作者：吳彥奇  朱剛

    本文提出一種自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送方法，解決藍(lán)牙與802.11b的干擾問題。

    這種方法屬于非協(xié)作共存技術(shù)范疇，其原理為：藍(lán)牙單元根據(jù)信道質(zhì)量的不同，選擇不同長(zhǎng)度的分組和發(fā)送時(shí)間，以躲避沖突，避免同頻干擾。仿真結(jié)果說明，此機(jī)制使藍(lán)牙與802.11b的丟包率降低到接近零，使802.11b數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)通過率提高了近30%。

    要害詞自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送藍(lán)牙802.11b干擾共存機(jī)制

    1、引言

    目前，已研究提出的克服藍(lán)牙與802.11b干擾，實(shí)現(xiàn)共存的機(jī)制，根據(jù)兩系統(tǒng)是否能夠交換信息而分為合作方式（collaborativecoexistence）與非合作方式（noncollaborativecoexistence）兩類，其中包括：法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)、使用方式、技術(shù)方法等方面。就技術(shù)方法而言，現(xiàn)在較受關(guān)注的有兩種，都屬于非合作共存方式，一種是自適應(yīng)跳頻（AFH：AdaptiveFrequency Hopping）[1，2]，此方法受到法規(guī)、接收靈敏度等限制，且只適用于未來使用新標(biāo)準(zhǔn)后生產(chǎn)的藍(lán)牙設(shè)備，仍然無法解決目前藍(lán)牙設(shè)備和802.11b之間的干擾問題；另一種方法在假定可以通過其他技術(shù)檢測(cè)干擾規(guī)律基礎(chǔ)上，通過流量調(diào)度，“減少因使用相同頻率同時(shí)發(fā)送分組而引起的碰撞”（OLA：OverLap Avoidance），降低同頻干擾[3]，取得較好效果，成為比較典型的方法。這種方法屬于MAC層技術(shù)，而MAC層技術(shù)包含硬件和軟件，解決干擾問題代價(jià)相對(duì)較小。本文提出自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送機(jī)制。此機(jī)制屬于OLA方法，但與以往提出的躲避分組碰撞的方法有區(qū)別。此機(jī)制解決藍(lán)牙ACL鏈路與802.11b的干擾問題更有效，且易于實(shí)現(xiàn)。

    2、自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送方法

    藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)為了滿足不同的應(yīng)用需要，定義了不同類型信息包。信息包包括話音包和數(shù)據(jù)包。其中數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度分為一個(gè)時(shí)隙、三個(gè)時(shí)隙和五個(gè)時(shí)隙三種類型。一般來講，假如藍(lán)牙自適應(yīng)層能夠基于應(yīng)用的需要和無線信道情況，選擇不同類型數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸，則可以達(dá)到最佳傳輸效果。目前已經(jīng)研究了根據(jù)不同應(yīng)用選擇不同類型的包[4]。此外，也研究了根據(jù)無線信道的狀況（主要基于誤碼率或者丟包率等評(píng)估手段）選擇不同類型的包[5，6]，信道傳輸質(zhì)量較差時(shí)選擇短包傳輸，以減小信道同頻干擾對(duì)信息傳輸?shù)挠绊?，信道傳輸質(zhì)量較好時(shí)，選擇長(zhǎng)包傳輸，以提高傳輸效率，增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。但是，這種通過選擇不同長(zhǎng)度類型傳輸分組克服相互干擾方法，沒有從根本上解決引起干擾的碰撞問題，效果不明顯。這種包選擇機(jī)制并不能完全消除干擾。因此，本文提出自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送方法。藍(lán)牙單元在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)信道進(jìn)行評(píng)估，然后根據(jù)信道質(zhì)量好壞自適應(yīng)地選擇發(fā)送時(shí)間和包的大小，從而最大程度地避免了碰撞，理論上能夠消除干擾影響。該方法適用于ACL鏈路（就是說藍(lán)牙主從單元之間沒有語音的傳輸）。自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送方法主要由兩部分功能塊組成：（1）信道評(píng)估，（2）自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送機(jī)制。

