 |
|
|||||
| 元件 次系统 自动控制 | ||||||
 |
|
最新动态
|
产业快讯
|
2.4 GHz ISM频带 Wi-Fi和蓝芽产品都用无须授权的2.4-GHz ISM频带，虽然各地对此频带的操作规定并不相同，允许的使用者也有差异，但本文只讨论美国联邦通讯委员会对2.4-GHz频带的有关规定。美国联邦通讯委员会针对此频带所允许的高功率「直接序列」(direct sequence)及跳频式展频式传输做了一些重要规定，例如2.4 GHz ISM频带的宽度为83.5 MHz，下限频率为2.400 GHz ，上限频率则为2.4835 GHz。 另外，委员会并规定，这个频带内工作的高功率发射器(最高为1瓦)必须使用「直接序列展频技术」(DSSS；Direct Sequence Spread Spectrum)或是跳频式展频技术，其中Wi- Fi产品是以直接序列展频技术为基础，蓝芽装置则使用跳频式展频技术。 对于采用跳频式展频技术的装置，需提供75个跳跃频道，而且每个跳跃频道的最大频宽为1 MHz；蓝芽装置则必须在79个频率上跳跃，每个频道的频宽也是1 MHz，因此蓝芽装置的实际使用频宽为79 MHz，但任意一个时间点上只需要1 MHz频宽。 图三是蓝芽装置在2.4 GHz ISM频带跳跃的一个范例，其中每个蓝色方块都代表一次蓝芽传输动作。蓝芽是一种「时槽式」(slotted)通讯协定，每个时槽的长度为625微秒，虽然每次传输可以占用1、3或5个时槽，但图三只显示长度为一个时槽的传输动作。 长时间来看，每个Wi-Fi网路都会维持相同的频率使用量，并且只使用83.5 MHz可用频宽的一部份。 IEEE 802.11b标准定义了11个可用频道，每个频道都是由其中心频率所定义，中心频率的间隔则为5 MHz，这些频道的编号是从1至11。 由于IEEE 802.11b信号的20 dB频宽很容易达到16 MHz，造成同地区的相邻频道发生干扰现象，因此若同一地点有多个Wi-Fi网路，它们大都会使用1、6和11频道，防止干扰情形的出现。在这种情形下，同地点的三个网路约会占用ISM频带83.5 MHz可用频宽的3 ( 16MHz＝48MHz。 图四是三个Wi-Fi网路的典型频率使用情形，其中每个Wi-Fi网路都只用一个频道，从图中可以看出它们是1、6和11频道。每个频道的传输动作是由封包颜色来区隔，每个Wi-Fi封包的传送时间则是由封包的资料量决定，通常在每个资料封包后面还会有一个很短的「确认封包」 (acknowledgement packet)。
|
Wi-Fi与蓝芽的共存测试
由于蓝芽装置是在ISM频带的79 MHz频宽内跳跃，IEEE 802.11b则约需要16 MHz的传输频宽，因此若Wi-Fi与蓝芽产品在同一个区域工作，就可能发生干扰现象。为了因应潜在的干扰问题，我们对实际的蓝芽与Wi-Fi产品执行多项共存测试，以便评估它们的共存程度。
|
测试环境
利用一部通过Wi-Fi认证的「接取点」(access point)和基地台来执行资料产出率测试，其中基地台是由一部膝上型电脑和一张Wi-Fi PCMCIA卡组成，图五是这些装置的代表图示。
这些测试所使用的蓝芽装置也是PCMCIA卡，我们还使用两部膝上型电脑，一部担任蓝芽主装置，另一部做为蓝芽仆装置，图六是这些蓝芽装置的代表图示。
这项测试希望建立某种程度的真实环境，模拟蓝芽与Wi-Fi线路共存的情形，然后取得资料产出率的经验值。真实世界可能包含许多不同的共存方式，会有不同的相对距离、应用及效能量测结果(例如声音／影像品质或是资料等待时间，而不是资料产出率)。
基准效能(Baseline Performance)
为了了解蓝芽网路及Wi-Fi网路在没有干扰时的最大资料产出率，我们也执行一些基准测试，而且在每一项基准测试中，使用NetIQ公司的Chariot软体套件，它能用最大速率把资料从一部装置传送到另一部装置。
Wi-Fi的资料产出率
为量测Wi-Fi基准效能，我们采用图七的测试方式把资料从接取点送至基地台，因此在测试时，绝大多数从接取点送至基地台的封包都是很长的资料封包，从基地台送至接取点的封包则是很短的确认封包。
我们让Wi-Fi接取点与Wi-Fi基地台能直接看到对方，然后改变两部装置的距离，正如图八所示，此时得到的资料产出率是距离的函数；从测试结果可发现，在250英呎的最大测试距离下，Wi-Fi装置仍能维持5.5 Mbps以上的连线速率。
