Сосуществование Bluetooth-WLAN
Из-за повсеместного развертывания беспроводных сетей и устройств на нелицензированном Промышленнике на 2,4 ГГц, Научном, и Медицинском (ISM) диапазон частот, несколько однородных и неоднородных сетей (Bluetooth®, Wi-Fi® и ZigBee®) действующий в этой полосе, вероятно, будут сосуществовать в физическом сценарии. Беспроводная персональная сеть области (WPAN), представленная Bluetooth [1] и беспроводной локальной сетью (WLAN), представленной стандартом IEEE® 802.11 оба, действует в диапазоне частот ISM на 2,4 ГГц. Bluetooth и радио WLAN часто действуют в том же физическом сценарии и несколько раз в том же устройстве. В этих случаях Bluetooth и передачи WLAN могут вмешаться друг в друга, влияя на эффективность и надежность обеих сетей.
IEEE 802.15.2 Исследовательская группа [3] полагает, что предложения по механизмам улучшают уровень сосуществования между Bluetooth и устройствами WLAN, и публикует методические рекомендации, выведенные из них.
Bluetooth и технические требования IEEE 802.11 WLAN
Технология Bluetooth использует радиочастоту малой мощности, чтобы включить ближнюю коммуникацию. Bluetooth приравнивается с реализацией, заданной группой Спецификации [2] Ядра Bluetooth стандартов, выпущенных промышленным консорциумом Специальной группы (SIG) Bluetooth. Библиотека Communications Toolbox™ для Протокола Bluetooth позволяет модели Bluetooth low energy (BLE), mesh BLE и ссылкам системы связи базовой скорости / улучшенной скорости передачи данных (BR/EDR) Bluetooth, как задано в Спецификации Ядра Bluetooth. Bluetooth BR/EDR и устройства BLE действует в нелицензированном диапазоне частот ISM на 2,4 ГГц.
Режим Bluetooth BR обязателен, тогда как режим EDR является дополнительным. Радио BR/EDR Bluetooth реализует 1 600 методов скачкообразно перемещающего частоту спектра распространения (FHSS) транзитных участков/секунда. Радио скачкообразно двигается псевдослучайным способом на 79 обозначенных каналах Bluetooth. Каждый канал Bluetooth имеет пропускную способность 1 МГц. Каждая частота расположена в (2402 + k) МГц, где k = 0,1, …, 78. Метод модуляции для режима BR и EDR является Гауссовым shift-keying частоты (GFSK) и дифференциальным shift-keying фазы (DPSK), соответственно. Скорость в бодах является 1 Msymbols/s. Радио BR/EDR Bluetooth использует топологию дуплекса деления времени (TDD), в которой передача данных происходит в одном направлении одновременно. Передача чередуется в двух направлениях, один за другим.
В BLE операционная полоса разделена на 40 каналов, k = 0, 1, …, 39, с пропускной способностью канала 2 МГц. Область значений частот центра RF является [2402, 2480] МГц. Пользовательские пакеты данных передаются с помощью каналов в области значений [0, 36]. Рекламные пакеты данных передаются на каналах 37, 38, и 39. BLE также реализует модуляцию GFSK. Физический уровень BLE (PHY) использует FHSS, чтобы уменьшать интерференцию и противостоять удару исчезающих каналов. Время между транзитными участками частоты может варьироваться от 7,5 мс до 4 с и установлено при установлении связи для каждого Ведомого устройства с Ведущим устройством. Ведущее устройство обеспечивает ссылку синхронизации. Ведомое устройство синхронизируется с часами и скачкообразно перемещающим частоту шаблоном Ведущего устройства. Поддержка скорости передачи данных на уровне 1 Мбит/с обязательна для версии 4.x спецификации совместимые устройства. На скорости передачи данных 1 Мбит/с не закодирована передача данных. Опционально, устройства, совместимые со Спецификацией 5.x Ядра Bluetooth, поддерживают эти дополнительные скорости передачи данных:
Закодированная передача при битрейтах 500 Кбит/с или 125 Кбит/с
Незакодированная передача на небольшом уровне 2 Мбит/с
Чтобы исследовать BR/EDR Bluetooth и стек протокола BLE, смотрите Стек Протокола Bluetooth. Для получения информации о различных пакетных структурах, реализованных в Bluetooth BR/EDR и передачи BLE, смотрите Пакетную Структуру Bluetooth. Чтобы изучить основные принципы организации сети mesh Bluetooth и ее приложений, смотрите, что Mesh Bluetooth Объединяется в сеть.
