Из-за повсеместного развертывания беспроводных сетей и устройств в нелицензионном диапазоне частот 2,4 ГГц Industrial, Scientific и Medical (ISM), несколько однородных и гетерогенных сетей (Bluetooth ®, Wi-Fi ® и ZigBee ®), работающих в этом диапазоне, вероятно, будут сосуществовать в физическом сценарии. Беспроводная персональная сеть (WPAN), представленная Bluetooth [1], и беспроводная локальная сеть (WLAN), представленная стандартом IEEE ® 802.11, работают в диапазоне частот ISM 2,4 ГГц. Радио Bluetooth и WLAN часто работают в одном и том же физическом сценарии, а иногда и в одном и том же устройстве. В этих случаях передачи Bluetooth и WLAN могут создавать помехи друг другу, влияя на производительность и надежность обеих сетей.
Группа задач IEEE 802.15.2 [3] рассматривает предложения по механизмам повышения уровня сосуществования устройств Bluetooth и WLAN и публикует рекомендуемые практики, основанные на них.
Технология Bluetooth использует маломощную радиочастоту для обеспечения связи на малой дальности. Bluetooth приравнивается к реализации, определенной группой стандартов спецификации ядра Bluetooth [2], поддерживаемых промышленным консорциумом Bluetooth Special Interest Group (SIG). Библиотека Communications Toolbox™ Library for the Bluetooth Protocol позволяет моделировать линии связи Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE), сеткой BLE и базовой скоростью передачи данных Bluetooth/повышенной скоростью передачи данных (BR/EDR), как указано в спецификации ядра Bluetooth. Устройства Bluetooth BR/EDR и BLE работают в нелицензионном диапазоне частот ISM 2,4 ГГц.
Режим Bluetooth BR является обязательным, в то время как режим EDR является необязательным. Радиоблок BR/EDR Bluetooth реализует метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS) 1600 скачков/с. Радиостанция перескакивает псевдослучайным образом по 79 назначенным каналам Bluetooth. Каждый канал Bluetooth имеет пропускную способность 1 МГц. Каждая частота расположена на частоте (2402 + k) МГц, где k = 0,1,..., 78. Методика модуляции для режимов BR и EDR - гауссова частотная манипуляция (GFSK) и дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK) соответственно. Скорость передачи составляет 1 Мсимбол/с. Радиоблок BR/EDR Bluetooth использует топологию дуплексного временного разделения (TDD), в которой передача данных происходит в одном направлении одновременно. Трансмиссия чередуется в двух направлениях, один за другим.
В BLE рабочая полоса разделена на 40 каналов, k = 0, 1,..., 39, с полосой пропускания канала 2 МГц. Диапазон центральных частот РЧ составляет [2402, 2480] МГц. Пакеты пользовательских данных передаются с использованием каналов в диапазоне [0, 36]. Рекламные пакеты данных передаются по каналам 37, 38 и 39. BLE также реализует модуляцию GFSK. Физический уровень BLE (PHY) использует FHSS для уменьшения помех и противодействия воздействию замирающих каналов. Время между частотными переходами может изменяться от 7,5 мс до 4 с и устанавливается при установлении соединения для каждого подчиненного устройства с ведущим устройством. Ведущее устройство обеспечивает опорный сигнал синхронизации. Ведомое устройство синхронизируется с синхронизацией и шаблоном скачкообразной перестройки частоты ведущего устройства. Поддержка скорости передачи данных со скоростью 1 Мбит/с обязательна для устройств, совместимых со спецификацией версии 4.x. При скорости передачи данных 1 Мбит/с передача данных не кодируется. Дополнительно устройства, соответствующие спецификации ядра Bluetooth версии 5.x, поддерживают следующие дополнительные скорости передачи данных :
Кодированная передача со скоростью 500 кбит/с или 125 кбит/с
Некодированная передача со скоростью передачи 2 Мбит/с
Сведения о стеке протоколов Bluetooth BR/EDR и BLE см. в разделе Стек протоколов Bluetooth. Сведения о различных структурах пакетов, реализованных в передачах Bluetooth BR/EDR и BLE, см. в разделе Структура пакетов Bluetooth. Для изучения основ сети ячеистой сети Bluetooth и ее приложений см. раздел Сеть ячеистой сети Bluetooth.
Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) - это беспроводная технология, которая соединяет устройства и инфраструктуру в WLAN. WLAN соответствует различным стандартам IEEE 802.11. Некоторые из известных и широко применяемых стандартов - 802.11 a/b/g/n/ac/ax. Стандарт 802.11a использует диапазон нелицензионной национальной информационной инфраструктуры (U-NII) с частотой 5 ГГц и обеспечивает не менее 23 неперекрывающихся каналов шириной 20 МГц вместо трех неперекрывающихся каналов шириной 20 МГц, предлагаемых диапазоном 2,4 ГГц. Стандарт 802.11ac также работает только в диапазоне частот 5 ГГц. В соответствии с частью 15 Правил и правил Федеральной комиссии США по связи (FCC), стандарты 802.11b, 802.11g и 802.11n используют тактовую частоту 2,4 ГГц. Устройства, использующие эти стандарты, испытывают помехи в диапазоне 2,4 ГГц от устройств Bluetooth. Чтобы уменьшить эти помехи, устройства, которые используют стандарты 802.11b, 802.11g или 802.11n, реализуют способы OFDM-сигнализации с прямым расширением спектра последовательности (DSSS), мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) и с множеством входов и множеством выходов (MIMO) соответственно. Устройства, использующие стандарт 802.11n или 802.11ax (Wi-Fi-6), работают в двухдиапазонном режиме с частотой 2,4 ГГц и 5 ГГц. Стандарт 802.11ax расширяет существующие стандарты 802.11 a/b/g/n/ac, даже если они не полностью обновлены до 802.11ax. Метод доступа к каналу на основе OFDM стандарта 802.11ax полностью обратно совместим с традиционным расширенным доступом к распределенному каналу/множественным доступом с учетом несущей (EDCA/CSMA). IEEE 802.11ax обеспечивает максимальную совместимость, эффективно сосуществуя с устройствами 802.11a/n/ac.
Дополнительные сведения о радиочастотных каналах WLAN см. в разделе Радиочастотные каналы WLAN (панель инструментов WLAN). Дополнительные сведения о структурах пакетов WLAN см. в разделах Структура PPDU WLAN (панель инструментов WLAN) и Зависимости размера и длительности пакетов (панель инструментов WLAN).
Технологии Bluetooth и WLAN работают с использованием структурирования сигналов с расширенным спектром. Этот способ структурирования сигнала позволяет узкополосному сигналу, такому как поток 1 с и 0 с, распространяться по заданному частотному спектру и преобразовываться в широкополосный сигнал. Устройства Bluetooth реализуют базовый метод FHSS, определенный в спецификации ядра Bluetooth [2]. Этот метод базовой скачкообразной перестройки частоты модифицируется в метод адаптивной скачкообразной перестройки частоты (AFH) для уменьшения помех. Устройства WLAN используют технологию DSSS.
Базовая технология скачкообразной перестройки частоты Bluetooth или FHSS расширяет узкополосный сигнал посредством скачкообразной перестройки по различным каналам в частотном спектре 2,4 ГГц. На этом рисунке показано, как FHSS передает сигнал Bluetooth на различных частотах через определенные интервалы для распространения сигнала по относительно широкой рабочей полосе.
Передающие и принимающие устройства Bluetooth придерживаются конкретной последовательности скачкообразного изменения во время конкретного сеанса, так что принимающее устройство может предвидеть частоту следующей передачи. В этом случае Bluetooth полностью использует частотный спектр 2,4 ГГц.
С помощью DSSS узкополосный сигнал данных делится и одновременно передается на нескольких частотах в пределах определенной полосы частот. На этом рисунке показано, как DSSS непрерывно передает сигнал данных по различным каналам.