蓝芽的资料产出率
如图九所示，我们利用类似Wi-Fi资料产出率基准测试的方法，也对两部蓝芽装置进行测试。在没有干扰的情形下，将资料从蓝芽主装置传送到蓝芽仆装置，结果在250英呎的距离内，资料产出率大约可达到550 kbps。图十是蓝芽网路所能达到的资料产出率。
|
蓝芽装置干扰下的Wi-Fi效能
我们另介绍两项重要测试的结果，第一项测试与4.2.1小节的资料产出率基准测试完全相同，只是另外把一部蓝芽主装置和仆装置放在Wi-Fi基地台的10公分距离内，让这个Wi-Fi网路在最恶劣条件下进行测试。在测试过程中，蓝芽装置的发射功率为100 mW，Wi-Fi装置则为30 mW，两部蓝芽装置与Wi-Fi接收装置的距离都不到10公分，整个测试环境如图十一所示。
第二项测试也类似于第一项测试，只不过蓝芽干扰源与Wi-Fi基地台的距离增加至30英呎，图十二就是这项测试的设定方式。
图十三列出了这两项测试和Wi-Fi资料产出率基准测试的结果，我们发现当蓝芽干扰源很接近Wi-Fi基地台的时候，传输效能就会受到蓝芽干扰的很大影响；但若把蓝芽干扰源移到10公尺以外或是更远地方，那么资料产出率的降低幅度就远小于基准测试。
有IEEE 802.11b无线区域网路干扰源时的蓝芽效能
为决定Wi-Fi干扰源对蓝芽网路的影响，将蓝芽及Wi-Fi装置的位置交换，然后执行与4.3节相同的实验。图十四是这些测试的结果，我们发现当Wi-Fi干扰源的距离很近时，蓝芽装置的资料产出率也会受到冲击；但若把Wi-Fi干扰源移到较远地方，蓝芽的资料产出率就大幅增加，约可达到基准资料产出率的九成，而且与两部蓝芽装置的距离无关。
从实验结果发现，当蓝芽与Wi-Fi装置有一定距离时，两种装置的资料产出率都很接近没有干扰源时的传输效能，但这些实验也证明若两者之间有干扰源，那么蓝芽与Wi-Fi装置的效能就会下降。以下，我们会分析干扰的原因，然后讨论数种解决方案。
|
改善共存性的方法
如何让多部装置在不须授权的频带中共存，这并不是最近才出现的需求，一个好例子就是使用不须授权900 MHz ISM频带的无线电话，也要与其它装置分享这些不须授权的频带。当使用900 MHz频带的无线电话刚出现时，它们对于频带内干扰的抵抗能力相当有限，随着时间的过去，这些产品也做了部份改变，让它们在其它900 MHz装置存在的情形下，不但仍能正常操作，还可维持一条高品质的线路。虽然上述例子与2.4 GHz ISM频带的情形有所差异，但主要部份却完全相同。由于其它装置也可能在相同频带内工作，我们必须让这些装置具备某些功能，以便在其它装置也存在的情形下，继续提供稳定可靠的传输效能。
Wi-Fi网路的动态频道选择
要让多部装置在2.4 GHz ISM频带内共存，最好方法就是避免使用已为其它装置占用的频率，图四是Wi-Fi网路的共存范例，也是此项原则的具体实现。在同地点的三个网路分别使用1、6和11频道，从而避免彼此相互干扰。在目前的Wi-Fi产品中，频道选择是由使用者或系统管理员负责，未来的Wi-Fi网路可能会提供动态频道选择功能。
利用动态频道选择功能，Wi-Fi接取点装置就可根据频带使用情形，自己决定那个频道是目前的最佳频道，做法如下：
封包错误率
根据与其他Wifi 装置的通讯情况,量测每个频道的封包错误率,错误率越低的频道就是越理想的频道。
频道杂讯
根据与其他Wifi 装置的通讯情况,量测每个频道的信号杂波比,信号杂波比越大的频道就是越理想的频道。
频道的多传输路径与符码间干扰
根据与其它Wi-Fi 装置的通讯情况，量测频道的符码间干扰强度以及多传输路径情形，符码间干扰强度与多传输路径越不严重的频道就是越理想的频道。
接收信号强度
无论附近是否有其它Wi-Fi装置，接取点装置都可根据频带内干扰源的信号强度来选择工作频道。
Wi-Fi网路的适应性封包分割技术
Wi-Fi网路可将一个封包分割成多个封包，以限制每个封包的长度。当网路上没有干扰信号时，封包分割会降低网路的资料产出率，因为网路必须处理更多的封包标头。把每个封包的长度减少后，Wi-Fi封包传送过程的干扰机率就会降低；使用较短封包虽能减少封包错误率，但网路却必须处理更多的封包标头，这是我们必须做的取舍。
