此OLA方法沒有考慮當前藍牙主單元發送頻點的信道情況，而自適應包選擇延遲發送方法考慮了，這樣會進一步減小干擾；（2）自適應包選擇延遲發送方法沒有使用時隙覆蓋，節省功率。

    3、仿真分析

    3.1仿真參數設定

    我們使用一個4節點的拓撲：包括兩個藍牙節點（1個master和1個slave），兩個802.11b設備（1個AP和1個移動節點）。無線局域網AP與藍牙節點在距離兩米的范圍內。我們設定802.11b采用CCK調制方式，速率為11Mbit/s，移動節點向AP發送數據，AP只是發送ACK消息。802.11b的包長設定為8000bits，包與包之間的間隔服從指數分布，均值為1.86ms。藍牙設定MAC層接收的上層消息長度為500bits，消息間隔時間滿足指數分布，均值為O.92ms。藍牙和802.11b的發射功率分別為1mW和25mW。

    3.2結果與分析

    通過仿真，我們來看一下采用自適應包選擇延遲發送機制與不采用此機制對丟包率、網絡通過率以及網絡時延的影響。

    圖3～圖5給出了使用和不使用此機制時WLAN、藍牙主單元、藍牙從單元的丟包率。我們定義此處的丟包率Ppacketloss為從傳輸數據開始到現在時間內丟掉的包數nnumberoflost packet除以丟掉的包數nnumber of lost packet與成功接收的包數nnumber of received packet之和，即：

    （2）

    從圖3～圖5中可發現使用此機制使丟包率明顯減小。實際上，在對信道進行一段時間的評估之后，各單元幾乎不再丟包，即nnumberoflostpacket不再明顯增長，而相反nnumber of received packet在逐漸增長，故曲線急劇下降，直至丟包率接近為零。我們來看一下此機制對于提高wlan的網絡吞吐量的影響，如圖6所示，從圖中看出使用此機制比不使用此機制wlan的網絡通過率約提高了30%。此機制對網絡時延的影響如圖7，從圖中可看出使用此機制并沒有使時延明顯增大。

    圖3  無線局域網丟包率

    圖4  藍牙主單元丟包率

    圖5  藍牙從單元丟包率

    圖6  無線局域網吞吐量

    圖7  藍牙網絡時延

    4、結語

    總體來說，該機制在減小丟包率和提高網絡吞吐量方面非常有效，此機制并沒有使網絡時延明顯增大，另外還有一個好處就是當信道不良時不發送信號能夠節省發射功率。最重要的就是我們消除了藍牙和802.11b之間的干擾。該機制的不足之處是針對ACL鏈路，對于SCO鏈路還需要進一步的研究。

    參考文獻

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