Сосуществование Bluetooth-WLAN
Из-за повсеместного развертывания беспроводных сетей и устройств на нелицензированной частотной полосе 2.4 ГГц Industrial, Scientific и Medical (ISM), несколько однородных и неоднородных сетей (Bluetooth)®, Wi-Fi®, и ZigBee®), работающие в этой полосе, вероятно, сосуществуют в физическом сценарии. Беспроводная персональная сеть (WPAN), представленная Bluetooth [1] и беспроводная локальная сеть (WLAN), представленная IEEE® Стандарт 802.11 оба работают в частотной полосе ISM 2,4 ГГц. Радиоприемники Bluetooth и WLAN часто работают в одном и том же физическом сценарии и некоторое время в одном и том же устройстве. В этих случаях передачи Bluetooth и WLAN могут мешать друг другу, влияя на эффективность и надежность обеих сетей.
IEEE 802.15.2 Task Group [3] рассматривает предложения по механизмам повышения уровня сосуществования между устройствами Bluetooth и WLAN и публикует рекомендуемые методы, полученные из них.
Спецификации Bluetooth и IEEE 802.11 WLAN
Технология Bluetooth использует радиочастоту малой мощности для обеспечения малой дальности связи. Bluetooth приравнивается к реализации, заданной группой стандартов Bluetooth Core Specification [2], поддерживаемой отраслевым консорциумом Bluetooth Special Interest Group (SIG). Библиотека Communications Toolbox™ для протокола Bluetooth позволяет моделировать Bluetooth низкую энергию (BLE), сетку BLE и базовую скорость/улучшенную скорость передачи данных (BR/EDR) коммуникационной системы ссылок, как указано в спецификации ядра Bluetooth. Устройства Bluetooth BR/EDR и BLE работают в нелицензированной полосе частот ISM 2,4 ГГц.
Режим Bluetooth BR является обязательным, в то время как режим EDR является необязательным. Радио Bluetooth BR/EDR реализует метод 1600 скачкообразного изменения спектра (FHSS). Радио переходит псевдослучайным способом на 79 назначенных каналах Bluetooth. Каждый канал Bluetooth имеет полосу пропускания 1 МГц. Каждая частота расположена на (2402 + k) МГц, где k = 0,1,..., 78. Метод модуляции для режима BR и EDR является Гауссовой манипуляцией частотой (GFSK) и дифференциальной фазой манипуляцией (DPSK), соответственно. Скорость передачи данных 1 Msymbols/s. Радио Bluetooth BR/EDR использует топологию временного деления (TDD), в которой передача данных происходит в одном направлении за один раз. Коробка передач чередуется в двух направлениях, один за другим.
В BLE рабочая полоса разделена на 40 каналов, k = 0, 1,..., 39, с пропускной способностью канала 2 МГц. Область значений центральных частот RF составляет [2402, 2480] МГц. Пакеты пользовательских данных передаются с использованием каналов в области значений [0, 36]. Пакеты рекламных данных передаются по каналам 37, 38 и 39. BLE также реализует GFSK модуляцию. Физический слой BLE (PHY) использует FHSS для уменьшения помех и для противодействия влиянию затухающих каналов. Время между скачками частоты может варьироваться от 7,5 мс до 4 с и устанавливается при установлении соединения для каждого ведомого устройства с ведущим устройством. Главное устройство предоставляет ссылку на синхронизацию. Ведомое устройство синхронизируется с тактовой частотой и шаблоном скачкообразного изменения частоты ведущего устройства. Поддержка скорости передачи данных на уровне 1 Мбит/с обязательна для устройств, совместимых со спецификацией версии 4.x. При скорости передачи данных 1 Мбит/с передача данных не кодируется. Опционально устройства, совместимые со спецификацией Bluetooth Core 5.x, поддерживают эти дополнительные скорости передачи данных :
Закодированная передача со скоростью 500 кбит/с или 125 кбит/с
Некодированная передача со скоростью передачи 2 Мбит/с
Для изучения стека протоколов Bluetooth BR/EDR и BLE см. стек протоколов Bluetooth. Для получения информации о различных структурах пакетов, реализованных в передачах Bluetooth BR/EDR и BLE, смотрите Bluetooth Packet Structure. Для изучения основ сетевой сети Bluetooth и ее приложений смотрите Bluetooth Mesh Networking.
Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) является беспроводной технологией, соединяющей устройства и инфраструктуру в WLAN. WLAN соответствует различным стандартам IEEE 802.11. Некоторые из выдающихся и широко применяемых стандартов - это 802,11 a/b/g/n/ac/ax. Стандарт 802.11a использует нелицензированную национальную информационную инфраструктуру (U-NII) на 5 ГГ ц полосы и обеспечивает по меньшей мере 23 неперекрывающихся канала шириной 20 МГ ц вместо трех неперекрывающихся каналов шириной 20 МГ ц, предлагаемых полосе 2.4 ГГ ц. Стандарт 802.11ac также работает только в частотной полосе 5 ГГц. В соответствии с частью 15 Правил и положений Федеральной комиссии по связи США (FCC), стандарты 802.11b, 802.11g и 802.11n используют 2.4 ГГц. Устройства, которые используют эти стандарты, страдают помехами в полосе 2,4 ГГц от устройств Bluetooth. Чтобы смягчить это вмешательство, устройства, которые используют 802.11b, 802.11g, или 802.11n стандарты, осуществляют спектр распространения прямой последовательности (DSSS), Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) и несколько - вход, несколько - производят (MIMO) OFDM сигнальные методы, соответственно. Устройства, использующие стандарт 802.11n или 802.11ax (Wi-Fi-6), работают в двухдиапазонном диапазоне с частотой 2,4 ГГц и 5 ГГц. Стандарт 802.11ax улучшает 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 совместима с традиционным расширенным доступом к распределенному каналу/множественным доступом с учетом несущей (EDCA/CSMA). IEEE 802.11ax обеспечивает максимальную совместимость, эффективно сосуществуя с 802.11a/n/ac устройствами.
Для получения дополнительной информации о радиочастотных каналах WLAN см. раздел «Радиочастотные каналы WLAN» (WLAN Toolbox). Для получения дополнительной информации о структурах пакетов WLAN смотрите Структуру PPDU WLAN (WLAN Toolbox) и Зависимости размера и длительности пакетов (WLAN Toolbox).
Методы расширения спектра
Технологии Bluetooth и WLAN работают с использованием структурирования сигнала расширенного спектра. Этот метод структурирования сигнала позволяет узкополосному сигналу, такому как поток 1с и 0с, распространяться по заданному частотному спектру и преобразовываться в широкополосный сигнал. Устройства Bluetooth реализуют основной метод FHSS, определенный в спецификации ядра Bluetooth [2]. Этот основной метод скачкообразного изменения частоты модифицируется в адаптивный метод скачкообразного изменения частоты (AFH), чтобы уменьшить интерференцию. Устройства WLAN используют метод DSSS.
FHSS
Основной метод скачкообразного изменения частоты по Bluetooth или FHSS расширяет узкополосный сигнал путем скачкообразного изменения по различным каналам на частотном спектре 2,4 ГГц. Этот рисунок показывает, как FHSS передает сигнал Bluetooth на различных частотах с определенными интервалами, чтобы распространить сигнал через относительно широкую рабочую полосу.
Передающие и принимающие устройства Bluetooth придерживаются определенной последовательности скачкообразного изменения во время конкретного сеанса, так что приемное устройство может предвидеть частоту следующей передачи. В этом случае Bluetooth в полной мере использует частотный спектр 2,4 ГГц.
DSSS
С помощью DSSS узкополосный сигнал данных разделяется и одновременно передается на нескольких частотах в пределах определенной полосы частот. Этот рисунок показывает, как DSSS постоянно передает сигнал данных по различным каналам.
DSSS добавляет избыточные биты данных, известные как микросхемы, в сигнал данных для обозначения 1с и 0с. Отношение чипов к данным называется коэффициентом расширения. Увеличение отношения увеличивает иммунитет сигнала WLAN к помехам. Это происходит потому, что, если часть передачи повреждена, данные все еще могут быть восстановлены из оставшейся части кода чипирования. Метод DSSS обеспечивает большую скорость передачи, чем FHSS. DSSS также защищает от потери данных посредством избыточной одновременной передачи данных. Однако, поскольку DSSS заливает канал с избыточными передачах, он более уязвим к помехам от устройств Bluetooth, работающих в той же полосе частот.
Ортогональное частотно-разнесенное мультиплексирование
OFDM является гибким, многосветным методом модуляции, реализованным стандартами IEEE 802.11g/n/ac/ax. OFDM разбивает пропускную способность канала на несколько узкополосных ортогональных поднесущих, чтобы перенести информацию. Это разбиение позволяет удалить защитные полосы. Однако, поскольку ортогональные поднесущие не связаны, они могут перекрывать друг друга. Поэтому OFDM является эффективной полосой пропускания. Этот рисунок показывает представление частотного диапазона ортогональных поднесущих в форме волны OFDM.