DSSS добавляет избыточные биты данных, известные как чипы, к сигналу данных для обозначения 1 s и 0 s. Отношение элементарных посылок к данным называется коэффициентом расширения. Увеличение отношения повышает устойчивость сигнала WLAN к помехам. Это происходит потому, что если часть передачи повреждена, данные все еще могут быть восстановлены из оставшейся части кода чипирования. Технология DSSS обеспечивает более высокие скорости передачи, чем FHSS. DSSS также обеспечивает защиту от потери данных посредством одновременной передачи данных с резервированием. Однако, поскольку DSSS заполняет канал избыточными передачами, он более уязвим для помех от устройств Bluetooth, работающих в одной полосе частот.
OFDM представляет собой гибкий метод модуляции с множеством несущих, реализуемый стандартами IEEE 802.11g/n/ac/ax. OFDM разбивает полосу пропускания канала на множество узкополосных ортогональных поднесущих для переноса информации. Такое разделение позволяет удалять защитные полосы. Однако, поскольку ортогональные поднесущие не связаны между собой, они могут перекрывать друг друга. Следовательно, OFDM эффективен по полосе пропускания. На этой фигуре показано представление в частотной области ортогональных поднесущих в форме сигнала OFDM.
Использование узкополосных подканалов (по сравнению с одним широкополосным каналом) помогает уменьшить затухание канала. Поскольку каждый подканал работает с низкой скоростью передачи данных, OFDM является очень устойчивым к межсимвольным помехам и межкадровым помехам. Поскольку данные передаются одновременно на множестве ортогональных поднесущих, OFDM может обеспечивать очень высокую пропускную способность. Чтобы еще больше увеличить пропускную способность, можно использовать OFDM с MIMO, физической (ERP) и многопользовательской (MU) технологиями.
Поскольку устройства Bluetooth и WLAN работают в одном диапазоне частот 2,4 ГГц, между двумя беспроводными сетями существуют взаимные помехи. Эти помехи приводят к снижению производительности. Например, рассмотрим сценарий, показанный на этом рисунке. Сценарий состоит из двух пикосетей Bluetooth, расположенных в WLAN.
Если передача в пикосети 1 перекрывается по времени и частоте передачами из пикосети 2 и/или WLAN, пакет Bluetooth может быть потерян. На этом рисунке показано, как устройства Bluetooth и WLAN совместно используют частотный спектр 2,4 ГГц.
Если пакеты Bluetooth передаются через переходы FHSS в часть частотного спектра, занятую передатчиком WLAN DSSS, то возникают взаимные помехи. Эти помехи приводят к конфликтам пакетов. Такие факторы, как расстояние между устройствами WLAN и Bluetooth, трафик данных, присутствующий в этих двух сетях, уровни мощности устройств и скорость передачи данных сети WLAN, влияют на уровень помех. Кроме того, различные типы трафика данных имеют различные уровни чувствительности к помехам. Например, голосовой трафик может быть более чувствительным к помехам, чем трафик данных.
Передача, которая использует одну методику расширенного спектра, мешает приемнику, который использует другую методику расширенного спектра. Беспроводные устройства 802.11b работают с полосой пропускания 22 МГц. В Bluetooth 22 из 79 каналов скачкообразной перестройки подвержены помехам. Система скачкообразной перестройки частоты, такая как Bluetooth, также уязвима к помехам от соседних каналов. Эта уязвимость увеличивает общее число каналов помех с 22 до 24. Основываясь на этих предположениях, результаты, показанные в [3], количественно определяют частоту ошибок пакетов (PER) в передачах Bluetooth с помехой WLAN 802.11b. Результаты показывают, что пропускная способность сети уменьшается, а задержка сети увеличивается для Bluetooth при наличии помех 802.11b.
