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  • 蓝牙蓝牙(BlueTooth)是一种设备之间进行无线通信的技术,可实现固定设备、移动设备楼宇个人域网之间的短距离数据交换,蓝牙可连接多个设备,克服了数据同步的难题。蓝牙使用短波特高频(UHF)无线电波,经由...

    在实现物联网的短距无线通讯技术里面,蓝牙、Wi-Fi、zigbee 是目前应用最为广泛的三种短距无线通讯技术。本文将详细介绍并分析这三种物联网通讯技术的优缺点。

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    蓝牙:

    蓝牙(BlueTooth)是一种设备之间进行无线通信的技术,可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换,蓝牙可连接多个设备,克服了数据同步的难题。蓝牙使用短波特高频(UHF)无线电波,经由2.4至2.485GHz的ISM频段来进行通信,通信距离从几米到几百米不等。

    优点 :

    “低功耗蓝牙”模式下实现了低功耗,覆盖范围增强,最大范围可超过100米

    支持复杂网络:针对一对一连接最优化,并支持星形拓扑的一对多连接等

    智能连接:增加设置设备间连接频率的支持,Ipv6网络支持。

    较高安全性:使用AES-128 CCM加密算法进行数据包加密和认证。

    蓝牙模块体积很小,便于集成。

    可以建立临时性的对等连接(Ad-hoc Connection):根据蓝牙设备在网络中的角色,可分为主设备(Master)与从设备(Slave)。

    缺点:

    蓝牙的各个版本不兼容,组网能力差;网络节点少,不适合多点布控。

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    Wi-Fi:

    Wi-Fi是一种无线局域网通信技术,全称Wireless-Fidelity,无线保真,IEEE组织的IEEE 802.11标准制定了以太网的技术标准。Wi-Fi终端指使用高频无线电信号发送和接收数据,使用以太网通信协议,通信距离通常在几十米。

    优点

    Wi-Fi的优点是局域网部署无需使用电线,降低部署和扩充的成本。另外,根据Wi-Fi联盟指定,“Wi-Fi认证”是向后兼容的,它指定一套全球统一标准:不同于移动电话,任何Wi-Fi标准设备将在世界上任何地方正确运行。

    缺点

    Wi-Fi的缺点是通信距离有限,稳定性差,功耗较大,组网能力差,安全性也较差。

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    ZigBee:

    是一种低速低功耗,短距,自组网的无线局域网通信技术,于2003年被正式提出,为了弥补蓝牙通信协议的高复杂,功耗大,距离近,组网规模太小等缺陷。名称取自于蜜蜂,蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。 ZigBee被标准化为IEEE 802.15.4,工作频段有三个:868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz,其中最后一个频段世界范围内通用,16个信道,并且该频段为免付费、免申请的无线电频段。三个频段传输速率分别为20kbps,40kbps以及250kbps。

    优点:

    功耗低,网络容量大,工作频段灵活。

    缺点

    数据传输速率低,有效范围小,抗干扰性差,ZigBee协议没有开源,以及和IP协议不的对接比较复杂等。

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  • 蓝牙和Wi-Fi信号两者主要都是使用2.4GHz频段,导致同时开启时,蓝牙的数据吞吐量会急剧下降,配对设备困难,Wi-Fi间歇性中断,网络受到限制。目前基本没什么办法可以根治这个问题,但可以用下面的方案临时解决一些...

    蓝牙和Wi-Fi信号两者主要都是使用2.4GHz频段,导致同时开启时,蓝牙的数据吞吐量会急剧下降,配对设备困难,Wi-Fi间歇性中断,网络受到限制。目前基本没什么办法可以根治这个问题,但可以用下面的方案临时解决一些问题。

    提供了4种方法,可以参考下:

    方法1:连接至5GHz无线网络

    既然知道了问题出在频段冲突上,那么可以考虑购买一个双频(2.4GHz + 5GHz)路由器,并连接至5GHz的Wi-Fi网络。该方法可以彻底解决干扰问题。总之别和蓝牙设备用同一频段。

    方法2:更换Wi-Fi信道

    以TP-Link路由器为例,登录路由器Web管理页,在无线设置->基本设置中找到信道选项,将其改为1、6、11中的任何一个。这些为2.4GHz的不重叠传输信道,相较于其他信道更稳定一些。

