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產業快訊
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2.4 GHz ISM頻帶 Wi-Fi和藍芽產品都用無須授權的2.4-GHz ISM頻帶，雖然各地對此頻帶的操作規定並不相同，允許的使用者也有差異，但本文只討論美國聯邦通訊委員會對2.4-GHz頻帶的有關規定。美國聯邦通訊委員會針對此頻帶所允許的高功率「直接序列」(direct sequence)及跳頻式展頻式傳輸做了一些重要規定，例如2.4 GHz ISM頻帶的寬度為83.5 MHz，下限頻率為2.400 GHz，上限頻率則為2.4835 GHz。 另外，委員會並規定，這個頻帶內工作的高功率發射器(最高為1瓦)必須使用「直接序列展頻技術」(DSSS；Direct Sequence Spread Spectrum)或是跳頻式展頻技術，其中Wi-Fi產品是以直接序列展頻技術為基礎，藍芽裝置則使用跳頻式展頻技術。 對於採用跳頻式展頻技術的裝置，需提供75個跳躍頻道，而且每個跳躍頻道的最大頻寬為1 MHz；藍芽裝置則必須在79個頻率上跳躍，每個頻道的頻寬也是1 MHz，因此藍芽裝置的實際使用頻寬為79 MHz，但任意一個時間點上只需要1 MHz頻寬。 圖三是藍芽裝置在2.4 GHz ISM頻帶跳躍的一個範例，其中每個藍色方塊都代表一次藍芽傳輸動作。藍芽是一種「時槽式」(slotted)通訊協定，每個時槽的長度為625微秒，雖然每次傳輸可以佔用1、3或5個時槽，但圖三只顯示長度為一個時槽的傳輸動作。 長時間來看，每個Wi-Fi網路都會維持相同的頻率使用量，並且只使用83.5 MHz可用頻寬的一部份。IEEE 802.11b標準定義了11個可用頻道，每個頻道都是由其中心頻率所定義，中心頻率的間隔則為5 MHz，這些頻道的編號是從1至11。 由於IEEE 802.11b信號的20 dB頻寬很容易達到16 MHz，造成同地區的相鄰頻道發生干擾現象，因此若同一地點有多個Wi-Fi網路，它們大都會使用1、6和11頻道，防止干擾情形的出現。在這種情形下，同地點的三個網路約會佔用ISM頻帶83.5 MHz可用頻寬的3 ( 16MHz＝48MHz。 圖四是三個Wi-Fi網路的典型頻率使用情形，其中每個Wi-Fi網路都只用一個頻道，從圖中可以看出它們是1、6和11頻道。每個頻道的傳輸動作是由封包顏色來區隔，每個Wi-Fi封包的傳送時間則是由封包的資料量決定，通常在每個資料封包後面還會有一個很短的「確認封包」(acknowledgement packet)。
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Wi-Fi與藍芽的共存測試
由於藍芽裝置是在ISM頻帶的79 MHz頻寬內跳躍，IEEE 802.11b則約需要16 MHz的傳輸頻寬，因此若Wi-Fi與藍芽產品在同一個區域工作，就可能發生干擾現象。為了因應潛在的干擾問題，我們對實際的藍芽與Wi-Fi產品執行多項共存測試，以便評估它們的共存程度。
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測試環境
利用一部通過Wi-Fi認證的「接取點」(access point)和基地台來執行資料產出率測試，其中基地台是由一部膝上型電腦和一張Wi-Fi PCMCIA卡組成，圖五是這些裝置的代表圖示。
這些測試所使用的藍芽裝置也是PCMCIA卡，我們還使用兩部膝上型電腦，一部擔任藍芽主裝置，另一部做為藍芽僕裝置，圖六是這些藍芽裝置的代表圖示。
這項測試希望建立某種程度的真實環境，模擬藍芽與Wi-Fi線路共存的情形，然後取得資料產出率的經驗值。真實世界可能包含許多不同的共存方式，會有不同的相對距離、應用及效能量測結果(例如聲音／影像品質或是資料等待時間，而不是資料產出率)。
基準效能(Baseline Performance)
為了瞭解藍芽網路及Wi-Fi網路在沒有干擾時的最大資料產出率，我們也執行一些基準測試，而且在每一項基準測試中，使用NetIQ公司的Chariot軟體套件，它能用最大速率把資料從一部裝置傳送到另一部裝置。
Wi-Fi的資料產出率
為量測Wi-Fi基準效能，我們採用圖七的測試方式把資料從接取點送至基地台，因此在測試時，絕大多數從接取點送至基地台的封包都是很長的資料封包，從基地台送至接取點的封包則是很短的確認封包。