IEEE 802.11 (Wi-Fi), стандарт является беспроводной технологией, которая соединяет устройства и инфраструктуру в WLAN. WLAN совместим с различными стандартами IEEE 802.11. Некоторые видные и широко реализованные стандарты являются 802.11 a/b/g/n/ac/ax. 802.11a стандарт использует нелицензированную национальную полосу (U-NII) информационной инфраструктуры на 5 ГГц и предоставляет по крайней мере 23 неперекрывающихся канала 20 МГц шириной вместо трех неналожений 20 каналов шириной в МГц, предлагаемых полосой на 2,4 ГГц. Стандарт 802.11ac также действует только в диапазоне частот на 5 ГГц. Согласно Части 15 американских Правил и норм Федеральной комиссии по связи (FCC), 802.11b, 802.11g, и 802.11n стандарты используют 2,4 ГГц. Устройства, которые используют эти стандарты, переносят интерференцию в полосу на 2,4 ГГц от bluetooth-устройств. Чтобы смягчить эту интерференцию, устройства, которые используют 802.11b, 802.11g, или 802.11n стандарты, реализуют прямую последовательность распространила спектр (DSSS), Ортогональное мультиплексирование деления частоты (OFDM) и несколько - вход, несколько - выводят (MIMO) OFDM сигнальные методы, соответственно. Устройства, которые используют 802.11n или 802.11ax (Wi Fi 6) стандарт, действуют в двухдиапазонном на уровне 2,4 ГГц и 5 ГГц. 802.11ax стандарт улучшает существующие 802,11 a/b/g/n/ac стандарта, даже если они не полностью обновляются до 802.11ax. Основанный на OFDM метод доступа к каналу 802.11ax стандарт абсолютно обратно совместим с традиционным расширенным распределенным доступом к каналу/carrier-sense, несколько получают доступ (EDCA/CSMA). IEEE 802.11ax обеспечивает максимальную совместимость, сосуществуя эффективно с 802.11a/n/ac устройствами.
Для получения дополнительной информации о каналах радиочастоты WLAN, см. Каналы Радиочастоты WLAN (WLAN Toolbox). Для получения дополнительной информации о пакетных структурах WLAN, смотрите Структуру WLAN PPDU (WLAN Toolbox) и Пакетные Зависимости от Размера и Длительности (WLAN Toolbox).
Распространите методы спектра
Bluetooth и технологии WLAN управляют использованием структурирования сигнала спектра распространения. Этот метод структурирования сигнала включает узкополосный сигнал, такой как поток 1 с и 0s, чтобы распространиться через данный спектр частоты и преобразовать в широкополосный сигнал. Bluetooth-устройства реализуют основной метод FHSS, заданный в Спецификации [2] Ядра Bluetooth. Этот скачкообразно перемещающий основную частоту метод изменяется в метод адаптивного скачкообразного движения частоты (AFH), чтобы смягчить интерференцию. Устройства WLAN используют метод DSSS.
FHSS
Основной метод скачкообразного движения частоты Bluetooth или FHSS распространяют узкополосный сигнал путем скачкообразного движения через различные каналы на спектре частоты на 2,4 ГГц. Этот рисунок показывает, как FHSS передает сигнал Bluetooth на различных частотах в определенных интервалах, чтобы распространить сигнал через относительно широкую операционную полосу.
Передача и получение bluetooth-устройств придерживаются определенной последовательности скачкообразного движения во время конкретного сеанса так, чтобы приемное устройство могло ожидать частоту следующей передачи. В этом случае Bluetooth полностью использует спектр частоты на 2,4 ГГц.
DSSS
С DSSS узкополосный сигнал данных разделен и одновременно передан на нескольких частотах в определенном диапазоне частот. Этот рисунок показывает, как DSSS постоянно передает сигнал данных через различные каналы.