    方法3:开启网卡蓝牙共存功能

    在近几年生产的无线网卡中,都支持蓝牙共存功能,方法是在网络适配器属性的高级选项卡中,找到Bluetooth Collaboration或Bluetooth Coexistence Mode(名称可能有所不同),将其设为启用(Enable)。Windows会自动重新连接Wi-Fi,干扰蓝牙的情况也会有所缓解。

    方法4:远离干扰源

    将蓝牙终端与路由器、微波炉、无绳电话机等使用2.4GHz频段的设备隔开使用。

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  • 智能产品种类越来越多,运用在智能家居上...在当下的物联网应用中,无线传输技术可谓众多,但细数下来,应用范围最广且最具潜力的无非是蓝牙Wifi与ZigBee三种,那么这三种无线传输技术谁能一统天下呢?Wifi通过WiF...

    智能产品种类越来越多,运用在智能家居上的技术也越来越成熟。然而在无线通信协议上却一直无法做到统一,从目前的情况来看,短期内是无法实现这一愿望的了。既然如此,我们何不另辟蹊径,在这些标准中,选择优势最大,呼声最高的加以重用呢?

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    在当下的物联网应用中,无线传输技术可谓众多,但细数下来,应用范围最广且最具潜力的无非是蓝牙、Wifi与ZigBee三种,那么这三种无线传输技术谁能一统天下呢?

    Wifi

    通过WiFi连接,手机与智能设备通过WiFi实现远程遥控,无论在世界的哪个角落,只要有3G/4G或WiFi网络都可以控制家里的电器、插座、灯泡等智能产品。

    Wi-Fi行业长久以来一直致力于让Wi-Fi技术成为物联网领域内的首选无线传输选项,总的来说,WiFi将在物联网最后的成功中发挥重要的作用。只是物联网设备的WiFi连接,一个反复出现的批评就是电量消耗和资源占用的增多。但同时,Wifi能够在智能手机上建立安全的设备间连接,让用户可以分享图片。

    在技术上,WIFI的主要优势体现在传输速度与传输距离上,其最大传输距离可达300m,最大传输速度可达300Mbps,弱点则体现在功耗上,其最大功耗为50mA。另外一个,就是目前大家普遍关心的安全问题,WiFi加密方式为SSID,由于它是一个相对开放式的结构,用户需特别注意家庭网关密码。想一想智能家居里面的产品要是靠Wi-Fi连接的,万一哪天被黑了,还真是有点可怕呢。

    蓝牙

    尽管在手机及电脑领域中,蓝牙的应用并不普遍,几乎都快被人遗忘,但其作用仍却不可忽视。由1.0版本发展到当下最新的4.2版本,功能也越来越强大,其中4.2版本中,蓝牙大大加强了物联网应用特性,可实现IP联接及网关设置等诸多新特性。

    蓝牙技术联盟日前宣布,智能家居已经成为蓝牙增长最快的领域。近几年来,蓝牙在智能家居领域年复合增长率超过232%。蓝牙技术联盟也将智能家居市场列为2015年主攻的方向。

    由于技术规格的限制,蓝牙在智能家居应用中也面临着信号容易被墙壁阻挡等问题。蓝牙技术联盟已经成立了智能Mesh研究小组。从在去年10月份开始,已经有几个公司通过Mesh技术进行蓝牙的连接与组网。在多个蓝牙设备组网之后,蓝牙信号偏弱的问题会得到明显的改善。相信在2016年,蓝牙相信会比Wi-Fi变得更加主流,同时传输速度更快、网络覆盖范围更广,可以带来更快的数据传输。

    跟WIFI相比,蓝牙的优势主要体现在功耗及安全性上,相对WIFI最大50mA的功耗,蓝牙最大20mA的功耗要小得多,但在传输速度与距离上的劣势也较明显,其最大传输速度与最远传输距离分别为1Mbps及100m。

    Zigbee

    ZigBee又称紫蜂协议,名字来源于蜜蜂的八字舞,是一种建立在IEEE802.15.4基础上的短距离、低功耗无线通信协议。ZigBee协议牵动着全球物联网行业的神经,深度影响着智能家居的发展。这一点毋容置疑。将市场领先的无线标准ZigBee统一为ZigBee3.0,宣布将在Thread网路架构上实现ZigBee的应用层协议

