解决手机中的WiMax、蓝牙和Wi-Fi共存问题的设计挑战

在两条链路取得同步并确定基本的重复模式后，下一步就是建立兼顾两个协议工作原理的带宽分配机制。蓝牙SCO/HV3模式定义了一个重复的六时隙周期(3.75ms)，在此期间只有两个连续时隙用于发射，一个用于主设备(用M代表)，一个用于从设备(用S代表)。在这个间隔时间内移动电话和耳机交换未压缩的语音数据包。另外4个时隙尚未使用。这是一种非常基本的模式，没有定义任何调度机制、抖动控制(在时隙级)、重发、纠错技术甚至循环冗余校验(CRC)，因此任何错误都将表现为“喀喇”噪声。

WiMax帧由一个从基站向所有注册移动台广播发送的MAP消息组成。该消息映射了同一WiMax帧中不同移动台的接收间隔，同时在随后的WiMax帧中分配发射间隔。紧随MAP消息的是一个下行链路间隔或“区”(WiMax术语)，用于基站向注册移动台广播、组播或单播发射。在下行链路区后是上行链路区，用于移动台在前面的WiMax帧期间接收发射分配时间。每个WiMax帧依次重复这种模式。

根据蓝牙语音模式的基本特点，确保正确并行操作的基本方针是保证连续的蓝牙发射和接收时隙。因此，基站在这些间隔内(24时隙中的6个时隙，或25%的时间标注“阻塞”)必须被禁止向移动电话发射或分配发送机会。现在让我们分析一下剩余75%的时间，以便理解哪些时间间隔可用于WiMax链路。帧[N]实际上未被移动电话的WiMax链路使用---下行链路间隔未被使用，这是因为，鉴于蓝牙优先级(时隙B1和B2)问题，移动电话不能在帧开头接收MAP消息。上行链路也由于蓝牙优先级(时隙B7和B8)的原因而未被使用。

在帧[N+1]期间，移动电话可以接收和解码MAP消息，并且允许它接收在B10和B12之间的间隙期(2.5ms)发送的突发信号，直到下一次蓝牙分配(时隙B13和B14)。不过，帧[N+1]中的上行链路不能被移动电话使用，因为它没有接收到帧[N]中的MAP消息，该消息用于分配帧[N+1]的上行链路间隔中用于发射的带宽。

在帧[N+2]中，由于蓝牙占用了时隙B19和B20，移动电话将不能接收来自基站的下行链路流量。帧[N+2]的上行链路间隔可能已经被赋于了帧[N+1]的MAP消息中的发射机会，因此可用于移动电话的发射。只要两条链路保持有效，这种模式就会不断重复。

这种机制的潜在规则是需要WiMax链路避免在某段时间内发送信号。有两种方法可以做到这一点：

1. 移动电话可以使用某种WiMax睡眠模式来避免在相应时间内与基站发生交互。这种方法的缺点是在蓝牙时隙B13和B14期间，在WiMax的发送中，可能存在误包率(PER)，不过这种可能性比较低，而且在任何情况下都可以通过WiMax中的前向纠错(FEC)和重发机制来加以克服。

2. 根据预协商的手机功能信息，基站调度器禁止在B13和B14两个时隙内进行接收和发射分配。这种方法要求对WiMax标准作少量补充，以便支持手机和基站之间的共存功能协商。

把Wi-Fi增加入共存机制相对比较简单。Wi-Fi与以太网非常相似，也是一种载波侦听多址访问/冲突检测(CSMA/CD)协议，它采用的不是时间分配机制，而是冲突检测和随机后退方法。

因此也就不可能将异步协议同步到推荐的共存机制。不过这个问题可以通过使用Wi-Fi中称为非排程自动省电(U-APSD)的模式加以解决。这种模式一般用于把Wi-Fi站的功耗降至最低，手机在该模式下可以进入睡眠模式，让接入点缓存所有发送往手机的信息，直到预定义的缓冲器溢出。当手机退出睡眠模式时，它向接入点发送一个触发帧，接入点随后将所有缓存的数据发送给手机，从而有效地保持了常规CSMA/CD操作的类似性能。

这种模式在推荐共存机制中的使用方法是强迫手机Wi-Fi模式在间隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期间进入U-APSD睡眠模式，并在其它时间内(10/24或42%)保持激活状态。这样对Wi-Fi吞吐量造成的影响是很小的，可忽略不计。

图2中的其它时隙(标记为“OP”)代表了对某个无线链路来说可能可用也可能不可用的发射和接收机会，这些时隙可以用任何传统的优先级算法进行分配。

前述共存方案的优点是：

1. 只有少许吞吐量的损失就消除了共存问题。

2. 可以用于任何商用WiMax基站、支持U-APSD的Wi-Fi接入点(大多数都支持)和蓝牙耳机。

3. 无需对商用的蓝牙和Wi-Fi手机芯片组作任何硬件改动。

本文小结

手机和手持设备中WiMax、蓝牙和Wi-Fi的共存带来了艰巨的技术挑战，因为它们在相邻无线频带上的发送可能会发生冲突，并严重降低性能。本文推荐的共存机制可以实现WiMax和蓝牙时钟的同步，时间上共享无线频带(以一种尽可能减小对各自无线链路性能影响的方式)以及使Wi-Fi工作于U-APSD模式，因而有效地解决了这方面的挑战。

作者：Yigal Bitran

合伙创始人兼首席技术官

Eran Eshed

合伙创始人兼行销/业务开发部副总裁

Altair Semiconductor公司