Для изучения влияния помех WLAN на передачу BLE см. Модель сосуществования BLE с помехами сигнала WLAN и статистическое моделирование помех WLAN на примерах сети BLE.
Когда устройство Bluetooth переходит в полосу пропускания 802.11b, может возникнуть конфликт пакетов с устройством WLAN. Это столкновение происходит потому, что 22 из 79 каналов Bluetooth попадают в полосу пропускания WLAN. Поскольку устройства 802.11b поддерживают четыре скорости передачи данных (1, 2, 5 и 11 Мбит/с), время передачи пакетов WLAN может значительно изменяться для пакетов, несущих те же самые данные. Увеличение продолжительности пакета WLAN увеличивает вероятность того, что пакет столкнется с мешающим пакетом Bluetooth. Если в устройстве WLAN реализовано и включено автоматическое масштабирование скорости передачи данных, помехи Bluetooth могут привести к масштабированию устройства WLAN до более низкой скорости передачи данных. Более низкая скорость передачи данных увеличивает временную продолжительность пакетов WLAN. Это увеличение длительности пакета может привести к частым конфликтам пакетов с мешающими пакетами Bluetooth. В некоторых реализациях частые конфликты пакетов могут привести к снижению скорости передачи данных WLAN до 1 Мбит/с. В этом случае для обеспечения надежной доставки пакетов уровень доступа к среде 802.11 (MAC) IEEE включает в себя механизм подтверждения (ACK) и повторной передачи.
Помехи между Bluetooth и WLAN могут быть устранены двумя механизмами сосуществования - неколлаборативным и совместным.
Неколлаборативные механизмы не обмениваются информацией между двумя беспроводными сетями. Эти механизмы сосуществования применимы только после установления пикосети WLAN или Bluetooth и передачи данных. Эти механизмы сосуществования не помогают в процессе создания пикосети WLAN или Bluetooth. В соответствии с рекомендациями, приведенными в [3], эти механизмы неколлаборативного сосуществования используются для уменьшения помех между Bluetooth и WLAN.
Адаптивная скачкообразная перестройка частоты (AFH) - до появления AFH устройства Bluetooth реализовали базовую схему структурирования сигнала FHSS. Схема FHSS часто приводит к тому, что передачи пакетов Bluetooth и WLAN мешают друг другу, как показано на этом рисунке.
Напротив, AFH позволяет Bluetooth адаптироваться к своей среде путем идентификации фиксированных источников помех WLAN и исключения их из списка доступных каналов. На этом рисунке показан предыдущий сценарий с включенным AFH.
AFH динамически изменяет последовательность скачкообразной перестройки частоты, чтобы избежать помех, наблюдаемых устройствами Bluetooth. AFH осуществляет эти четыре процесса.
Обнаружение возможностей AFH: этот процесс информирует ведущего о подчиненных устройствах, поддерживающих AFH, и соответствующих параметрах.
Классификация каналов: Этот процесс классифицирует каналы как хорошие или плохие. Классификация каналов происходит в ведущем устройстве и дополнительно в подчиненном устройстве (подчиненных устройствах).
Обмен информацией о классификации каналов: Этот процесс использует команды протокола диспетчера каналов AFH (LMP) для обмена информацией между ведущим и поддерживающим подчиненным узлом (ами) в пикосети.
Адаптивная скачкообразная перестройка: этот процесс адаптивно выбирает хорошие каналы для скачкообразной перестройки частоты.
Дополнительные сведения о том, как AFH уменьшает помехи и обеспечивает сосуществование между Bluetooth и WLAN, см. в разделе Сквозное моделирование PHY Bluetooth BR/EDR с помехами WLAN и адаптивной скачкообразной перестройкой частоты.
Примечание
Для получения дополнительной информации о AFH см. Приложение B группы задач IEEE 802.15.2 [3].