Использование узкополосных подканалов (по сравнению с одним широкополосным каналом) помогает уменьшить затухание канала. Когда каждый подканал работает с низкой скоростью передачи данных, OFDM очень устойчива к межсимвольной интерференции и интерференционной интерференции. Когда данные передаются одновременно на нескольких ортогональных поднесущих, OFDM может обеспечить очень высокую пропускную способность. Для дальнейшего максимизации пропускной способности можно использовать OFDM с MIMO, физическими (ERP) и многопользовательскими (MU) технологиями.
Задача сосуществования Bluetooth-WLAN
Поскольку устройства Bluetooth и WLAN работают в одной и той же полосе частот 2,4 ГГц, между двумя беспроводными сетями существуют взаимные помехи. Это помеха приводит к снижению эффективности. Для примера рассмотрим сценарий, показанный на этом рисунке. Сценарий состоит из двух пикосетей Bluetooth, совмещенных с WLAN.
Если передача в пикосети 1 перекрывается во времени и частоте передачей от пикосети 2 и/или WLAN, пакет Bluetooth может быть потерян. Этот рисунок показывает, как устройства Bluetooth и WLAN используют частотный спектр 2,4 ГГц.
Если пакеты Bluetooth, переданные через транзисторы FHSS, фрагмент частотного спектра, занятого передатчиком WLAN DSSS, то происходит взаимная интерференция. Эта интерференция приводит к конфликтам пакетов. Такие факторы, как расстояние между устройствами WLAN и Bluetooth, трафик данных, присутствующий в этих двух сетях, уровни степени устройств и скорость передачи данных сети WLAN, влияют на уровень интерференции. Кроме того, различные типы трафика данных имеют различные уровни чувствительности к помехам. Для примера голосовой трафик может быть более чувствительным к помехам, чем трафик данных.
Bluetooth в присутствии интерферента WLAN 802.11b
Передача, которая использует один метод расширенного спектра, мешает приемнику, который использует другой метод расширенного спектра. Устройства WLAN 802.11b работают в полосе пропускания 22 МГц. В Bluetooth помехам подвержены 22 из 79 каналов скачкообразного изменения. Система скачкообразного изменения частоты, подобная Bluetooth, также уязвима к помехам со стороны соседних каналов. Эта уязвимость увеличивает общее количество каналов помех с 22 до 24. Исходя из этих предположений, результаты, показанные на [3], количественно определяют частоту ошибок пакета (PER) в передачах Bluetooth с помощью интерферента WLAN 802.11b. Результаты показывают, что пропускная способность сети уменьшается, и задержка сети увеличивается для Bluetooth при наличии помех 802.11b.
Чтобы изучить влияние интерференции WLAN на передачу BLE, см. Модель сосуществования BLE с интерференцией сигнала WLAN и статистическое моделирование интерференции WLAN на примерах сети BLE.
802.11b WLAN в присутствии интерферента Bluetooth
Когда устройство Bluetooth переходит в полосу пропускания 802.11b, может возникнуть столкновение пакетов с устройством WLAN. Это столкновение происходит из-за того, 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 варьироваться для пакетов, несущих точно такие же данные. Увеличение длительности пакета WLAN увеличивает вероятность того, что пакет сталкивается с мешающим пакетом Bluetooth. Если в устройстве WLAN реализовано и включено автоматическое масштабирование скорости передачи данных, помехи Bluetooth могут вызвать масштабирование устройства WLAN до более низкой скорости передачи данных. Более низкая скорость передачи данных увеличивает временную длительность пакетов WLAN. Это увеличение длительности пакета может привести к частым конфликтам пакетов с мешающими пакетами Bluetooth. В некоторых реализациях частые конфликты между пакетами могут привести к снижению скорости передачи данных WLAN до 1 Мбит/с. В этом случае для обеспечения надежной доставки пакетов слой доступа к среде (MAC) IEEE 802.11 включает в себя механизм подтверждения (ACK) и повторной передачи.
Механизмы сосуществования
Помехи между Bluetooth и WLAN могут быть устранены двумя механизмами сосуществования - неколлаборативными и совместными.
Неколлаборативное сосуществование
Неколлаборативные механизмы не обмениваются информацией между двумя беспроводными сетями. Эти механизмы сосуществования применяются только после установления пикосети WLAN или Bluetooth и передачи данных. Эти механизмы сосуществования не помогают в процессе установления WLAN или пикосети Bluetooth. Согласно рекомендуемым практикам, упомянутым в [3], эти неколлаборативные механизмы 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 приводила к тому, что пакетные передачи Bluetooth и WLAN мешали друг другу, как показано на этом рисунке.
