Tomasz Klajbor
Politechnika Gda
Ĕska
Wydzia
á Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki
ul. Narutowicza 11/12, 80-952 Gda
Ĕsk
klajbor@pg.gda.pl
PORÓWNANIE MECHANIZMÓW WSPÓ
àISTNIENIA
SIECI BLUETOOTH I IEEE802.11B
Streszczenie: Pasmo ISM wykorzystywane jest przez wiele róĪnych technologii transmisji bezprzewodowej. Tym samym pojawiają siĊ problemy związane z zapewnieniem okreĞlonej efektywnoĞci dla sieci róĪnych technologii, ze wzglĊdu na wzajemne interferencje. W artykule przedstawiono wybrane mechanizmy wspóáistnienia sieci Bluetooth i IEEE802.11b.
1. WSTĉP
Istotą problemu wzajemnych interferencji sieci Bluetooth (BT) [1] i IEEE 802.11b (Wi-Fi) [2] jest moĪliwoĞü wystąpienia przypadku równoczesnej transmisji obu technologii w tym samym paĞmie ISM. MoĪliwe kolizje wynikają ponadto z róĪnych mocy nadajników oraz róĪnych, niekompatybilnych technik transmisyjnych. NaleĪy zaliczyü do nich FHSS (ang. Frequency Hopping
Spread Spectrum) oraz DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum).
Na Rys. 1 zilustrowano przykáadową sytuacjĊ interferencji standardu BT i IEEE 802.11b.
Rys. 1. Ilustracja istoty problemu wspóáistnienia sieci BT i IEEE 802.11b
ħródáo: Opracowanie wáasne na podstawie [6].
Wymiana danych i informacji w warstwie fizycznej sieci BT opiera siĊ na technice szerokopasmowej transmisji FHSS. FHSS, podobnie jak DSSS, jest popularną techniką modulacji i wielodostĊpu stosowaną w systemach radiowych. Metoda ta wiąĪe siĊ z wykorzystaniem pasma znacznie szerszego niĪ pasmo sygnaáu informacyjnego. Dane są transmitowane w pakietach, z których kaĪdy jest nadawany na innej czĊstotliwoĞci noĞnej. W przypadku
urządzeĔ Bluetooth minimalna czĊstotliwoĞü pracy wynosi 2,4 GHz, maksymalna zaĞ 2,4835 GHz. Pasmo to podzielono na 79 kanaáów rozmieszczonych z odstĊpem 1 MHz. Przeskoki miĊdzy czĊstotliwoĞciami odbywają siĊ 1600 razy na sekundĊ. Czas pracy w jednym kanale (tzw. szczelina czasowa albo ang. Time Slot) wynosi 625 µs.
Technika DSSS wykorzystuje pojedynczy, przydzielony na staáe kanaá pasma transmisyjnego o szerokoĞci 22 MHz. Technika ta polega na rozpraszaniu widma sygnaáu w kanale poprzez kodowanie podciągów bitów przesyáanej informacji za pomocą okreĞlonych sekwencji symboli (ang. chip sequence). Standard 802.11b umoĪliwia wyĪsze szybkoĞci nominalne transmisji w tych samych kanaáach radiowych w paĞmie ISM 2,4 GHz: 5,5 Mb/s oraz 11 Mb/s, dziĊki zastosowaniu techniki modulacji CCK (ang. Complementary Code Keying), kodującej odpowiednio 4 lub 8 bitów pojedynczym symbolem modulacji CCK (sekwencją oĞmiu symboli QPSK).
Standard IEEE 802.11b pozwala takĪe na transmisjĊ w technice FHSS, lecz jest ona stosunkowo rzadko stosowana, ze wzglĊdu na znaczne zmniejszenie szybkoĞci transmisji (do 1 Mb/s jak w BT). Pozwala teĪ na uĪycie w pojedynczym kanale mocy do 100mW.
Standard BT definiuje trzy klasy urządzeĔ (klasa 1: 100 mW; klasa 2: 2,5 mW; klasa 3: 1 mW), które ze wzglĊdu na moc nadajnika posiadają róĪne zasiĊgi pracy (odpowiednio do 100 m, 10 m i 10 cm). Analizując powyĪsze wartoĞci teoretyczne, moĪna zauwaĪyü znacząco wyĪszą wartoĞü maksymalną gĊstoĞci mocy w pojedynczym kanale BT niĪeli w kanale Wi-Fi.