    Zigbee的前身可以追溯到蓝牙,二者的优势都是低功耗传输,不过后者相对复杂,网络节点较少,不适合多点布控,当智能产品超过一定数量时,就无法在同一局域网内实现互联互通。且蓝牙传输也相对较慢,平均耗时需要10秒左右;蓝牙覆盖范围仅限10米,所以仅限客厅或卧室的小范围内设备互联互通。最近小米旗下绿米推出的家庭智能套装就使用了Zigbee技术。

    ZigBee是近几年流行起来的智能家庭控制系统的通讯协议,性能总结起来主要有以下几个方面:

    1.数据速率比较低。在2.4GHz的频段只有250Kb/S,除掉信道竞争应答和重传等消耗,真正能被应用所利用的速率可能不足100Kb/s。因此不适合做视频之类事情。

    2.在可靠性方面。物理层采用了扩频技术,能够在一定程度上抵抗干扰,MAC应用层(APS部分)有应答重传功能。当ZigBee网络受到外界干扰,无法正常工作时,整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。

    3.能耗特性能耗特性是ZigBee的一个技术优势。通常ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低。在不需要通信时,节点可以进入很低功耗的休眠状态,此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。由于一般情况下,休眠时间占总运行时间的大部分,有时正常工作的时间还不到百分之一,因此达到很高的节能效果。

    4.组网特性。ZigBee大规模的组网能力——每个网络65000个节点,而每个蓝牙网络只有8个节点,能够给丰富的应用带来有力的支持。

    总之,蓝牙、Wifi与ZigBee这三种无线传输技术依据各自在技术上的优势,从而在物联网的不同应用中发挥所长。三者之间的竞争关系是毋庸置疑的,有关未来谁将一统江山,或者说会出现第四种技术,说谁的定,不是么?那么,我们需要做的就是取其所长,满足自己设计中的需求。

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  • 蓝牙和WiFi共存技术2 -----

    万次阅读 2017-06-07 20:38:43
    蓝牙和WIFI的共存主要是解决蓝牙和802.11b/g/n都可能工作在2.4GISM,可能互相干扰问题。采用时分复用技术。 可以告知对方,我现在忙,你稍后;如果优先权最高的,无论你在做什么,我都切.. 简单说明如下: 2-...

    http://blog.sina.com.cn/s/blog_533074eb010159x2.html


    蓝牙和WIFI的共存主要是解决蓝牙和802.11b/g/n都可能工作在2.4GISM,可能互相干扰问题。采用时分复用技术。

    可以告知对方,我现在忙,你稍后;如果优先权最高的,无论你在做什么,我都切..

    简单说明如下:

    2-wire
    Wifi给蓝牙信号wl_active,表示wifi有通信,如果这个信号asserted,蓝牙应该只接收/发射highpriority的包,其它包delay。
    蓝牙给wifi信号bt_priority,表示蓝牙要发highpriority的包,wifi必须停止当前通信。
    可以看出,这两根信号分别是保护wifi和蓝牙通信的。所以assert的多与少会影响2.4G带宽在两者间的分配。
    从蓝牙芯片设计的角度,蓝牙芯片必须支持对于包优先级的区分和delay包的处理。一般来说,定时同步,inquiry,page,SCO等是高优先级,传送数据的包则是普通优先级。如果处理得细致和灵活,很多参数是需要可以配置和可调的,因为可能需要host根据具体应用来配置。
    如果蓝牙芯片知道wifi的频带,bt_priority也可以只在频率冲突时拉起。

     3-wire
      三线方案和两线方案相似。多加一根蓝牙输出的bt_active,这样和bt_priority一起可以表示两种优先级的蓝牙通信。

    4-wire
    四线方案和三线方案相似,再多加一根蓝牙输出的bt_freq,指示蓝牙通信是否和wifi频带冲突。

    一般是3线模式,有3根线,分别是BT_ACTIVE WIFI_ACTIVE 和BT_priority

    当BT要用天线的时候BT_ACTIVE 信号有效,告诉WIFI,希望将天线却换到BT状态;

    当WIFI要用天线的时候 WIFI_ACTIVE信号有效,告诉BT,WIFI要用天线;

    当BT要用天线,BT的BT_priority 信号有效告诉WIFI,要求WIFI马上将天线却换到BT状态。

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    结合射频设计方法应对蓝牙与Wi-Fi共存

    由于受低功耗、成本和体积等方面的条件约束,同时提供蓝牙和WLAN功能的设备所特有的干扰和共存问题是无线设计遇到的最大难题。蓝牙和WLAN标准都没有提供协调方法,开发人员可借鉴本文阐述的射频设计方法和专有协调机制来确保良好的互操作性,并将性能影响降至最小。