Адаптивное подавление помех - этот механизм связан исключительно с обработкой сигналов на физическом уровне WLAN (PHY). Адаптивный механизм подавления помех требует, чтобы приемник Bluetooth располагался совместно с приемником WLAN. Приемник WLAN не имеет предшествующей информации о синхронизации или частоте, используемой сетью Bluetooth. Приемник БЛС использует адаптивный фильтр для оценки и отмены мешающего сигнала.
Примечание
Для получения дополнительной информации о адаптивном подавлении помех см. раздел 8 группы задач IEEE 802.15.2 [3].
Адаптивный выбор и планирование пакетов - передачи Bluetooth включают различные типы пакетов с различными конфигурациями, такими как длина пакета и степень защиты от ошибок. Путем выбора наилучшего типа пакета в соответствии с состоянием канала предстоящего скачкообразного изменения частоты может быть достигнута лучшая пропускная способность и производительность сети. Кроме того, передачи пакетов могут быть запланированы эффективно так, чтобы устройства Bluetooth передавали во время скачкообразных переходов, которые находятся вне частот WLAN, и воздерживались от передачи, находясь в полосе частот. Этот тип планирования передачи пакетов минимизирует взаимные помехи, а также увеличивает пропускную способность сетей Bluetooth.
Примечание
Для получения дополнительной информации о адаптивном выборе пакетов и планировании см. раздел 9 группы задач IEEE 802.15.2 [3].
Планирование пакетов для каналов, ориентированных на синхронные соединения (SCO) - голосовые приложения относятся к числу наиболее востребованных приложений для устройств Bluetooth, но уязвимы для помех. Помехи от внутриполосной сети WLAN ухудшают качество голоса канала Bluetooth SCO, делая его неразборчивым для пользователей. Этот неколлаборативный механизм сосуществования рекомендует усовершенствования, которые могут значительно улучшить качество обслуживания (QoS) для каналов SCO. Основная идея состоит в том, чтобы дать возможность каналу SCO гибко выбирать для передачи транзитные участки, которые являются внеполосными, с совмещенным спектром WLAN. Рабочий цикл канала ШОС не изменяется.
Примечание
Для получения дополнительной информации о планировании пакетов для каналов SCO см. Приложение A группы задач IEEE 802.15.2 [3].
Планирование пакетов для асинхронных логических каналов, ориентированных на соединение (ACL) - этот механизм определяет процедуру минимизации влияния помех WLAN на устройства Bluetooth с помощью этих двух компонентов.
Классификация каналов: Она выполняется на каждом приемнике Bluetooth и основана на измерениях, проводимых по частоте или каналу для определения наличия помех. Канал считается хорошим, если он может правильно декодировать принятый пакет. В противном случае канал считается плохим. Хорошие и плохие каналы классифицируются на основе различных критериев, таких как индикатор уровня принимаемого сигнала (RSSI), PER или отрицательные ACK.
Главная политика задержки: она использует информацию, доступную в таблице классификации каналов, чтобы избежать передачи пакетов в плохом канале. Поскольку главное устройство управляет и управляет всеми передачами в пикосети, правило задержки должно быть реализовано только в главном устройстве. Кроме того, подчиненная передача должна следовать за каждой ведущей передачей. Следовательно, ведущее устройство проверяет частоту приема подчиненного устройства и свою собственную частоту приема перед выбором передачи пакета в заданном скачкообразном изменении частоты.
Примечание
Для получения дополнительной информации о планировании пакетов для каналов ACL см. раздел 10 группы задач IEEE 802.15.2 [3].
В механизмах совместного сосуществования две беспроводные сети сотрудничают и обмениваются сетевой информацией. В соответствии с рекомендациями, изложенными в [3], тремя механизмами совместного сосуществования являются:
Переменный доступ к беспроводной среде (AWMA) - В механизме AWMA радиомодуль WLAN и радиомодуль Bluetooth расположены в одном физическом блоке, что обеспечивает проводное соединение между двумя радиомодулями. Механизм совместного сосуществования использует это проводное соединение для координации доступа к беспроводной среде между WLAN и Bluetooth. Механизм AWMA использует часть интервала беспроводного радиомаяка IEEE 802.11 для операций Bluetooth. С точки зрения синхронизации назначение среды чередуется между использованием в соответствии с процедурами IEEE 802.11 и использованием в соответствии с процедурами Bluetooth. Каждая беспроводная сеть ограничивает свои передачи соответствующим временным сегментом, тем самым предотвращая взаимные помехи между двумя сетями.