Напротив, AFH позволяет Bluetooth адаптироваться к своему окружению путем идентификации фиксированных источников интерференции WLAN и исключения их из списка доступных каналов. Этот рисунок показывает предыдущий сценарий с включенным AFH.
AFH динамически изменяет последовательность скачкообразного изменения частоты, избегая помех, наблюдаемых устройствами Bluetooth. AFH работает через эти четыре процесса.
Обнаружение возможностей AFH: Этот процесс информирует Ведущее о Ведомых устройствах, поддерживающих AFH, и связанных параметрах.
Классификация канала: Этот процесс классифицирует каналы как хорошие или плохие. Классификация каналов происходит в Ведущем и опционально в Ведомом (ых).
Обмен информацией о классификации каналов: Этот процесс использует команды AFH link manager protocol (LMP) для обмена информацией между ведущим и поддерживающим ведомым (ами) в пиконете.
Адаптивный скачкообразный переход: Этот процесс адаптивно выбирает хорошие каналы для скачкообразного изменения частоты.
Для получения дополнительной информации о том, как AFH уменьшает помехи и позволяет сосуществовать между Bluetooth и WLAN, смотрите Сквозную симуляцию Bluetooth BR/EDR PHY с интерференцией WLAN и адаптивную скачкообразную перестройку частоты.
Примечание
Для получения дополнительной информации об AFH см. приложение B к IEEE 802.15.2 Целевая группа [3].
Адаптивное подавление помех - Этот механизм исключительно связан с обработкой сигналов на физическом слое WLAN (PHY). Для адаптивного механизма подавления помех требуется приемник Bluetooth, сопоставленный с приемником WLAN. Приемник WLAN не имеет предварительного знания о времени или частоте, используемых сетью Bluetooth. Приемник WLAN использует адаптивный фильтр для оценки и отмены интерферирующего сигнала.
Примечание
Для получения дополнительной информации об адаптивном подавлении помех см. пункт 8 IEEE 802.15.2 Task Group [3].
Адаптивный выбор и планирование пакетов - передачи Bluetooth включают различные типы пакетов с различными строениями, такими как длина пакета и используемая степень защиты от ошибок. Путем выбора наилучшего типа пакета в соответствии с условием канала предстоящего скачка частоты может быть достигнута лучшая пропускная способность и эффективность сети. Кроме того, пакетные передачи могут быть запланированы эффективно, так что устройства Bluetooth передают во время скачков, которые находятся вне частот WLAN, и воздерживаются от передачи во время внутриполосной передачи. Этот тип планирования передачи пакетов минимизирует взаимные помехи, а также увеличивает пропускную способность сетей Bluetooth.
Примечание
Для получения дополнительной информации об адаптивном выборе пакетов и планировании см. Раздел 9 целевой группы IEEE 802.15.2 [3].
Планирование пакетов для синхронных ссылок связи (SCO) - голосовые приложения являются одними из самых востребованных приложений для устройств Bluetooth, но уязвимы к помехам. Помехи от внутриполосной сети WLAN ухудшают голосовое качество ссылки Bluetooth SCO, делая его неслышимым для пользователей. Этот неколлаборативный механизм сосуществования рекомендует улучшения, которые могут значительно улучшить качество обслуживания (QoS) для ссылок SCO. Основная идея состоит в том, чтобы позволить SCO соединить гибкость выбора скачков, которые находятся вне полосы пропускания, с объединяющимся спектром WLAN для передачи. Коэффициент заполнения ссылки SCO не изменяется.
Примечание
Для получения дополнительной информации о планировании пакетов для каналов SCO смотрите Приложение A к IEEE 802.15.2 Task Group [3].
Планирование пакетов для asynchronous-connection-ориентированных логических (ACL) ссылок - Этот механизм определяет процедуру, чтобы минимизировать влияние интерференции WLAN на устройства Bluetooth с помощью этих двух компонентов.
Классификация канала: Выполняется на каждом приемнике Bluetooth и основывается на измерениях, проводимых по частоте или каналу, чтобы определить наличие помех. Канал рассматривается как хороший, если он может правильно декодировать принятый пакет. В противном случае канал рассматривается как плохой. Хорошие и плохие каналы классифицируются на основе различных критериев, таких как индикатор уровня принимаемого сигнала (RSSI), PER или отрицательные ACK.