要实作适应性封包分割功能，一个方法是监测网路的封包错误率，然后根据它来调整封包分割长度，此项调整也必须考虑每个封包的额外处理需求；利用「适应性最小均方演算法」(adaptive least mean squared algorithm)，大约只须十次的更新动作，就可以得到最好的封包分割长度。
加强蓝芽装置共存性
对于资料传输线路，蓝芽装置可藉由适应性技术选出它所使用的错误控制机制和每个封包的传送长度，以便得到最大的资料产出率；此外，还可用流量控制来动态增加或是减少资料传输速率。举例来说，如果坏频道的数目达到某个值，蓝芽装置可暂时停止传送资料，直到有好频道可供使用。
智慧型跳频技术
跳频装置先天就具有某种强固性，因为它们不会使用同样频率来连续传送资料；改变发射信号中心频率的动作又称为跳频，这表示在特定的时间点上，就算有其它装置也在传送资料，只要它们使用的频宽也很窄，那么两者同时选择相同频率的机会就很小，由于时间与频率关系图中的蓝色方块非常稀疏，频带内资料传输动作发生冲突的机率就非常低。
目前，虽然蓝芽装置具有相当的抗干扰强固性，但其程度却不一定，因为发射机并未使用频带内干扰的相关资讯；如果能对跳频顺序做出特别安排，使它们主动避免频带内的其它装置，那么无论是频带内的蓝芽装置或其它装置，它们的效能都会大幅增加。举例来说，如果第6个Wi-Fi频道中有一部Wi-Fi装置正在工作，那么蓝芽装置最好就不要使用2.429 GHz到2.445 GHz间的频率来发射资料，因为这个频率范围内的任何发射动作都可能导致蓝芽以及／或是Wi-Fi传输错误。
发射功率控制
使用2.4 GHz ISM频带之类的分享资源时，很重要的一个观念是：使用的资源数量不要超过实际需求，这是使用拥塞频道的黄金定律。举例来说，如果频带内有两部装置正在通讯，它们使用4 dBm的功率水准来传送资料，此时若其它装置以20 dBm在频带内发射信号，那就是对于频带的滥用。在频带内传送功率过大的信号会降低单位面积的总传输量，于是频带内其它使用者的通讯就会受到不必要干扰。
装置间的距离不会迅速改变，因此所须的发射功率也无须快速变动，这表示Wi-Fi及蓝芽装置可增加动态功率控制功能，而不会影响它们的传输效能；此外，由于装置不再使用最大功率来发射信号，这表示区域内的所有装置更可能与其它装置完成通讯。
让Wi-Fi与蓝芽装置在同一地点工作的方法
如果蓝芽与Wi-Fi都在同一部装置内，就有可能提高它们的强固性与共存性；如果蓝芽与Wi-Fi装置位于相同地点，也可用一个协调单元和简单信号机制来保留频道存取时序内的发射与接收时槽。此外，利用一种简单机制来处理虚拟竞争(例如当Wi-Fi与蓝芽装置的时槽保留要求发生冲突时)也是个不错的方法。
在这类的环境中，很重要的工作是让蓝芽网路及Wi-Fi网路提供最大资料产出率，同时将传输工作平均分配给蓝芽及Wi-Fi网路，避免过长的传输延迟时间。
制定标准的相关活动
蓝芽与IEEE 802.11装置的共存非常重要，因此蓝芽和IEEE 802特别工作小组正在积极努力，希望找出新方法来增加它们的共存能力；此外，TI也主动参与相关标准的制订程序，以便改善2.4 GHz频带的装置共存性。为改善蓝芽与IEEE 802.11装置的共存性，厂商建议了许多方法机制，为此IEEE特别成立一个802.15.2工作小组，希望根据这些建议提出一套实际方法。
|
结果与应用
TI正在努力提供蓝芽以及Wi-Fi解决方案，都拥有业界最好的抗干扰强固性，可抵抗2.4 GHz ISM频带内其它装置的干扰；藉由TI的努力，蓝芽与Wi-Fi装置不但能在同一个地点共存，甚至还可在同一部装置内，而不会对彼此造成太大影响。
举例来说，使用者的膝上型电脑可同时包含蓝芽与Wi-Fi功能，这样膝上型电脑就能利用蓝芽与行动电话或个人数位助理连线，同时使用Wi-Fi连线至高速家庭闸道器或是企业环境内的接取点装置。这种应用组合是没有止境的，随着共存能力更强大的产品开始出现，它们很快就会付诸实现。 (本文作者目前任职于德州仪器)
|
||||||||||
|
|
|
| comments powered by Disqus | |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
||||||||||||
|
|
相關產業類別
相關網站單元