DSSS добавляет избыточные биты данных, известные как микросхемы к сигналу данных обозначить 1 с и 0s. Отношение микросхем к данным называется распространяющимся отношением. Увеличение отношения увеличивает неприкосновенность сигнала WLAN к интерференции. Это вызвано тем, что, если часть передачи повреждается, данные могут все еще быть восстановлены с остающейся части производящего микросхемы кода. Метод DSSS обеспечивает большую скорость передачи, чем FHSS. DSSS также защищает от потери данных через избыточную одновременную передачу данных. Однако, потому что DSSS лавинно рассылает канал с избыточными передачами, это более уязвимо для интерференции от bluetooth-устройств, работающих с тем же диапазоном частот.
Ортогональное мультиплексирование деления частоты
OFDM является гибким, методом модуляции мультипоставщика услуг, реализованным стандартами IEEE 802.11g/n/ac/ax. OFDM делит пропускную способность канала в несколько узкополосных ортогональных поднесущих, чтобы нести информацию. Это разделение включает удаление защитных полос. Однако, потому что ортогональные поднесущие не связаны, они могут перекрыть друг друга. Поэтому OFDM является эффективной пропускной способностью. Этот рисунок показывает представление частотного диапазона ортогональных поднесущих в форме волны OFDM.
Использование узкополосных подканалов (по сравнению с одним широкополосным каналом) помогает смягчить исчезновение канала. Когда каждый подканал действует на низкой скорости передачи данных, OFDM очень эластичен к межсимволу интерференционная и межкадровая интерференция. Когда данные передаются одновременно на нескольких ортогональных поднесущих, OFDM может обеспечить очень высокую пропускную способность. Чтобы далее максимизировать пропускную способность, можно использовать OFDM с MIMO, расширенным физическим уровнем (ERP) и многопользовательскими технологиями (MU).
Проблема сосуществования Bluetooth-WLAN
Когда Bluetooth и устройства WLAN действуют в том же диапазоне частот на 2,4 ГГц, взаимная интерференция существуют между этими двумя беспроводными сетями. Эта интерференция приводит к ухудшению эффективности. Например, считайте сценарий показанным в этом рисунке. Сценарий состоит из двух Bluetooth piconets расположенный с WLAN.
Если передача в piconet 1 перекрывается вовремя и частота передачами от piconet 2 и/или WLAN, пакет Bluetooth может быть потерян. Этот рисунок показывает, как Bluetooth и устройства WLAN совместно используют спектр частоты на 2,4 ГГц.
Если пакеты Bluetooth передали через транзитные участки FHSS к фрагменту спектра частоты, занятого передатчиком DSSS WLAN, то взаимная интерференция происходит. Эта интерференция приводит к пакетным столкновениям. Факторы, такие как расстояние между WLAN и bluetooth-устройствами, поток данных, существующий в этих двух сетях, уровнях мощности устройств и скорости передачи данных сети WLAN, влияют на уровень интерференции. Кроме того, различные типы потока данных имеют разные уровни чувствительности к интерференции. Например, речевой трафик может быть более чувствителен к интерференции, чем поток данных.
Bluetooth при наличии 802.11b WLAN Interferer
Передача, которая использует метод спектра распространения того, вмешивается в приемник, который использует различный метод спектра распространения. 802.11b устройства WLAN действуют в пропускной способности на 22 МГц. В Bluetooth 22 из 79 скачкообразно двигающихся каналов подвергаются интерференции. Скачкообразно перемещающая частоту система как Bluetooth уязвима для интерференции от смежных каналов также. Эта уязвимость увеличивает общее число интерференционных каналов от 22 до 24. На основе этих предположений результаты, показанные в [3], определяют количество пакетного коэффициента ошибок (PER) в передачах Bluetooth с 802.11b WLAN interferer. Результаты показывают, что сетевая пропускная способность уменьшается и сетевые увеличения задержки для Bluetooth в присутствии 802.11b интерференция.
Чтобы изучить удар интерференции WLAN на передаче BLE, см. Модель Сосуществования BLE с Интерференцией Сигнала WLAN и Статистическим моделированием Интерференции WLAN на Сетевых примерах BLE.
