蓝牙与Wi-Fi网络互连方案的研究与设计

郑武 1，金纯 2

    蓝牙和Wi-Fi（即IEEE802.11b）都是无线局域网家族里的重要成员，它们都有各自的优点。直到今天，对这两种无线局域网标准的补充和修订工作仍在进行。蓝牙最初是以作为与Wi-Fi互补的技术来定位自己的。但随着两种技术标准的不断扩展完善，有迹象表明它们之间今后完全有可能形成竞争关系。无论如何，蓝牙和Wi-Fi的共存已经成为今天的现实。

    对使用者而言，较为关注的问题有两个：一是蓝牙和Wi-Fi的共存会对各自的性能带来怎样的影响；二是怎样实现二者之间的互连互通。由于蓝牙和Wi-Fi都工作于ISM2.4GHz频段，因而在共存的环境下它们之间的干扰不可避免，这也是很多研究者引以关注的问题，本文将给出在这方面已经取得的一些研究成果。并就共存环境中怎样实现蓝牙和Wi-Fi之间的互连提出了解决方案。

2.蓝牙、Wi-Fi技术概述

    2.1 蓝牙[1]

    蓝牙技术是由蓝牙SIG（特殊利益集团）于1994年联合推出的一项短距离无线通信协议。它具有使用方便、抗干扰能力强、低功耗、低辐射等诸多优点。蓝牙宽带协议结合电路交换和分组交换技术，适用于语音和数据传输。它支持异步数据信道和同步语音信道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步语音。

    蓝牙的基本拓扑结构是微网（Piconet）。在微网中只有一个主设备（Master），它可以同时和至多7个处于激活状态的从设备（Slave）以及至多255个处于休眠状态的从设建立连接关系。微网之间还可以形成散射网（Scatternet），从而扩大了网络的规模，延长了网络的覆盖范围。

    2003年3月，IEEE批准了兼容蓝牙1.1版本的WPAN标准“IEEE802.15.1”，同时还专门成立了四个工作组专门负责IEEE802.15相关标准的制定和完善动作。目前，更为完善的蓝牙协议2.0版已经问世，这必将加速蓝牙技术的推广应用进程。

    2.2 Wi-Fi[2]

    Wi-Fi是在IEEE802.11的基础修改制定的，于1999年11月由IEEE推出。它与蓝牙工作于同一频段。Wi-Fi采用CSMA/CA的访问机制，这与以太网协议CSMA/CD相似。它具有传输速率高、传输距离长等优点。但它不提供面向连接的服务，因而可靠性不如蓝牙，且其功耗也较蓝牙高。

    Wi-Fi的基本网络结构为基本服务组（BSS），这种结构可以满足两个站点之间的直接数

    据交换要求，但在使用过程中需要将其中一个设为主设备；扩展服务组（ESS）是由多个基本服务组形成的。通常情况下各个基本服务组均通过接入点设备（AP）接入到有线或无线网络中。基本服务组中的站点设备一般不同时作为两个基本服务组的成员，这一点与蓝牙设备不同。

3. 蓝牙-Wi-Fi共存问题

    3.1 共存环境中蓝牙、Wi-Fi的干扰特性[3,4]

    由于蓝牙和Wi-Fi都工作于ISM2.4GHz频段，尽管它们分别采用了不同的扩频技术和访问控制机制，但二者之间的干扰仍然存在。下面给出在共存环境中蓝牙数据包与802.11数据包发生冲突的概率，以及在一定的距离内发生数据包丢失的仿真结果。

    图3.1显示了当一台蓝牙设备正在通信时，另一Wi-Fi设备对其形成干扰所导致的数据包丢失情况的仿真结果。图中离散的点反映了Wi-Fi设备与蓝牙设备间的距离对数据包丢失情况的影响，可大致上用图中的曲线来描述，底部的直线为参考线；图3.2显示了当一台Wi-Fi设备正在通信时，另一蓝牙设备对其形成干扰所导致的数据包丢失情况的仿真结果。同理，图中离散的点反映了蓝牙设备与Wi-Fi设备间的距离对数据包丢失情况的影响，可大致上用图中的曲线来描述，底部的直线为参考线。通过比较图3.1和图3.2我们不难发现，总体上蓝牙因Wi-Fi干扰而导致的数据包丢失要严重些。在距离超过3m后，Wi-Fi因蓝牙的干扰而导致的数据包丢失几乎可以忽略不计。

    3.2 共存解决方案

    针对共存环境中存在的干扰问题，可以采取以下几种解决方案[5,6]。这些解决方案对技术的要求不尽相同，其抗干扰性能也不一样，以满足不同的应用需要。

    1. 功率控制

    这是一种妥协性的解决方案。由于蓝牙支持功率控制策略，而Wi-Fi支持动态速率转换策略。因而在同一个使用环境中，当发现蓝牙和Wi-Fi设备之间的干扰影响到各自的正常通信时，可联合采取降低发射功率和调整传输速率的方式以降低干扰的影响。这种解决方案比较适合于临时性的公共场合，比如会议室、宾馆、机场等。