    无线网络技术的最新发展正在改变信息发送的方式。任何时间、任何地点都能无缝、自由地访问信息正在使设备和用户环境发生戏剧性的变化。

    业界最流行的两种无线技术无疑是蓝牙和无线局域网(WLAN),后者也常被称为Wi-Fi。这些成熟技术为各种设备的无线访问提供了互补的方案。蓝牙是一种无线个人局域网(PAN)技术,是通用串行总线(USB)的一种替代方案。而相比之下,作为以太网线缆替代技术的WLAN能够实现更长距离更快速度的数据传送。

    用户对这些技术的普遍接受正在不断催生同时使用蓝牙和WLAN功能的新应用,包括:

    * 通过WLAN访问互连网、通过蓝牙连接鼠标或键盘的PC或膝上型电脑;

    *具有WLAN热点访问功能、使用VoIP和蓝牙耳机的膝上型电脑、PDA或蜂窝电话;

    * 支持WLAN和蓝牙网络之间无缝漫游的多模设备。

    标准组织可能很少会预见以上这些应用场合。虽然蓝牙1.2标准预留了减轻干扰的内容,但蓝牙和WLAN标准都没有规定允许通过内部控制或协调来减轻由其它无线传送的业务所导致的干扰。设法减少干扰的问题留给了设计人员,并要确保多模终端产品能够获得最终用户要求的性能、可靠性和稳定性。因此许多关键的挑战需要被克服,包括对数据包大小、类型和时序的实时控制、射频和天线的隔离、优化误差向量级(EVM)、放大器的线性和效率。

    共同信道干扰效应

    设计同时包含WLAN和蓝牙功能的消费类电子产品会遇到很多问题,特别是在要求同时工作模式的情况下。蓝牙和802.11b/gWLAN系统工作在2.4GHz频段,这两种技术都用到了可用频谱的重要部分(见图1)。

    当WLAN设备和蓝牙设备靠得很近并试图同时收发无线信号时就会发生干扰。这两种技术采用不同的方法进行信号传送:载波侦听多路访问(CSMA)和跳频扩频。前者用于802.11b/g收发器,它在发送信号前会侦听空闲信道。所发送的信号带宽大约20MHz,将占用间距为25MHz、最多3个非重叠信道中的一个进行传输。

    而蓝牙则采用跳频扩频技术在79个带宽为1MHz的信道间以每秒1,600跳的速率跳跃选频,在每个跳频点发送较短的时分复用数据包。当一个设备发起连接并成为该子网的主设备时,蓝牙连接就成功建立了。如果知道目标地址,设备就直接发送页面消息。如果目标地址未知,会先发送一个查询消息,跟着再发页面消息。一旦两个设备同步上以后,这两个具备蓝牙功能的设备就处于连接状态,并且每个设备会设定一个唯一的MAC)地址。通过简单的计算可以证实,蓝牙发射器输出的信号与802.11b/g信号在大约25%的时间内会有冲突。

    这种共同信道干扰效应与信号的相对强度与数据包的发送长度和占空比密切相关。针对这种干扰现象所做的各种分析和仿真试验表明,干扰会严重影响其中一种或两种信号。相关标准提供了不同信号设计方法——802.11b使用的直接序列扩展频谱(DSSS)、802.11g使用的正交频分复用(OFDM)及蓝牙使用的跳频所导致的干扰反弹程度。这些标准还使用基于数据包重传和数据速率降低的协议。然而,这些对策会极大地降低数据吞吐量,从而严重影响一些设备的性能。例如蓝牙音频传送或WLAN上的VoIP,数据包差错率只要超过几个百分点就会导致无法忍受的音频时延甚至通话中断。

    蓝牙规范1.2版将自适应跳频(AFH)作为蓝牙设备检测和避免干扰的一种方法。通过AFH将某个信道判断为好或坏,从而避免使用坏的信道,并以跳频方式用伪随机方法选出其它好的信道替代之。一旦蓝牙设备判定有一台WLAN设备工作于2.4GHz频段,那么重叠的跳频信道就被指定为坏信道而加以避免。美国联邦通信委员会(FCC)是在2002年批准使用AFH的,当时允许在最小15至最大75个信道间实现跳频。欧洲电信标准协会(ETSI)也允许采用跳频技术,但最小信道是20。这是为AFH选择的最小值。