802.11b WLAN при наличии Bluetooth Interferer
Когда bluetooth-устройство скачкообразно двигается в 802.11b полоса пропускания, пакетное столкновение может произойти с устройством WLAN. Это столкновение происходит, потому что 22 из 79 каналов Bluetooth находятся в пределах полосы пропускания WLAN. Как 802.11b устройства поддерживают четыре скорости передачи данных (1, 2, 5, и 11 Мбит/с), время передачи пакетов WLAN может значительно варьироваться для пакетов, несущих те же самые данные. Увеличение длительности пакета WLAN увеличивает вероятность, что пакет сталкивается с вмешивающимся пакетом Bluetooth. Если автоматическое масштабирование скорости передачи данных реализовано и включено в устройстве WLAN, интерференция Bluetooth может заставить устройство WLAN масштабироваться к более низкой скорости передачи данных. Более низкое увеличение скорости передачи данных временная длительность пакетов WLAN. Это увеличение пакетной длительности может привести к частым пакетным столкновениям с вмешивающимися пакетами Bluetooth. В некоторых реализациях частые пакетные столкновения могут привести к WLAN уменьшающий масштаб его скорости передачи данных к 1 Мбит/с. В этом случае, чтобы гарантировать надежную пакетную доставку, слой (MAC) доступа к носителю IEEE 802.11 включает подтверждение механизм повторной передачи и (ACK).
Механизмы сосуществования
Интерференция между Bluetooth и WLAN может быть обращена двумя механизмами сосуществования – несовместный и совместный.
Несовместное сосуществование
Несовместные механизмы не обмениваются информацией между двумя беспроводными сетями. Эти механизмы сосуществования применимы только после WLAN или Bluetooth устанавливается piconet, и данные должны быть переданы. Эти механизмы сосуществования не помогают в процессе установления WLAN или Bluetooth piconet. Согласно методическим рекомендациям, упомянутым в [3], эти несовместные механизмы сосуществования используются, чтобы смягчить интерференцию между Bluetooth и WLAN.
Адаптивное скачкообразное движение частоты (AFH) — До появления AFH, bluetooth-устройства реализовали основной сигнал FHSS структурирование схемы. Схема FHSS часто приводила к Bluetooth и пакетным передачам WLAN, вмешивающимся друг в друга, как показано в этом рисунке.
Наоборот, AFH позволяет Bluetooth адаптироваться к его среде путем идентификации зафиксированных источников интерференции WLAN и, исключая их из списка доступных каналов. Этот рисунок показывает предыдущий сценарий с включенным AFH.
AFH динамически изменяет последовательность скачкообразного движения частоты, чтобы избежать интерференции, наблюдаемой bluetooth-устройствами. AFH действует посредством этих четырех процессов.
Открытие возможности AFH: Этот процесс сообщает Ведущему устройству о Ведомом устройстве (устройствах), которые поддерживают AFH и связанные параметры.
Классификация каналов: Этот процесс классифицирует каналы как хорошие или плохие. Классификация каналов происходит в Ведущем устройстве и опционально в Ведомом устройстве (устройствах).
Обмен информацией классификации каналов: Этот процесс использует команды менеджера по ссылке протокола (LMP) AFH, чтобы обмениваться информацией между Ведущим устройством и Ведомым устройством (устройствами) поддержки в piconet.
Адаптивное скачкообразное движение: Этот процесс адаптивно выбирает хорошие каналы для скачкообразного движения частоты.
Для получения дополнительной информации о том, как AFH смягчает интерференцию и включает сосуществование между Bluetooth и WLAN, смотрите Сквозной Bluetooth Симуляция BR/EDR PHY с Интерференционным и Адаптивным Скачкообразным движением Частоты WLAN.
Примечание
Для получения дополнительной информации о AFH, см. Приложение B Исследовательской группы IEEE 802.15.2 [3].