Standard Bluetooth zapewnia poáączenia typu punkt-punkt oraz punkt-punkt-wielopunkt-punkt opierające siĊ na koncepcji pikosieci (ang. piconet). Jest to topologia gwiaĨdzista z centralnym pojedynczym urządzeniem nadrzĊdnym (ang. master), komunikującym siĊ z jednym lub wieloma urządzeniami podrzĊdnymi (ang. slave), tworzona i modyfikowana w czasie jej pracy na zasadzie ad-hoc. Dla zapewnienia moĪliwoĞci komunikacji pomiĊdzy pikosieciami przewidywane jest tworzenie topologii zdefiniowanej jako (ang.) scatternet, zbudowanej z wielu pikosieci poáączonych przez urządzenia peániące funkcjĊ mostu (ang. bridge).
2006
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7 - 8 grudnia 2006
Celem zapewnienia wiĊkszej efektywnoĞci, dla funkcjonujących w swoim zasiĊgu róĪnych technologii, opracowano tzw. mechanizmy koegzystencji (ang.
coexistence mechanisms). Mechanizmy koegzystencji
moĪna podzieliü na dwie grupy [4]:
Mechanizmy ze wspólną platformą wspóápracy (ang. Collaborative), wymagające wymiany informacji pomiĊdzy urządzeniami IEEE 802.11b i Bluetooth.
Mechanizmy bez wspólnej platformy wspóápracy (ang. Non-collaborative), które mogą byü adoptowane przez urządzenia 802.11b i/lub Bluetooth bez systemu bezpoĞredniej wspóápracy. W nastĊpnym rozdziale pokrótce scharakteryzowano poszczególne mechanizmy koegzystencji (na podstawie [3], [4]).
2. MECHANIZMY ZE WSPÓLNĄ PLATFORMĄ WSPÓàPRACY
Do mechanizmów wykorzystujących wspólną platformĊ wspóápracy (ang. Collaborative) zaliczamy [4]:
Naprzemienny dostĊp do medium (ang. Alternating
wireless medium access),
Mechanizm zarządzania ruchem PTA (ang. Packet
traffic arbitration),
Deterministyczny mechanizm táumienia interferencji (ang. Deterministic interference
suppression).
Naprzemienny dostĊp do medium AWMA (ang.
Alternating wireless medium access) w swoim dziaáaniu
desygnuje interwaáy czasu dla transmisji BT i 802.11b. Obecne rozwiązania nie pozwalają jednak na stosowanie tej metody wspóápracy. Aby ją stosowaü urządzenia wymagają modyfikacji. Sáabą stroną mechanizmu jest aspekt ograniczenia transmisji caáej podsieci BSS (IEEE 802.11b) dla interwaáu czasowego BT. Zaletami rozwiązania AWMA są:
podziaá czasu transmisji pomiĊdzy technologiami wymaga maáej liczby komunikatów sygnalizacji MAC pomiĊdzy BT i Wi-FI,
istnieje moĪliwoĞü adaptacji rozwiązania dla wielu róĪnych technologii.
802.11 BT 802.11 BT czas
Rys. 2. Ilustracja dziaáania mechanizmu AWMA
ħródáo: opracowanie wáasne na podstawie [4].
Mechanizm zarządzania ruchem PTA (ang. Packet
traffic arbitration) wykorzystuje mechanizm dynamicznego
planowania transmisji pakietów, który automatycznie dopasowuje transmisjĊ danej sieci do zmian, w zaleĪnoĞci od natĊĪenia ruchu BT i 802.11b. PTA wspiera poáączenia SCO (w ogólnoĞci w przeciwieĔstwie do AWMA). Dla
implementacji PTA potrzebna jest modyfikacja sterowników obu standardów (dla zapewnienia szybkiego przeáączania transmisji w czasie) w sposób niekonwencjonalny. 802.11 MAC Bluetooth Link Manager 802.11 PLCP + PHY Kontrola PTA Status Status Mechanizm wspóápracy Urządzenie 802.11 Urządzenie BT Potwierdzenie transmisji ĩądanie transmisji Bluetooth Baseband Potwierdzenie transmisji ĩądanie transmisji 802.11 MAC Bluetooth Link Manager 802.11 PLCP + PHY Kontrola PTA Status Status Mechanizm wspóápracy Urządzenie 802.11 Urządzenie BT Potwierdzenie transmisji ĩądanie transmisji Bluetooth Baseband Potwierdzenie transmisji ĩądanie transmisji
Rys. 3. Ilustracja idei dziaáania mechanizmu PTA
ħródáo: opracowanie wáasne na podstawie [4].
Ideą dziaáania deterministycznego mechanizmu
táumienia interferencji (ang. Deterministic interference
suppression) jest wstawianie zer w odbiorniku 802.11b na
czĊstotliwoĞciach, w których nadawany jest sygnaá BT. Odbiornik 802.11b musi znaü tablicĊ przeskoków BT FHSS oraz czas transmisji BT. Wiedza ta musi byü uzyskiwana poprzez implementacjĊ odbiornika BT, jako elementu odbiornika 802.11b.