    解决双射频的干扰

    不幸的是,诸如AFH等技术是专门为2.4GHz设备设计用于检测和避免干扰的,还不足以实现蓝牙与WLAN的共存。当蓝牙与802.11设备共存于同一设计中时作为独立技术的AFH是远远不够的,这主要是因为WLAN设备必须提供较高的输出功率才能支持长距离、高数据速率、可靠的互联网、语音、数据和视频传输。

    在WLAN与2类或3类蓝牙功能共存的产品中,WLAN发射器会发出高达+20dB的输出功率。与非共存条件相比,这将增加可测干扰功率的带宽,从而减少了可用的跳频信道数,并限制了频谱扩展的效果。由此看来,当802.11b/g设备在试图上载数据包时,双模便携终端只使用AFH将不能支持使用蓝牙耳机的语音会话应用。图1:WLAN上的FHSS蓝牙频谱干扰。

    另外需要考虑的因素是1类蓝牙设备的涌现,它也需要功放才能实现长达100米范围的无线传输。1类蓝牙规范要求+20dBm的输出功率,当它共存于双模终端时,肯定会破坏WLAN的吞吐性能。事实上,即使射频间有+40dB的隔离度,但来自3类蓝牙发射器(其输出功率为0dBm)的干扰仍然会降低802.11b设备的吞吐量。

    除了重叠的发射器频谱外,接收器灵敏度也是需要认真考虑的因素。由于两个收发器彼此靠得很近,从一条RF链发出的信号有可能足够大而使其它RF链的接收器前端处于饱和状态。无论频率偏移有多少这种情况都会发生,因为大部分通用直接转换接收器架构中的所有信道专用滤波都作用于更低的中频(IF)或基带。如果两个系统间的传输在高层没有协调好,那么在数据包接收期间随时都会发生接收饱和的现象。在数据包接收时接收器自动增益控制功能一般是打开的,因此有用信号的电平可能比其它无用发送电平低70或80dB。即使发射器信号电平本身并不十分强,但它的宽带噪声可能足够高以至于成为接收器噪声的主要成分。

    接收器本振的相位噪声功率在发射器频率偏移处可能有足够大的强度,以至于在由相互混频过程产生的下变频信号中形成共信道干扰。两个共存发射器同时工作产生的非线性可能会在某些禁用频率点形成交叉调制分量,并在功率谱密度足够高的情况下破坏FCC和ETSI对伪宽频产生的限制。同样,发射器谐波分量本身也会干扰更高频率的受限频段和5GHz802.11a设备。

    共存射频之间的隔离是降低发射器阻塞信号电平的最有效方法,但实际操作中由于设备体积小以及天线方向和版图产生的有限隔离效应而使效果大打折扣。在每个发射器上增加滤波装置也许是降低干扰电平的最好途径,但同样会影响材料清单规模和成本。增加滤波装置的另外一个缺点是会极大地影响发射器在指定输出功率点的效率和线性。提高发射器线性可以减少交叉调制分量,但会降低效率,对于便携设备来说也是不可取的。

    很多情况下蓝牙和WLAN功能的实现架构包含有物理上分开的基带、RFIC、前端和天线模块。射频部分位于多层PCB的一个独立面,与地层是分开,并被屏蔽。这种方法可以形成最大程度的隔离。共享天线等射频模块虽然可以减少材料,但为了达到规定的隔离度,会给设计增加很大的难度。实际上,在成本、功耗和体积约束条件下将RF很好的隔离是不太可能提供良好的同步操作性能。由于仅依靠射频标准无法实现良好的同时操作射频性能,因此需要依靠制造商引入他们自己在协调和控制双射频方面的专有技术。

    共存的协调措施

    已有多种专有机制可用来协调射频活动以防止共存设备的同步工作,虽然各自实现的细节不同,但实质上都是采用交互操作的方式,使射频工作看起来仍是同步进行的。这些技术能够满足两个系统的调度和优先级设置要求,并在传送占空比、空闲时间和包类型(数据/信标/寻呼)方面取得平衡点。一个系统在发送数据包的同时另外一个系统就处于空闲状态,反之亦然。最终结果是两个系统都能组织起可靠的通信,并且吞吐量损失可以忽略不计。下面是这些协调方法的三个例子。