Адаптивное интерференционное подавление — Этот механизм исключительно связан с обработкой сигналов на физическом уровне WLAN (PHY). Адаптивный интерференционный механизм подавления требует приемника Bluetooth, расположенного с приемником WLAN. Приемник WLAN не имеет никаких предварительных знаний синхронизации или частоты, используемой сетью Bluetooth. Приемник WLAN использует адаптивный фильтр, чтобы оценить и отменить вмешивающийся сигнал.
Примечание
Для получения дополнительной информации об адаптивном интерференционном подавлении, см. Пункт 8 Исследовательской группы IEEE 802.15.2 [3].
Адаптивный пакетный выбор и планирующий — передачи Bluetooth связал различные пакетные типы с различными настройками, такими как пакетная длина и степень используемой защиты от ошибок. Путем выбора лучшего пакетного типа согласно условию канала предстоящего транзитного участка частоты могут быть достигнуты лучшая пропускная способность и производительность сети. Кроме того, пакетные передачи могут быть запланированы эффективно так, чтобы bluetooth-устройства передали во время транзитных участков, которые находятся вне частот WLAN и воздерживаются от передачи, в то время как внутриполосный. Этот тип пакетного планирования передачи минимизирует взаимную интерференцию и также увеличивает пропускную способность сетей Bluetooth.
Примечание
Для получения дополнительной информации об адаптивном пакетном выборе и планировании, см. Пункт 9 Исследовательской группы IEEE 802.15.2 [3].
Пакетное планирование для ссылок синхронного с установлением соединения (SCO) — Голосовые приложения среди большинства популярных приложений для bluetooth-устройств, но уязвимы для интерференции. Интерференция от внутриполосной сети WLAN ухудшает качество речи ссылки SCO Bluetooth, делая его неслышимым пользователям. Этот несовместный механизм сосуществования рекомендует улучшения, которые могут значительно улучшить качество сервиса (QoS) для ссылок SCO. Основная идея состоит в том, чтобы включить ссылке SCO гибкость выбора транзитных участков, которые являются внеполосными с расположением спектр WLAN для передачи. Рабочий цикл ссылки SCO не изменяется.
Примечание
Для получения дополнительной информации о пакетном планировании для ссылок SCO, см. приложение A Исследовательской группы IEEE 802.15.2 [3].
Пакетное планирование для ссылок асинхронного с установлением соединения логического (ACL) — Этот механизм задает процедуру, чтобы минимизировать удар интерференции WLAN на bluetooth-устройствах при помощи этих двух компонентов.
Классификация каналов: Это выполняется на каждом приемнике Bluetooth и основано на измерениях, проводимых на частоту или канал, чтобы определить местоположение присутствия интерференции. Канал рассматривается как хороший, если он может правильно декодировать полученный пакет. В противном случае канал рассматривается как плохой. Хорошие и плохие каналы классифицируются на основе различных критериев, таких как полученный индикатор силы сигнала (RSSI), PER или отрицательный ACKs.
Основная политика задержки: Это использует информацию, доступную в таблице классификации каналов, чтобы избежать пакетной передачи в плохом канале. Поскольку Ведущее устройство управляет всеми передачами в piconet, правило задержки должно быть реализовано в Ведущем устройстве только. Кроме того, Ведомая передача должна следовать за каждой Основной передачей. Поэтому Ведущее устройство проверяет частоту получения Ведомого устройства и его собственную частоту получения прежде, чем принять решение передать пакет в данном транзитном участке частоты.
Примечание
Для получения дополнительной информации о пакетном планировании для ссылок ACL, см. Пункт 10 Исследовательской группы IEEE 802.15.2 [3].
Совместное сосуществование
В совместных механизмах сосуществования две беспроводных сети сотрудничают и обмениваются связанной с сетью информацией. Согласно методическим рекомендациям, утвержденным в [3], три совместных механизма сосуществования:
Переменный беспроводной средний доступ (AWMA) — В механизме AWMA, радио WLAN и радио Bluetooth расположен в той же физической единице измерения, включив проводное соединение между этими двумя радио. Совместный механизм сосуществования использует это проводное соединение, чтобы скоординировать доступ к беспроводному носителю между WLAN и Bluetooth. Механизм AWMA использует часть беспроводного интервала маяка IEEE 802.11 для операций Bluetooth. С точки зрения синхронизации среднее присвоение чередуется между использованием, выполняющим процедуры IEEE 802.11 и использованием, выполняющим процедуры Bluetooth. Каждая беспроводная сеть ограничивает свои передачи сегментом подходящего времени, таким образом предотвращая взаимную интерференцию между этими двумя сетями.