    2. 驱动层模式转换

    实际应用中，可能有很多设备同时安装有蓝牙和Wi-Fi系统。对这类设备而言，驱动层模式转换的思想是让二者共用同一射频天线，并让二者分时工作。即当其中一个系统需要通信时另一个关闭，反之亦然。图3.3给出了驱动层模式转换的结构图。这种解决方案存在的问题主要有三个方面：首先，它无法满足同时进行蓝牙和Wi-Fi通信的要求。即设备既无法同时发送和接收两类数据包，也无法在发送（接收）其中的一类时接收（发送）另一类；其次，由于驱动层转换需要在操作系统完成，而操作系统的响应时间有一定的时延，这显然增加了通信双方进行收发协调的难度；最后，由于维护网络的需要，蓝牙微网中的主设备会向网内的设备发送“轮询”数据包，这会干扰正常的Wi-Fi设备通信。因而，单一的驱动层模式转换方案作用有限。

图 3.3 驱动层模式转换结构图

    3. MAC层转换

    MAC层转换克服了驱动层转换时延的问题，同时也有效防止了蓝牙“轮询”的干扰。其实现的方式可有两种选择：将转换机制集成到两个系统的基带协议中，或集成到一个独立的模块中并与两个系统的基带进行通信和控制。这种解决方案的缺点是难以有效抵制临信道的干扰，且开发难度较大。

    4. 自适应数据包业务

    由于数据包长度越短，发生碰撞的概率越低。因而在共存的环境中，如果蓝牙和Wi-Fi都能根据干扰的严重程度自动调整包的大小，将有助于增强共存系统的稳定性。这就要求开发出相应的自适应算法，以动态的调整蓝牙的多种包类型，并对Wi-Fi包进行动态分割。同理，还可以开发自适应速率算法，以在需要时动态的调整数据的传输速度。所有这些都将要求对现有的蓝牙和Wi-Fi协议做进一步的修改和补充。

    5. 自适应跳频

    自适应跳频是在数据发送时，选择那些跳频信道中“好”的信道来传输数据的跳频通信方式。“好”信道通常是指那些没有受到干扰或受到的干扰较小的那类信道。“好”和“坏”由接收端的链路质量分析电路来判断，其依据通常是数据包丢失率、接收信号强度等。这种方案通过尽量避免系统间的频率碰撞以达到提高系统性能的目的。自适应跳频技术在一些系统中已有应用。

图3.4 Wi-Fi系统数据吞吐量变化情况

    此外，Mobilian公司的研究人员提出了一种称之为TrueRadio技术的系统级方案来解决蓝牙和Wi-Fi之间的干扰问题[7]，它集中执行了蓝牙和Wi-Fi系统的驱动层和基带层功能，从而可以理想地对两种系统的运行进行综合控制。图3.4显示了采用这种技术前后Wi-Fi数据吞吐量变化的情况。

4. 蓝牙与Wi-Fi网络互连方案设计

    4.1 网络结构

    在共存环境中，蓝牙或Wi-Fi设备的通信大体上可分为两种类型：一种是蓝牙设备之间或Wi-Fi设备之间的通信，另一种是蓝牙设备与Wi-Fi设备之间的通信。前种通信属于蓝牙和Wi-Fi各自技术的应用领域（只不过增加了抗干扰方面的考虑），并不涉及到网络的互连；后者则需要通过蓝牙/Wi-Fi网关才能完成。

图4.1 共存环境中蓝牙与Wi-Fi网络互连通信示意图

    图4.1给出了典型的蓝牙和Wi-Fi网络共存的示意图。图中，蓝牙设备和Wi-Fi设备分散在应用环境中的不同位置。当某一蓝牙（Wi-Fi）设备需要和另一Wi-Fi（蓝牙）设备进行通信时，由蓝牙/Wi-Fi网关来执行中继和数据包的转换工作。不难理解，进行数据包的转换是蓝牙/Wi-Fi网关的核心任务，也是能否实现蓝牙与Wi-Fi网络互连的关键问题。另外，为维护和管理网络的方便，通常将网关设备作为蓝牙的主设备（Master）和Wi-Fi的接入点设备（AP）。

    4.2 协议栈模型

    通常情况下，异种网络之间的互连是在网络层实现的，但有时也可在数据链路层实现。在网络层实现蓝牙/Wi-Fi互连的协议栈结构如图4.2所示。这种实现方式要求每个上层应用数据包均按照如下步骤（或相反方向）走完协议栈的各个层次：应用层（蓝牙）－物理层（蓝牙）－网关物理层（蓝牙）－网关网络层－网关物理层（Wi-Fi）－物理层（Wi-Fi）－应用层（Wi-Fi），因而实时性较差。但它实现起来比较简单，只需软件即可完成。