    双模射频切换是最容易实现的共存机制。这种方法要求一个射频设备在工作时另外一个必须完全停止工作。有两种具体的实现方法。第一种方法要求关闭不工作的射频设备,不得向网络的其它节点发送信号。这种方法的缺点是在某些情况下与不需协调的设备相比可能会降低设备性能。第二种方法是向其它网络节点发出本设备停止工作的信号。据调查此时设备性能要好于关闭射频设备时的性能,但仍要比不受阻碍的射频设备低60%。当蓝牙语音链路在工作时这两种方法都不支持切换。

    驱动级发射切换法在驱动器级仲裁设备发送请求,从而避免同时传送的发生。由于同一时刻只有一个射频设备被激活,因此这种方法会影响吞吐量,并引起数据包冲突问题。因此采用驱动级发送切换方法的系统在同时发送一个协议和接收另外一个协议时会发生丢包、干扰和潜在用户难题。由于是双模射频切换,这种方法无法达到足够快的切换速度以支持蓝牙SCO链路,并且很难减少由蓝牙微网络主/从轮询操作引起的干扰。

    提供性能接近无干扰水平的最有效方法是MAC级切换。MAC级切换技术是一种协作技术,它在MAC层两个协议间交换信息和管理收发操作。由于MAC级切换是在基带进行的,协议间的切换速度要比驱动级方法快很多。MAC级切换方法不受使信号发送到输入接收端、蓝牙轮询或操作系统延时的影响。

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    蓝牙与Wi-Fi网络互连设计方案

    蓝牙和Wi-Fi(即IEEE802.11b)都是无线局域网家族里的重要成员,它们都有各自的优点。直到今天,对这两种无线局域网标准的补充和修订工作仍在进行。蓝牙最初是以作为与Wi-Fi互补的技术来定位自己的。但随着两种技术标准的不断扩展完善,有迹象表明它们之间今后完全有可能形成竞争关系。无论如何,蓝牙和Wi-Fi的共存已经成为今天的现实。

    对使用者而言,较为关注的问题有两个:一是蓝牙和Wi-Fi的共存会对各自的性能带来怎样的影响;二是怎样实现二者之间的互连互通。由于蓝牙和Wi-Fi都工作于ISM2.4GHz频段,因而在共存的环境下它们之间的干扰不可避免,这也是很多研究者引以关注的问题,本文将给出在这方面已经取得的一些研究成果。并就共存环境中怎样实现蓝牙和Wi-Fi之间的互连提出了解决方案。

    2.蓝牙、Wi-Fi技术概述

    2.1 蓝牙[1]

    蓝牙技术是由蓝牙SIG(特殊利益集团)于1994年联合推出的一项短距离无线通信协议。它具有使用方便、抗干扰能力强、低功耗、低辐射等诸多优点。蓝牙宽带协议结合电路交换和分组交换技术,适用于语音和数据传输。它支持异步数据信道和同步语音信道,还可以用一个信道同时传送异步数据和同步语音。

    蓝牙的基本拓扑结构是微网(Piconet)。在微网中只有一个主设备(Master),它可以同时和至多7个处于激活状态的从设备(Slave)以及至多255个处于休眠状态的从设建立连接关系。微网之间还可以形成散射网(Scatternet),从而扩大了网络的规模,延长了网络的覆盖范围。

    2003年3月,IEEE批准了兼容蓝牙1.1版本的WPAN标准“IEEE802.15.1”,同时还专门成立了四个工作组专门负责IEEE802.15相关标准的制定和完善动作。目前,更为完善的蓝牙协议2.0版已经问世,这必将加速蓝牙技术的推广应用进程。

    2.2 Wi-Fi[2]

    Wi-Fi是在IEEE802.11的基础修改制定的,于1999年11月由IEEE推出。它与蓝牙工作于同一频段。Wi-Fi采用CSMA/CA的访问机制,这与以太网协议CSMA/CD相似。它具有传输速率高、传输距离长等优点。但它不提供面向连接的服务,因而可靠性不如蓝牙,且其功耗也较蓝牙高。

    Wi-Fi的基本网络结构为基本服务组(BSS),这种结构可以满足两个站点之间的直接数

    据交换要求,但在使用过程中需要将其中一个设为主设备;扩展服务组(ESS)是由多个基本服务组形成的。通常情况下各个基本服务组均通过接入点设备(AP)接入到有线或无线网络中。基本服务组中的站点设备一般不同时作为两个基本服务组的成员,这一点与蓝牙设备不同。