3. MECHANIZMY BEZ WSPÓLNEJ PLATFORMY WSPÓàPRACY
Specyfikacja [4] definiuje takĪe mechanizmy bez wspólnej platformy wspóápracy (ang. Non-collaborative). Zaliczono do nich nastĊpujące metody:
Adaptacyjny mechanizm táumienia interferencji (ang. Adaptive interference suppression),
Adaptacyjny wybór pakietów (ang. Adaptive
packet selection),
Planowanie pakietów dla poáączeĔ asynchronicznych (ang. Packet scheduling for
ACL links),
Planowanie pakietów dla poáączeĔ synchronicznych (ang. Packet scheduling for SCO
links),
Adaptacyjna zmiana czĊstotliwoĞci przeskoków (ang. Adaptive frequency-hopping).
W adaptacyjnym mechanizmie táumienia interferencji (ang. Adaptive interference suppression), urządzenia
802.11b nie posiadają wiedzy a priori o czasie transmisji i czĊstotliwoĞci nadawania BT. Celem estymacji i eliminacji interferencji uĪywają filtru adaptacyjnego (patrz Rys. 4). DziĊki zastosowaniu filtru moĪliwe jest wyizolowanie interferencji wąskopasmowej z poĪądanego sygnaáu (np. IEEE 802.11b).
Rys. 4. Idea dziaáania filtru adaptacyjnego
ħródáo: opracowanie wáasne na podstawie[4].
Adaptacyjny wybór pakietów (ang. Adaptive packet
selection) polega na dynamicznym wyborze typu pakietu (w
áączach ACL lub SCO). Celem algorytmu jest osiągniĊcie maksymalnej przepáywnoĞü caáej sieci BT. W efekcie optymalizowana jest przepáywnoĞü pikosieci oraz redukowane są interferencje dla sieci 802.11b (tym samym zwiĊksza siĊ przepáywnoĞü tejĪe sieci1).
Planowanie pakietów dla poáączeĔ asynchronicznych (ang. Packet scheduling for ACL links) opiera siĊ na wstrzymywaniu transmisji pakietów BT dla czĊstotliwoĞci, które są wykorzystane przez Wi-Fi (lub inne Ĩródáo zakáóceĔ). Transmisja BT odbywa siĊ w momencie, gdy tablica przeskoków po czĊstotliwoĞciach pozwala na transmisjĊ w danym kanale bez kolizji z 802.11b (stan kanaáu oznaczony zostaá jako 'dobry' - patrz Rys. 5). Podobny schemat dziaáania zaproponowano dla poáączeĔ synchronicznych.
Rys. 5. Ilustracja dziaáania mechanizmu planowania pakietów dla poáączeĔ asynchronicznych
ħródáo: opracowanie wáasne na podstawie [4].
Adaptacyjna zmiana czĊstotliwoĞci przeskoków (ang.
Adaptive frequency-hopping) polega na unikaniu
wzajemnie zajĊtych pasm czĊstotliwoĞci przez dany
standard
1 Porównaj wpáyw interferencji na pracĊ rozproszonej sieci Bluetooth w
[9].
2
(patrz Rys. 6). Mechanizm ten jest efektywny przy zaimplementowaniu sprawnego systemu unikania zajĊtych czĊstotliwoĞci. Nieefektywny jest natomiast dla záoĪonych struktur rozproszonych (scatternetów) i wspóáistnienia wielu sieci Wi-Fi i BT (lub innych technologii). Tym samym AFH jest nie efektywnym mechanizmem wspóápracy dla przypadku, gdy znacząca czĊĞü pasma ISM jest zajĊta przez inne transmisje. Zaletą AFH jest niewątpliwy wpáyw na zwiĊkszenie przepáywnoĞci i minimalizacjĊ opóĨnieĔ (w niektórych scenariuszach). Z drugiej strony AFH jest powolny, jeĪeli chodzi o zmiany w zaleĪnoĞci od warunków Ğrodowiska ISM. Niewątpliwą wadą AFH jest takĪe jego potrzeba dynamicznej komunikacji (m.in. wymiana ramek LMP) ze wszystkimi urządzeniami sieci, celem synchronizacji [8].
Kanaá 11 2462,0MHz C zĊ st o tl iw oĞ ü Czas 2400,0 MHz 2401,5 MHz 2480,5 MHz 2483,5MHz Czas
A) Transmisja Bluetooth bez AFH B) Transmisja Bluetooth z AFH
Transmisja IEEE 802.11b
Rys. 6. Ilustracja dziaáania algorytmu AFH w transmisji Bluetooth
ħródáo: opracowanie wáasne.
4. INNE MECHANIZMY
W literaturze moĪna spotkaü przykáady innych mechanizmów wspóápracy. PoniĪej wylistowano podstawowe z nich.