我們讓Wi-Fi接取點與Wi-Fi基地台能直接看到對方，然後改變兩部裝置的距離，正如圖八所示，此時得到的資料產出率是距離的函數；從測試結果可發現，在250英呎的最大測試距離下，Wi-Fi裝置仍能維持5.5 Mbps以上的連線速率。
藍芽的資料產出率
如圖九所示，我們利用類似Wi-Fi資料產出率基準測試的方法，也對兩部藍芽裝置進行測試。在沒有干擾的情形下，將資料從藍芽主裝置傳送到藍芽僕裝置，結果在250英呎的距離內，資料產出率大約可達到550 kbps。圖十是藍芽網路所能達到的資料產出率。
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藍芽裝置干擾下的Wi-Fi效能
我們另介紹兩項重要測試的結果，第一項測試與4.2.1小節的資料產出率基準測試完全相同，只是另外把一部藍芽主裝置和僕裝置放在Wi-Fi基地台的10公分距離內，讓這個Wi-Fi網路在最惡劣條件下進行測試。在測試過程中，藍芽裝置的發射功率為100 mW，Wi-Fi裝置則為30 mW，兩部藍芽裝置與Wi-Fi接收裝置的距離都不到10公分，整個測試環境如圖十一所示。
第二項測試也類似於第一項測試，只不過藍芽干擾源與Wi-Fi基地台的距離增加至30英呎，圖十二就是這項測試的設定方式。
圖十三列出了這兩項測試和Wi-Fi資料產出率基準測試的結果，我們發現當藍芽干擾源很接近Wi-Fi基地台的時候，傳輸效能就會受到藍芽干擾的很大影響；但若把藍芽干擾源移到10公尺以外或是更遠地方，那麼資料產出率的降低幅度就遠小於基準測試。
有IEEE 802.11b無線區域網路干擾源時的藍芽效能
為決定Wi-Fi干擾源對藍芽網路的影響，將藍芽及Wi-Fi裝置的位置交換，然後執行與4.3節相同的實驗。圖十四是這些測試的結果，我們發現當Wi-Fi干擾源的距離很近時，藍芽裝置的資料產出率也會受到衝擊；但若把Wi-Fi干擾源移到較遠地方，藍芽的資料產出率就大幅增加，約可達到基準資料產出率的九成，而且與兩部藍芽裝置的距離無關。
從實驗結果發現，當藍芽與Wi-Fi裝置有一定距離時，兩種裝置的資料產出率都很接近沒有干擾源時的傳輸效能，但這些實驗也證明若兩者之間有干擾源，那麼藍芽與Wi-Fi裝置的效能就會下降。以下，我們會分析干擾的原因，然後討論數種解決方案。
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改善共存性的方法
如何讓多部裝置在不須授權的頻帶中共存，這並不是最近才出現的需求，一個好例子就是使用不須授權900 MHz ISM頻帶的無線電話，也要與其它裝置分享這些不須授權的頻帶。當使用900 MHz頻帶的無線電話剛出現時，它們對於頻帶內干擾的抵抗能力相當有限，隨著時間的過去，這些產品也做了部份改變，讓它們在其它900 MHz裝置存在的情形下，不但仍能正常操作，還可維持一條高品質的線路。雖然上述例子與2.4 GHz ISM頻帶的情形有所差異，但主要部份卻完全相同。由於其它裝置也可能在相同頻帶內工作，我們必須讓這些裝置具備某些功能，以便在其它裝置也存在的情形下，繼續提供穩定可靠的傳輸效能。
Wi-Fi網路的動態頻道選擇
要讓多部裝置在2.4 GHz ISM頻帶內共存，最好方法就是避免使用已為其它裝置佔用的頻率，圖四是Wi-Fi網路的共存範例，也是此項原則的具體實現。在同地點的三個網路分別使用1、6和11頻道，從而避免彼此相互干擾。在目前的Wi-Fi產品中，頻道選擇是由使用者或系統管理員負責，未來的Wi-Fi網路可能會提供動態頻道選擇功能。
利用動態頻道選擇功能，Wi-Fi接取點裝置就可根據頻帶使用情形，自己決定那個頻道是目前的最佳頻道，做法如下：
封包錯誤率
根據與其它Wi-Fi 裝置的通訊情況，量測每個頻道的封包錯誤率，錯誤率越低的頻道就是越理想的頻道。
頻道雜訊
根據與其它Wi-Fi 裝置的通訊情況，量測每個頻道的信號雜波比，信號雜波比越大的頻道就是越理想的頻道。
頻道的多傳輸路徑與符碼間干擾
根據與其它Wi-Fi 裝置的通訊情況，量測頻道的符碼間干擾強度以及多傳輸路徑情形，符碼間干擾強度與多傳輸路徑越不嚴重的頻道就是越理想的頻道。
接收信號強度
無論附近是否有其它Wi-Fi裝置，接取點裝置都可根據頻帶內干擾源的信號強度來選擇工作頻道。
Wi-Fi網路的適應性封包分割技術