    3. 蓝牙-Wi-Fi共存问题

    3.1 共存环境中蓝牙、Wi-Fi的干扰特性[3,4]

    由于蓝牙和Wi-Fi都工作于ISM2.4GHz频段,尽管它们分别采用了不同的扩频技术和访问控制机制,但二者之间的干扰仍然存在。下面给出在共存环境中蓝牙数据包与802.11数据包发生冲突的概率,以及在一定的距离内发生数据包丢失的仿真结果。

    蓝牙和WiFi共存技术2

    图3.1显示了当一台蓝牙设备正在通信时,另一Wi-Fi设备对其形成干扰所导致的数据包丢失情况的仿真结果。图中离散的点反映了Wi-Fi设备与蓝牙设备间的距离对数据包丢失情况的影响,可大致上用图中的曲线来描述,底部的直线为参考线;图3.2显示了当一台Wi-Fi设备正在通信时,另一蓝牙设备对其形成干扰所导致的数据包丢失情况的仿真结果。同理,图中离散的点反映了蓝牙设备与Wi-Fi设备间的距离对数据包丢失情况的影响,可大致上用图中的曲线来描述,底部的直线为参考线。通过比较图3.1和图3.2我们不难发现,总体上蓝牙因Wi-Fi干扰而导致的数据包丢失要严重些。在距离超过3m后,Wi-Fi因蓝牙的干扰而导致的数据包丢失几乎可以忽略不计。

    3.2 共存解决方案

    针对共存环境中存在的干扰问题,可以采取以下几种解决方案[5,6]。这些解决方案对技术的要求不尽相同,其抗干扰性能也不一样,以满足不同的应用需要。

    1. 功率控制

    这是一种妥协性的解决方案。由于蓝牙支持功率控制策略,而Wi-Fi支持动态速率转换策略。因而在同一个使用环境中,当发现蓝牙和Wi-Fi设备之间的干扰影响到各自的正常通信时,可联合采取降低发射功率和调整传输速率的方式以降低干扰的影响。这种解决方案比较适合于临时性的公共场合,比如会议室、宾馆、机场等。

    2. 驱动层模式转换

    实际应用中,可能有很多设备同时安装有蓝牙和Wi-Fi系统。对这类设备而言,驱动层模式转换的思想是让二者共用同一射频天线,并让二者分时工作。即当其中一个系统需要通信时另一个关闭,反之亦然。图3.3给出了驱动层模式转换的结构图。这种解决方案存在的问题主要有三个方面:首先,它无法满足同时进行蓝牙和Wi-Fi通信的要求。即设备既无法同时发送和接收两类数据包,也无法在发送(接收)其中的一类时接收(发送)另一类;其次,由于驱动层转换需要在操作系统完成,而操作系统的响应时间有一定的时延,这显然增加了通信双方进行收发协调的难度;最后,由于维护网络的需要,蓝牙微网中的主设备会向网内的设备发送“轮询”数据包,这会干扰正常的Wi-Fi设备通信。因而,单一的驱动层模式转换方案作用有限。

    蓝牙和WiFi共存技术2

    图 3.3 驱动层模式转换结构图

    3. MAC层转换

    MAC层转换克服了驱动层转换时延的问题,同时也有效防止了蓝牙“轮询”的干扰。其实现的方式可有两种选择:将转换机制集成到两个系统的基带协议中,或集成到一个独立的模块中并与两个系统的基带进行通信和控制。这种解决方案的缺点是难以有效抵制临信道的干扰,且开发难度较大。

    4. 自适应数据包业务

    由于数据包长度越短,发生碰撞的概率越低。因而在共存的环境中,如果蓝牙和Wi-Fi都能根据干扰的严重程度自动调整包的大小,将有助于增强共存系统的稳定性。这就要求开发出相应的自适应算法,以动态的调整蓝牙的多种包类型,并对Wi-Fi包进行动态分割。同理,还可以开发自适应速率算法,以在需要时动态的调整数据的传输速度。所有这些都将要求对现有的蓝牙和Wi-Fi协议做进一步的修改和补充。

    5. 自适应跳频

    自适应跳频是在数据发送时,选择那些跳频信道中“好”的信道来传输数据的跳频通信方式。“好”信道通常是指那些没有受到干扰或受到的干扰较小的那类信道。“好”和“坏”由接收端的链路质量分析电路来判断,其依据通常是数据包丢失率、接收信号强度等。这种方案通过尽量避免系统间的频率碰撞以达到提高系统性能的目的。自适应跳频技术在一些系统中已有应用。

