蓝牙的发展：无线系统设计的挑战

蓝牙技术自二十世纪九十年代末期面世以来，就开始面对众多的技术挑战，包括兼容性、功耗和信号干扰等方面的挑战。本文全面概述了蓝牙技术，以及如何利用BlueCore来应对功耗和信号干扰方面的挑战。

蓝牙是一种短程无线链路技术。作为一种缆线替代技术，蓝牙在消费电子设备之间传输语音和数据，如移动电话、PC和PDA设备等。由于蓝牙应用于电池驱动的小型设备，并且具有短程无线链路的特点，因此功耗一直是该技术关注的问题。

　　蓝牙技术

蓝牙运行的工业、科学和医学(ISM)频带范围为2.4~2.4835GHz。由于这个频带是开放的，因此有许多其它的无线链路标准也使用这个频带，如802.11 Wi-Fi和DECT无绳电话。因为非常类似，这些设备之间可能造成相互的干扰，从而影响蓝牙链路的质量。

蓝牙链路的范围取决于无线设备的功率。一级设备的连接范围是100米，二级设备为10米，三级设备为1米以内。

蓝牙技术的标准数据传输速率高达每秒1Mbit/s，真正吞吐量为每秒723千比特。数据被蓝牙堆栈划分为数据包，并通过两个链路中的其中一个进行发送。此链路是通过SCO(Synchronous Connection Oriented Channels)利用预留带宽进行实时传输(包括语音包)的；或通过ACL(Asynchronous Connectionless Channels)进行数据传输和再传输。一个蓝牙设备由硬件、固件和软件三部分组成。

图1显示的是一个典型的分层蓝牙规格协议栈。除了主机控制接口(HCI)、逻辑链路控制及适配协议(L2CAP)、RFCOMM和服务发现协议(SDP)之外，该蓝牙规格协议栈还具有无线电、基带和链路管理协议。

　　干扰：挑战设计

由于蓝牙使用的ISM射频是开放的，因此许多其它的无线标准也利用ISM频带，其中比较有影响力的标准包括802.11b/g Wi-Fi。除了因为与其它无线标准共存而产生的挑战之外，蓝牙通讯链路还可能受到其它家用设备的影响，如微波炉。这些家用设备在运行的同时辐射出射频能量，由于成本和技术上的限制，不可避免地这些设备会散发出相当程度的幅射。

尽管受到环境射频的干扰，蓝牙在频率冲突方面的主要挑战还是来自于802.11b/g Wi-Fi。这两种技术都在ISM频带范围内运行，以数据包的形式发送数据。在过去五年中，WiFi和蓝牙都广泛受到消费者的欢迎，越来越多的家庭开始使用蓝牙产品和无线LAN网络。因为这两种技术非常类似，所以共存是一个首先需要考虑的问题。实际上，许多机制已经被采用，以便解决相互间的干扰问题。

为了降低某个ISM频带区域内传输的功率总量，蓝牙和Wi-Fi不得不采用各种数据传输扩频技术。蓝牙采用跳频技术(FHSS)，在相对较窄的1MHz带宽范围内传输数据包。这样，在该带宽提供的79个信道范围内，窄带信号的频率变为每秒1,600跳 。通过围绕频谱频繁跳动，使信号功率充满了整个频带。

当发生一般性干扰时，数据包的接收可能被中断，因为蓝牙和802.11 b/g信号发生叠加，造成记录错误。附近的天线可能对第二个系统的运行造成前端过荷干扰。但是，这种干扰要求具备较强的干扰信号，所以较一般性干扰来说是一种不常见的干扰。

　　自适应跳频技术(AFH)

自适应跳频技术(AFH)是解决一般性干扰的有效途径。AFH可以识别“坏”信道。在这些信道上，要么有其它无线设备干扰蓝牙信号，要么蓝牙信号干扰了其它的设备。具备AFH技术的蓝牙设备与蓝牙微网(Piconet)内的其它设备进行通讯，分享有关坏信道的详细信息。这样，这些设备就可以转换到可用的“好”信道，远离干扰区，不影响带宽的使用。使用AFH技术时，坏信道的分类必须准确，并且“一般性”干扰应是唯一的干扰形式。图2展示了有效使用AFH技术的情形。

BlueCore的默认设置通常能在大约四秒钟的时间内适应新的来源方面的干扰。

信道跳转使v1.1设备获得了AFH技术的优点，但不得不牺牲蓝牙带宽以尽量减少对Wi-Fi信号的影响。即使802.11b/g此时闲置，也有高达50%的非优先蓝牙通讯被终止。然而，尽管这个数字看起来很大，用户却常常觉察不到带宽的变化，除非他们试图实施某些对时间敏感的应用，如立体音频随选随播。

　　时分多路复用(TDM)

时分多路复用(TDM)是一种应对前端过荷型干扰的手段，AFH技术无法应对这种干扰。TDM最初用于保护802.11b/g传输不受蓝牙干扰，而不是相反的情形。其工作原理是：当ISM频带内运行802.11b/g时，所有蓝牙传输都要关闭，但那些高优先级的蓝牙传输除外。与信道跳转一样，这种方法牺牲了部分蓝牙带宽，这部分牺牲的带宽与802.11b/g工作周期成比例。因此，如果802.11b/g闲置，则链路维护通讯可能造成带宽下降2-