Примечание
Для получения дополнительной информации о AWMA, см. Пункт 5 и Приложение I Исследовательской группы IEEE 802.15.2 [3].
Пакетный арбитраж трафика (PTA) — В механизме PTA расположены станция WLAN и bluetooth-устройство. Сущность управления PTA предоставляет авторизацию на пакет всех передач. Этот механизм может отклонить разрешение для передачи, если это имеет возможности столкновений. Механизм PTA динамически координирует совместное использование беспроводного носителя на основе загрузки трафика WLAN и Bluetooth. Если столкновение происходит, механизм PTA приоритизирует передачу на основе приоритетов различных пакетов. Используя механизм PTA в случае высокой изменчивости в WLAN и загрузке трафика Bluetooth или каждый раз, когда ссылка SCO Bluetooth должна поддерживаться.
Примечание
Для получения дополнительной информации о PTA, см. Пункт 6 и Приложение J Исследовательской группы IEEE 802.15.2 [3].
Детерминированное интерференционное подавление — В этом механизме, пустой указатель вставляется в приемник WLAN на частоте сигнала Bluetooth. Поскольку транзитный участок bluetooth-устройств к новой частоте для каждой пакетной передачи, приемник WLAN должен знать скачкообразно двигающийся шаблон и синхронизацию bluetooth-устройства. Скачкообразно двигающийся шаблон и синхронизация получены при помощи приемника Bluetooth как часть приемника WLAN. Детерминированное интерференционное подавление является расположенным, совместным механизмом сосуществования.
Примечание
Для получения дополнительной информации о детерминированном интерференционном подавлении, см. Пункт 7 и Приложение K Исследовательской группы IEEE 802.15.2 [3].
Ссылки
[1] Технологический Веб-сайт Bluetooth. “Технологический Веб-сайт Bluetooth | официальный сайт Технологии Bluetooth”. Полученный доступ 17 апреля 2020. https://www.bluetooth.com/.
[2] Специальная группа (SIG) Bluetooth. "Спецификация Ядра Bluetooth". Версия 5.2. https://www.bluetooth.com/.
[3] P802.15.2/D09 - Черновые Методические рекомендации IEEE для Телекоммуникаций Информационных технологий и Обмена информацией Между Системными Локальными сетями и Конкретными требованиями Городских компьютерных сетей - Часть 15.2: Сосуществование Беспроводных Персональных Сетей области С Другими Беспроводными устройствами, Действующими в Нелицензированных Диапазонах частот. Комитет по Стандартам LAN/MAN, Общество эпохи компьютеризации IEEE, 2003, https://ieeexplore.ieee.org/document/4040972.
[4] Macleod, M D. “14 - Кодирование”. В Телекоммуникационном Справочнике Инженера, отредактированном Маздой Fraidoon, 14–1. Баттерворт-Хейнеманн, 1993. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750611626500204.
[5] Сяо, Янг и И Пэн. “Сосуществование Bluetooth Piconets и Беспроводная LAN”. В Появляющейся Беспроводной LAN, Беспроводных ПАНОРАМИРОВАНИЯХ и Беспроводной связи УКОМПЛЕКТОВЫВАЕТ: IEEE 802.11, Беспроводная связь IEEE 802.15, 802.16 Стандартное Семейство, 151–85. Вайли, 2009. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8040602.
[6] “IEEE SA - Ассоциация Стандартов IEEE - Домой”. Полученный доступ 4 мая 2020. https://standards.ieee.org/.
[7] IEEE P802.11ax/D4.1. “Часть 11: Беспроводное Среднее управление доступом (MAC) LAN и Физический уровень (PHY) Технические требования. Поправка 1: Улучшения для Высокой эффективности WLAN”. Спроектируйте Стандарт для Информационных технологий — Телекоммуникации и обмен информацией между системами. Локальные сети и городские компьютерные сети — Конкретные требования.