    蓝牙和WiFi共存技术2

    图3.4 Wi-Fi系统数据吞吐量变化情况

    此外,Mobilian公司的研究人员提出了一种称之为TrueRadio技术的系统级方案来解决蓝牙和Wi-Fi之间的干扰问题[7],它集中执行了蓝牙和Wi-Fi系统的驱动层和基带层功能,从而可以理想地对两种系统的运行进行综合控制。图3.4显示了采用这种技术前后Wi-Fi数据吞吐量变化的情况。

    4. 蓝牙与Wi-Fi网络互连方案设计

    4.1 网络结构

    在共存环境中,蓝牙或Wi-Fi设备的通信大体上可分为两种类型:一种是蓝牙设备之间或Wi-Fi设备之间的通信,另一种是蓝牙设备与Wi-Fi设备之间的通信。前种通信属于蓝牙和Wi-Fi各自技术的应用领域(只不过增加了抗干扰方面的考虑),并不涉及到网络的互连;后者则需要通过蓝牙/Wi-Fi网关才能完成。

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    图4.1 共存环境中蓝牙与Wi-Fi网络互连通信示意图

    图4.1给出了典型的蓝牙和Wi-Fi网络共存的示意图。图中,蓝牙设备和Wi-Fi设备分散在应用环境中的不同位置。当某一蓝牙(Wi-Fi)设备需要和另一Wi-Fi(蓝牙)设备进行通信时,由蓝牙/Wi-Fi网关来执行中继和数据包的转换工作。不难理解,进行数据包的转换是蓝牙/Wi-Fi网关的核心任务,也是能否实现蓝牙与Wi-Fi网络互连的关键问题。另外,为维护和管理网络的方便,通常将网关设备作为蓝牙的主设备(Master)和Wi-Fi的接入点设备(AP)。

    4.2 协议栈模型

    通常情况下,异种网络之间的互连是在网络层实现的,但有时也可在数据链路层实现。在网络层实现蓝牙/Wi-Fi互连的协议栈结构如图4.2所示。这种实现方式要求每个上层应用数据包均按照如下步骤(或相反方向)走完协议栈的各个层次:应用层(蓝牙)-物理层(蓝牙)-网关物理层(蓝牙)-网关网络层-网关物理层(Wi-Fi)-物理层(Wi-Fi)-应用层(Wi-Fi),因而实时性较差。但它实现起来比较简单,只需软件即可完成。

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    图4.2 网络层实现蓝牙/Wi-Fi互连的协议栈模型

    比较而言,在MAC层实现蓝牙/Wi-Fi互连难度上要大得多,但执行效率也要高得多。其协议栈结构如图4.3所示。这种实现方式可通过两种途径来完成数据包的转换:一种是直接在两者的MAC层进行;另一种是通过中间件进行。两种实现途径均主要由硬件来完成,不过后者要相对灵活些,且没有前者那么复杂。

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    图4.3 MAC层实现蓝牙/Wi-Fi互连的协议栈模型

    上述两种实现方式都没有提及天线的配置问题。事实上,天线的配置策略将在很大程度上决定网关的工作方式。如本文前面所述,如果采用共用天线的模式,则网关只能采取时分复用的工作方式。这种工作方式可能会对网络的数据吞吐量产生一定的影响,同时也难以保证相关设备的数据收发有序进行。而采用双天线的配置模式则可以避免这类问题。双天线的配置模式可满足网关设备实时收发蓝牙和Wi-Fi数据包的要求,从而提高了整个系统的运行效率。但这种配置模式也有新的问题,即天线之间的射频干扰。尤其是当天线之间的距离很近时,这种情况将会变得非常严重,甚至可能导致设备无法正常工作。因而需要采取一定的隔离措施,或者研究提供更完善的控制策略。

    如果综合考虑蓝牙/Wi-Fi网络的互连方式和天线的配置策略,我们不难得出结论:当采用通过网络层互连且配置共用天线的网关进行蓝牙/Wi-Fi网络互连时,网络系统的运行效率最差,也最不稳定;而当采用通过MAC层互连且配置双天线的网关进行互连时,网络系统的运行效率最好,也最稳定。当然如上所述,它需要解决天线之间的射频干扰问题。


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