Примечание
Для получения дополнительной информации о AWMA см. Пункт 5 и Приложение I Группы задач IEEE 802.15.2 [3].
Арбитраж пакетного трафика (PTA) - в механизме PTA станция WLAN и устройство Bluetooth совмещены. Объект управления ЗПТ обеспечивает пакетную авторизацию всех передач. Этот механизм может отказать в разрешении на передачу, если у него есть шансы на коллизии. Механизм ЗПТ динамически координирует совместное использование беспроводной среды на основе нагрузки трафика WLAN и Bluetooth. В случае коллизии механизм ЗПТ устанавливает приоритеты передачи на основе приоритетов различных пакетов. Использование механизма PTA в случае высокой изменчивости нагрузки трафика WLAN и Bluetooth или при необходимости поддержки канала Bluetooth SCO.
Примечание
Для получения дополнительной информации о PTA см. Пункт 6 и Приложение J Группы задач IEEE 802.15.2 [3].
Детерминированное подавление помех - в этом механизме нуль вставляется в приемник WLAN на частоте сигнала Bluetooth. Поскольку устройства Bluetooth переходят на новую частоту для каждой пакетной передачи, приемник WLAN должен знать шаблон скачкообразного изменения и время устройства Bluetooth. Шаблон скачкообразной перестройки и синхронизация получаются с использованием приемника Bluetooth как части приемника WLAN. Детерминированное подавление помех является взаимосвязанным механизмом совместного сосуществования.
Примечание
Для получения дополнительной информации о детерминированном подавлении помех см. раздел 7 и Приложение K Группы задач IEEE 802.15.2 [3].
[1] Веб-сайт технологии Bluetooth. «Веб-сайт Bluetooth Technology | Официальный веб-сайт Bluetooth Technology». Доступ состоялся 17 апреля 2020 года. https://www.bluetooth.com/.
[2] Группа специальных интересов Bluetooth (SIG). «Спецификация ядра Bluetooth». Версия 5.2. https://www.bluetooth.com/.
[3] P802.15.2/D09 - Проект рекомендуемой практики IEEE для информационно-технологических телекоммуникаций и обмена информацией между локальными и городскими сетями - Часть 15.2: Сосуществование беспроводных персональных сетей с другими беспроводными устройствами, работающими в нелицензированных диапазонах частот. Комитет по стандартам LAN/MAN, Компьютерное общество IEEE, 2003, https://ieeexplore.ieee.org/document/4040972.
[4] Маклеод, M.D. «14 - кодирование». В Справочнике инженера по телекоммуникациям, редакция Fraidoon Mazda, 14-1. Баттерворт-Хайнеманн, 1993. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750611626500204.
[5] Сяо, Ян и И Пан. «Сосуществование Bluetooth Piconets и беспроводной локальной сети». В развивающихся беспроводных LAN, беспроводных PAN и беспроводных MAN: IEEE 802.11, IEEE 802.15, 802.16 Семейство беспроводных стандартов, 151-85. Уайли, 2009. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8040602.
[6] «IEEE SA - Ассоциация стандартов IEEE - Главная страница». Доступ состоялся 4 мая 2020 года. https://standards.ieee.org/.
[7] P802.11ax/D4.1 IEEE. "Часть 11: Спецификации управления доступом к среде беспроводной локальной сети (MAC) и физического уровня (PHY). Поправка 1: Усовершенствования для высокоэффективной WLAN. " Проект стандарта на информационные технологии - телекоммуникации и обмен информацией между системами. Локальные и столичные сети - особые требования.