Wi-Fi網路可將一個封包分割成多個封包，以限制每個封包的長度。當網路上沒有干擾信號時，封包分割會降低網路的資料產出率，因為網路必須處理更多的封包標頭。把每個封包的長度減少後，Wi-Fi封包傳送過程的干擾機率就會降低；使用較短封包雖能減少封包錯誤率，但網路卻必須處理更多的封包標頭，這是我們必須做的取捨。
要實作適應性封包分割功能，一個方法是監測網路的封包錯誤率，然後根據它來調整封包分割長度，此項調整也必須考慮每個封包的額外處理需求；利用「適應性最小均方演算法」(adaptive least mean squared algorithm)，大約只須十次的更新動作，就可以得到最好的封包分割長度。
加強藍芽裝置共存性
對於資料傳輸線路，藍芽裝置可藉由適應性技術選出它所使用的錯誤控制機制和每個封包的傳送長度，以便得到最大的資料產出率；此外，還可用流量控制來動態增加或是減少資料傳輸速率。舉例來說，如果壞頻道的數目達到某個值，藍芽裝置可暫時停止傳送資料，直到有好頻道可供使用。
智慧型跳頻技術
跳頻裝置先天就具有某種強固性，因為它們不會使用同樣頻率來連續傳送資料；改變發射信號中心頻率的動作又稱為跳頻，這表示在特定的時間點上，就算有其它裝置也在傳送資料，只要它們使用的頻寬也很窄，那麼兩者同時選擇相同頻率的機會就很小，由於時間與頻率關係圖中的藍色方塊非常稀疏，頻帶內資料傳輸動作發生衝突的機率就非常低。
目前，雖然藍芽裝置具有相當的抗干擾強固性，但其程度卻不一定，因為發射機並未使用頻帶內干擾的相關資訊；如果能對跳頻順序做出特別安排，使它們主動避免頻帶內的其它裝置，那麼無論是頻帶內的藍芽裝置或其它裝置，它們的效能都會大幅增加。舉例來說，如果第6個Wi-Fi頻道中有一部Wi-Fi裝置正在工作，那麼藍芽裝置最好就不要使用2.429 GHz到2.445 GHz間的頻率來發射資料，因為這個頻率範圍內的任何發射動作都可能導致藍芽以及／或是Wi-Fi傳輸錯誤。
發射功率控制
使用2.4 GHz ISM頻帶之類的分享資源時，很重要的一個觀念是：使用的資源數量不要超過實際需求，這是使用擁塞頻道的黃金定律。舉例來說，如果頻帶內有兩部裝置正在通訊，它們使用4 dBm的功率水準來傳送資料，此時若其它裝置以20 dBm在頻帶內發射信號，那就是對於頻帶的濫用。在頻帶內傳送功率過大的信號會降低單位面積的總傳輸量，於是頻帶內其它使用者的通訊就會受到不必要干擾。
裝置間的距離不會迅速改變，因此所須的發射功率也無須快速變動，這表示Wi-Fi及藍芽裝置可增加動態功率控制功能，而不會影響它們的傳輸效能；此外，由於裝置不再使用最大功率來發射信號，這表示區域內的所有裝置更可能與其它裝置完成通訊。
讓Wi-Fi與藍芽裝置在同一地點工作的方法
如果藍芽與Wi-Fi都在同一部裝置內，就有可能提高它們的強固性與共存性；如果藍芽與Wi-Fi裝置位於相同地點，也可用一個協調單元和簡單信號機制來保留頻道存取時序內的發射與接收時槽。此外，利用一種簡單機制來處理虛擬競爭(例如當Wi-Fi與藍芽裝置的時槽保留要求發生衝突時)也是個不錯的方法。
在這類的環境中，很重要的工作是讓藍芽網路及Wi-Fi網路提供最大資料產出率，同時將傳輸工作平均分配給藍芽及Wi-Fi網路，避免過長的傳輸延遲時間。
制訂標準的相關活動
藍芽與IEEE 802.11裝置的共存非常重要，因此藍芽和IEEE 802特別工作小組正在積極努力，希望找出新方法來增加它們的共存能力；此外，TI也主動參與相關標準的制訂程序，以便改善2.4 GHz頻帶的裝置共存性。為改善藍芽與IEEE 802.11裝置的共存性，廠商建議了許多方法機制，為此IEEE特別成立一個802.15.2工作小組，希望根據這些建議提出一套實際方法。
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結果與應用
TI正在努力提供藍芽以及Wi-Fi解決方案，都擁有業界最好的抗干擾強固性，可抵抗2.4 GHz ISM頻帶內其它裝置的干擾；藉由TI的努力，藍芽與Wi-Fi裝置不但能在同一個地點共存，甚至還可在同一部裝置內，而不會對彼此造成太大影響。
舉例來說，使用者的膝上型電腦可同時包含藍芽與Wi-Fi功能，這樣膝上型電腦就能利用藍芽與行動電話或個人數位助理連線，同時使用Wi-Fi連線至高速家庭閘道器或是企業環境內的接取點裝置。這種應用組合是沒有止境的，隨著共存能力更強大的產品開始出現，它們很快就會付諸實現。(本文作者目前任職於德州儀器)
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