    2.1信道評(píng)估

    以往的研究工作[7]表明，對(duì)于很多減小干擾影響的機(jī)制來說，信道評(píng)估都是必不可少的一部分（比如說自適應(yīng)跳頻）。我們將根據(jù)藍(lán)牙發(fā)送單元的丟包率對(duì)信道進(jìn)行評(píng)估。發(fā)送單元的丟包率在接收單元端計(jì)算，并且與跳頻點(diǎn)有關(guān)。因此，定義跳頻點(diǎn)相關(guān)的丟包率Fi-packetloss（其中0≤i≤78）計(jì)算公式為：

    其中，F(xiàn)i-numberoflostpacket為一段時(shí)間內(nèi)（channel-state-update-ininterval）在該跳頻點(diǎn)上傳輸信息時(shí)丟掉的包數(shù)，F(xiàn)i-number of received packet為成功接收的包數(shù)。設(shè)定丟包率門限值為gpacket loss gate。當(dāng)丟包率大于門限時(shí)，認(rèn)為信道是不良信道，否則，認(rèn)定為良好信道，由此可以得出信道狀態(tài)表如下：

    表1  主單元信道狀態(tài)

    表2  從單元信道狀態(tài)

    其中Mast-F0～Mast-F78表示藍(lán)牙主單元信道，Mast-State[0]～Mast-State[78]表示主單元信道對(duì)應(yīng)狀態(tài)；Slave-F0～Slave-F78表示藍(lán)牙從單元信道，Slave-State[0]～Slave-State[78]表示從單元信道對(duì)應(yīng)狀態(tài)。

    藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸是由主單元控制，因此，從單元必須將主單元的最新信道狀態(tài)表通知主單元。為此，我們定義一個(gè)新的LMP（鏈路治理協(xié)議）PDU，用以攜帶主單元信道狀態(tài)。從單元每隔一定時(shí)間（channel-state-update-ininterval）計(jì)算一次丟包率、刷新信道狀態(tài)表并通過上述PDU發(fā)送到主單元。

    2.2自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送機(jī)制

    藍(lán)牙物理信道是一個(gè)時(shí)分雙工的跳頻信道，信道之間以彼此近似正交的跳頻序列區(qū)分。信道使用偽隨機(jī)跳頻序列表示，頻率在79個(gè)射頻信道中隨機(jī)跳變。每個(gè)微網(wǎng)使用唯一信道跳頻序列，它是根據(jù)主單元藍(lán)牙設(shè)備地址確定。信道以時(shí)隙為單位傳輸信息，在一個(gè)時(shí)隙（單時(shí)隙分組情況）或多個(gè)時(shí)隙（多時(shí)隙分組情況）內(nèi)采用一個(gè)射頻跳頻點(diǎn)傳輸信息。頻率跳變速度是1600跳/s。一個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度為625微秒。在時(shí)隙中主單元和從單元以時(shí)分復(fù)用方式，交替?zhèn)鬏敺纸M。主單元在偶數(shù)時(shí)隙開始傳輸分組，從單元僅在奇數(shù)時(shí)隙開始傳輸分組。一個(gè)分組傳輸時(shí)間可以占用一個(gè)時(shí)隙、三個(gè)時(shí)隙或五個(gè)時(shí)隙。傳輸某個(gè)分組期間，跳頻保持不變。對(duì)于傳輸單時(shí)隙分組，使用的跳頻由當(dāng)前藍(lán)牙時(shí)鐘值導(dǎo)出。對(duì)于傳輸多時(shí)隙分組，跳頻根據(jù)傳輸首時(shí)隙時(shí)鐘值導(dǎo)出。傳輸多時(shí)隙分組后，傳輸下一分組的跳頻也根據(jù)該分組首時(shí)隙時(shí)鐘值確定。根據(jù)藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ACL鏈路可以占用一、三、五時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)，但是，目前在實(shí)際使用過程中，占用時(shí)隙方式是固定的。我們提出的這一個(gè)算法就是在滿足上面這個(gè)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)信道的情況采用延遲發(fā)送機(jī)制。具體如下：