图4.2 网络层实现蓝牙/Wi-Fi互连的协议栈模型

    比较而言，在MAC层实现蓝牙/Wi-Fi互连难度上要大得多，但执行效率也要高得多。其协议栈结构如图4.3所示。这种实现方式可通过两种途径来完成数据包的转换：一种是直接在两者的MAC层进行；另一种是通过中间件进行。两种实现途径均主要由硬件来完成，不过后者要相对灵活些，且没有前者那么复杂。

图4.3 MAC层实现蓝牙/Wi-Fi互连的协议栈模型

    上述两种实现方式都没有提及天线的配置问题。事实上，天线的配置策略将在很大程度上决定网关的工作方式。如本文前面所述，如果采用共用天线的模式，则网关只能采取时分复用的工作方式。这种工作方式可能会对网络的数据吞吐量产生一定的影响，同时也难以保证相关设备的数据收发有序进行。而采用双天线的配置模式则可以避免这类问题。双天线的配置模式可满足网关设备实时收发蓝牙和Wi-Fi数据包的要求，从而提高了整个系统的运行效率。但这种配置模式也有新的问题，即天线之间的射频干扰。尤其是当天线之间的距离很近时，这种情况将会变得非常严重，甚至可能导致设备无法正常工作。因而需要采取一定的隔离措施，或者研究提供更完善的控制策略。

    如果综合考虑蓝牙/Wi-Fi网络的互连方式和天线的配置策略，我们不难得出结论：当采用通过网络层互连且配置共用天线的网关进行蓝牙/Wi-Fi网络互连时，网络系统的运行效率最差，也最不稳定；而当采用通过MAC层互连且配置双天线的网关进行互连时，网络系统的运行效率最好，也最稳定。当然如上所述，它需要解决天线之间的射频干扰问题。

5. 结束语

    基于蓝牙和Wi-Fi技术的无线产品已经在全世界范围内广泛应用。对两种无线技术共存问题的研究也逐渐深入，甚至还专门成立了工作组（IEEE802.15.2）。因此，实现两种无线网络之间的互连以满足用户方便性和灵活性方面的要求、达到资源共享的目的，具有很强的现实意义。本文就此提出了两种不同互连施实方案的协议栈结构；在互连实施过程中，除干扰问题外，蓝牙/Wi-Fi网关的设计问题最为关键。本文在分析了各种实现方案的基础上，就蓝牙/Wi-Fi网关的设计原则给出了一些有价值的结论。

    同时，本互连方案的设计对其它不同无线局域网技术之间的互连设计也具有借鉴意义。

参考文献：

[1]IEEE802.15Working Group.IEEE802.15.1 Standard[DB/OL].http://grouper.ieee.org/groups/ 802/15, March 2002

[2]IEEE.IEEE Standard for wireless LAN media access control and physical layer specific- ation[C]. IEEE 802.11,1999

[3]Kaveh Pahlavan,Prashant Krishnamurthy.Principles of Wireless Networks:A Unified Approach[M].USA:PRENTICE HALL,INC.2003

[4]Michael Fainberg Pennie,Edmonds LLP,David Goodman.Analysis of Interference Between Wi-Fi and Bluetooth Systems[J].IEEE Proceeding of WCNC 2000：94~99

[5]Ivan Hoeitt.IEEE802.11 and Bluetooth coexistence analysis methodology[C].Vehicular Technology Conference,2001.VTC 2001 Spring.IEEE VTS 53rd,2001,2:1114~1118

[6]Jim Landsford,Ron Nevo,Brett Monello.Wi-Fi（802.11b）and Blutooth:Enabling coexis- tence[J].IEEE Network,September/October,2001 ： 20~27

[7] Mobilian Corporation.Wi-Fi TM（802.11b）and Bluetooth TM:An Examination of Coexistence Approaches[DB/OL].http://www.mobilian.com.2001

ZHENG Wu 1 , JIN Chun 2

（1.Dep.of Application Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing,400065,China;2. Chongqing Bluetooth Wireless Technology Research Institute, Chongqing,400039,China）

Abstract: This paper introduce Bluetooth and Wi-Fi wireless technologies and their network characteristics, analyse interference characteristic between them when they are in coexistence, and go on to summarize different approaches to resolving the interference problems. Based on those, we propound protocol schemes of network interlinkage between Bluetooth and Wi-Fi, discuss design of Bluetooth/Wi-Fi gateway, and then draw some valuable conclusions.

Key Words: Bluetooth Wi-Fi Coexistence Network Interlinkage