Мастер политики задержки: Он использует информацию, доступную в таблице классификации канала, чтобы избежать передачи пакета в плохом канале. Поскольку главное устройство управляет и управляет всеми коробками передач в пикосети, правило задержки должно быть реализовано только в ведущем устройстве. Кроме того, ведомая коробка передач должна следовать за каждой ведущей коробкой передач. Поэтому мастер проверяет частоту приема ведомого устройства и его собственную частоту приема перед выбором передачи пакета в заданном частотном скачке.
Примечание
Для получения дополнительной информации о планировании пакетов для ссылок ACL см. Раздел 10 целевой группы IEEE 802.15.2 [3].
Совместное сосуществование
В рамках механизмов совместного сосуществования две беспроводные сети сотрудничают и обмениваются информацией, связанной с сетью. В соответствии с рекомендованной практикой, изложенной в [3], три механизма совместного сосуществования:
Чередующийся беспроводной доступ к среде (AWMA) - в механизме AWMA радио WLAN и радио Bluetooth объединяются в одной и той же физической единице измерения, что позволяет осуществлять проводное соединение между двумя радиостанциями. Механизм совместной работы использует это проводное соединение для координации доступа к беспроводной среде между WLAN и Bluetooth. Механизм AWMA использует часть беспроводного интервала IEEE 802.11 для операций Bluetooth. С точки зрения синхронизации назначение носителя 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, таким образом предотвращая взаимные помехи между двумя сетями.
Примечание
Для получения дополнительной информации о AWMA см. пункт 5 и приложение I IEEE 802.15.2 Task Group [3].
Арбитражный обмен пакетным трафиком (PTA) - в механизме PTA соединяются станция WLAN и устройство Bluetooth. Сущность управления PTA обеспечивает авторизацию всех передач в относительных пакетах. Этот механизм может отказать в разрешении на передачу, если у него есть шансы на столкновения. Механизм PTA динамически координирует совместное использование беспроводной среды на основе нагрузки трафика WLAN и Bluetooth. Если происходит столкновение, механизм PTA отдает приоритет передаче на основе приоритетов различных пакетов. Использование механизма PTA в случае высокой изменчивости нагрузки трафика WLAN и Bluetooth или при необходимости поддержки ссылки SCO Bluetooth.
Примечание
Для получения дополнительной информации о ЗПТ см. пункт 6 и приложение J IEEE 802.15.2 Task Group [3].
Детерминированное подавление помех - В этом механизме в приемник WLAN вставляется ядро на частоте сигнала Bluetooth. Поскольку устройства Bluetooth переходят на новую частоту для каждой передачи пакета, приемник WLAN должен знать шаблон скачкообразной перестройки и тайминг устройства Bluetooth. Шаблон скачкообразного изменения и синхронизация получаются при использовании приемника Bluetooth в качестве части приемника WLAN. Детерминированное подавление помех является коллективным, совместным механизмом сосуществования.
Примечание
Для получения дополнительной информации о детерминированном подавлении помех см. Пункт 7 и Приложение K IEEE 802.15.2 Task Group [3].
Ссылки
[1] Веб-сайт Bluetooth Technology. Bluetooth Technology Website | Официальный сайт Bluetooth Technology. Доступ к 17 апреля 2020 года. https://www.bluetooth.com/.
[2] Группа специальных интересов Bluetooth (SIG). Bluetooth Core Спецификации. Версия 5.2. https://www.bluetooth.com/.
[3] P802.15.2/D09 - Проект рекомендуемой практики IEEE по телекоммуникациям и обмену информацией между системами Особые требования к локальным и столичным сетям - Часть 15.2: Сосуществование беспроводных персональных вычислительных сетей с другими беспроводными устройствами, работающими в нелицензированных частотных полосах. Комитет по стандартам LAN/MAN, Компьютерное общество IEEE, 2003, https://ieeexplore.ieee.org/document/4040972.
[4] Маклеод, М Д. «14 - Кодирование». В ссылке инженера по телекоммуникациям под редакцией Fraidoon Mazda, 14-1. Butterworth-Heinemann, 1993. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750611626500204.
[5] Xiao, Yang, and Yi Pan. «Сосуществование Bluetooth Piconets и Wireless LAN». В новых беспроводных LAN, беспроводных пАНОРАМИРОВАНИЯ и беспроводных MAN: IEEE 802.11, IEEE 802.15, 802.16 Wireless Standard Family, 151-85. Уайли, 2009. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8040602.
[6] «IEEE SA - Ассоциация стандартов IEEE - Главная». Доступно 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 слоя (PHY). Поправка 1: Улучшения для высокоэффективной WLAN ". Проект стандарта на информационные технологии - телекоммуникации и обмен информацией между системами. Локальные и столичные сети - Особые требования.