    （1）單時(shí)隙包處理機(jī)制

    在發(fā)送該單時(shí)隙包之前，主單元先查看一下由信道評(píng)估機(jī)制產(chǎn)生的master/slave的信道狀態(tài)表。在圖1中，假如ƒ1和ƒ2只要有一個(gè)是不良信道，那么主單元就延遲到下一個(gè)偶數(shù)時(shí)隙來接著判定是否可以發(fā)送。只有ƒ1、ƒ2全是優(yōu)良信道，該數(shù)據(jù)包才能存該時(shí)刻發(fā)送。

    圖1  時(shí)隙與信道

    （2）三時(shí)隙數(shù)據(jù)包處理機(jī)制

    在發(fā)送這個(gè)三時(shí)隙包之前，主單元先檢查ƒk和ƒk+3是否都是優(yōu)良信道，只有這兩個(gè)頻率都是優(yōu)良信道，這個(gè)包才答應(yīng)發(fā)送；假如ƒk是不良信道，這個(gè)三時(shí)隙的數(shù)據(jù)包就延遲到ƒk+2進(jìn)行發(fā)送，在發(fā)送之前也要經(jīng)過這樣的判決；假如ƒk是優(yōu)良信道，ƒk+3是不良信道，那么首先判定ƒk+1是不是優(yōu)良信道，假如是，那么將數(shù)據(jù)封裝成單時(shí)隙的數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送，假如不是，那么就延遲到ƒk+2進(jìn)行發(fā)送判決。

    （3）五時(shí)隙數(shù)據(jù)包處理機(jī)制

    五時(shí)隙包也采用近似的機(jī)制，假如ƒk和ƒk+5都是優(yōu)良信道，這個(gè)包答應(yīng)發(fā)送；假如ƒk是不良信道，這個(gè)五時(shí)隙的數(shù)據(jù)包就延遲到ƒk+2進(jìn)行發(fā)送判決；假如ƒk是優(yōu)良信道，ƒk+5是不良信道，那么首先判定ƒk+3是不是優(yōu)良信道，假如是，那么將數(shù)據(jù)封裝成三時(shí)隙的數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送，假如不是，那么就判定ƒk+1是否是優(yōu)良信道，假如是，那么封裝成單時(shí)隙包進(jìn)行發(fā)送，假如ƒk+1和ƒk+3同樣也為不良信道，那么就延遲到ƒk+2進(jìn)行上面這種判決機(jī)制。如圖2是此機(jī)制的算法流程圖。

    圖2  算法流程圖

    2.3方法比較

    以往的OLA方法[3]由于802.11b系統(tǒng)總是在22MHz頻段內(nèi)通信，所以假定藍(lán)牙系統(tǒng)能夠通過檢測(cè)識(shí)別出802.11b系統(tǒng)占用頻段。假如某一時(shí)刻藍(lán)牙主單元預(yù)備以跳頻點(diǎn)ƒ2n發(fā)送k（k=1、3、5）時(shí)隙分組并發(fā)現(xiàn)ƒ2n+k將落入802.11系統(tǒng)22MHz頻段內(nèi)，則改以k’時(shí)隙（k’=1、3、5，k’≠k）分組發(fā)送，使接收頻點(diǎn)成為ƒ2n+k’，避免發(fā)生頻率沖突；假如某一時(shí)刻藍(lán)牙主單元將以跳頻點(diǎn)ƒ2n、ƒ2n+m（m=2、4、6）連續(xù)發(fā)送分組并發(fā)現(xiàn)ƒ2n+m。將落入802.11系統(tǒng)22MHz頻段內(nèi)，則要求應(yīng)答從單元發(fā)送（m’-1）時(shí)隙（m’=2、4、6，m’≠m）分組，使主單元下一個(gè)發(fā)送頻點(diǎn)改為ƒ2n+m’，避免頻率沖突。假如所有可供選擇的分組對(duì)應(yīng)傳輸頻點(diǎn)均無法避免頻率沖突，則暫不發(fā)送，等待其余恰當(dāng)跳頻點(diǎn)。由此可看出自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送方法相對(duì)于此OLA方法的優(yōu)點(diǎn)：（1）此OLA方法沒有考慮當(dāng)前藍(lán)牙主單元發(fā)送頻點(diǎn)的信道情況，而自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送方法考慮了，這樣會(huì)進(jìn)一步減小干擾；（2）自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送方法沒有使用時(shí)隙覆蓋，節(jié)省功率。

    3、仿真分析

    3.1仿真參數(shù)設(shè)定

    我們使用一個(gè)4節(jié)點(diǎn)的拓?fù)洌喊▋蓚€(gè)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)（1個(gè)master和1個(gè)slave），兩個(gè)802.11b設(shè)備（1個(gè)AP和1個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)）。無線局域網(wǎng)AP與藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)在距離兩米的范圍內(nèi)。我們?cè)O(shè)定802.11b采用CCK調(diào)制方式，速率為11Mbit/s，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向AP發(fā)送數(shù)據(jù)，AP只是發(fā)送ACK消息。802.11b的包長(zhǎng)設(shè)定為8000bits，包與包之間的間隔服從指數(shù)分布，均值為1.86ms。藍(lán)牙設(shè)定MAC層接收的上層消息長(zhǎng)度為500bits，消息間隔時(shí)間滿足指數(shù)分布，均值為O.92ms。藍(lán)牙和802.11b的發(fā)射功率分別為1mW和25mW。

    3.2結(jié)果與分析

    通過仿真，我們來看一下采用自適應(yīng)包選擇延遲發(fā)送機(jī)制與不采用此機(jī)制對(duì)丟包率、網(wǎng)絡(luò)通過率以及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的影響。

    圖3～圖5給出了使用和不使用此機(jī)制時(shí)WLAN、藍(lán)牙主單元、藍(lán)牙從單元的丟包率。我們定義此處的丟包率Ppacketloss為從傳輸數(shù)據(jù)開始到現(xiàn)在時(shí)間內(nèi)丟掉的包數(shù)nnumberoflost packet除以丟掉的包數(shù)nnumber of lost packet與成功接收的包數(shù)nnumber of received packet之和，即：

    （2）

    從圖3～圖5中可發(fā)現(xiàn)使用此機(jī)制使丟包率明顯減小。實(shí)際上，在對(duì)信道進(jìn)行一段時(shí)間的評(píng)估之后，各單元幾乎不再丟包，即nnumberoflostpacket不再明顯增長(zhǎng)，而相反nnumber of received packet在逐漸增長(zhǎng)，故曲線急劇下降，直至丟包率接近為零。我們來看一下此機(jī)制對(duì)于提高wlan的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響，如圖6所示，從圖中看出使用此機(jī)制比不使用此機(jī)制wlan的網(wǎng)絡(luò)通過率約提高了30%。此機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的影響如圖7，從圖中可看出使用此機(jī)制并沒有使時(shí)延明顯增大。

    圖3  無線局域網(wǎng)丟包率

    圖4  藍(lán)牙主單元丟包率

    圖5  藍(lán)牙從單元丟包率

    圖6  無線局域網(wǎng)吞吐量

    圖7  藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

    4、結(jié)語

    總體來說，該機(jī)制在減小丟包率和提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面非常有效，此機(jī)制并沒有使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延明顯增大，另外還有一個(gè)好處就是當(dāng)信道不良時(shí)不發(fā)送信號(hào)能夠節(jié)省發(fā)射功率。最重要的就是我們消除了藍(lán)牙和802.11b之間的干擾。該機(jī)制的不足之處是針對(duì)ACL鏈路，對(duì)于SCO鏈路還需要進(jìn)一步的研究。

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