Kontrola poziomu mocy sygnaáu
o Urządzenia 802.11 i/lub BT ograniczają swoje moce transmisyjne do poziomu umoĪliwiającego wymianĊ informacji w danej sieci (lub osiąganie danej przepáywnoĞci).
o Urządzenia dopasowują dáugoĞü nadawanych pakietów (np. [6]).
Fragmentacja pakietów w 802.11b (m.in. [7])
o MoĪe wpáynąü na zmniejszenie prawdopodobieĔstwa kolizji poprzez redukcjĊ rozmiaru ramek 802.11b.
o Dynamicznie dopasowuje rozmiar ramek w sieci Wi-Fi celem minimalizacji liczby kolizji pakietów z siecią BT.
o Bardzo efektywne dla przypadku, kiedy urządzenie zakáócające BT jest blisko odbiornika oraz wáaĞciwa fragmentacja jest realizowana przez zdalny nadajnik (np. punkt dostĊpu).
Dopasowanie kierunkowoĞci anten (za [5])
o W przypadku kiedy urządzenia są poáączone, to moĪliwe jest ukierunkowywanie anten nadawczych celem zmniejszenia poziomu interferencji.
2 Dla technologii BT 1.2/2.0 zaproponowano, iĪ to wáaĞnie urządzenia
5. PORÓWNANIE MECHANIZMÓW
We wczeĞniejszych rozdziaáach opisano pokrótce wady i zalety wymienionych mechanizmów koegzystencji. W literaturze istnieje stosunkowo niewiele pozycji porównujących róĪne metody koegzystencji sieci BT oraz IEEE 802.11b. W [10] porównano algorytm oparty o wspólną platformĊ wspóápracy (modyfikacja PTA) oraz mechanizm bez platformy wspóápracy zaimplementowany w sieci Wi-Fi. Wszystkie testy [10] pokazaáy, iĪ mechanizmy oparte o wspólną platformĊ wspóápracy zwiĊkszają efektywnoĞü sieci funkcjonujących w bliskim otoczeniu (w stosunku do mechanizmów nie zaleĪnych od platformy wspóápracy).
W [8] porównano efektywnoĞü algorytmów bez wspólnej platformy wspóápracy, tj. mechanizmu planowania pakietów BT oraz AFH. Badania utwierdzają w przekonaniu, iĪ algorytm AFH jest bardziej odpowiedni do powolnych zmian w Ğrodowisku ISM, kiedy to ta sama sekwencja zmian czĊstotliwoĞci moĪe byü uĪywana przez dáugi okres czasu. Z drugiej strony w Ğrodowisku, gdzie stopieĔ interferencji zmienia siĊ stosunkowo szybko powinien byü aplikowany algorytm planowania pakietów (odpowiednio dla poáączeĔ asynchronicznych i synchronicznych) [8].
6. PODSUMOWANIE
Dotychczas zaproponowano wiele mechanizmów, które w swoim zaáoĪeniu mają usprawniaü pracĊ róĪnych technologii wspóáistniejących w Ğrodowisku ISM. W zaleĪnoĞci od warunków panujących w Ğrodowisku ISM aplikowane mogą byü róĪne algorytmy. Z przytoczonej literatury wnioskowaü moĪna, iĪ algorytmy oparte o wspólną platformĊ wspóápracy mogą zapewniü wiĊkszy stopieĔ efektywnoĞci wspóápracy róĪnych standardów. Są one za to obarczone wiĊkszą záoĪonoĞcią implementacji i wymagają wymiany informacji pomiĊdzy róĪnymi technologiami. Jednak w obliczu wzrastającej liczby technologii wykorzystujących pasmo ISM (tj. ZigBee [11], IEEE802.15.4 [12]) oraz upowszechniania tych rozwiązaĔ moĪna postawiü tezĊ, iĪ kierunek rozwoju technologii powinien dąĪyü do tworzenia rozwiązaĔ opartych o wspólną platformĊ wspóápracy. Wnioski takie moĪna poprzeü takĪe badaniami nad wspóáistnieniem BT i Wi-Fi z innymi systemami, tj. np. IEEE802.15.4 (wiĊcej w [13]). W dalszych pracach autor planuje opracowanie usprawnieĔ dla mechanizmów wspóáistnienia BT z technologią 802.11b tak, aby poprawiü efektywnoĞü wspóáistniejących sieci BT i 802.11b.
SPIS LITERATURY
[1] Bluetooth SIG, Inc., Specification of the Bluetooth
System, Specification Volume 1: Core Version 1.1,
22 lutego 2001, http://www.Bluetooth.org
[2] IEEE, LAN Medium Access Control (MAC) and
Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band, 1999,
http://standards.ieee.org
[3] L. Ophir, Y. Bitran, I. Sherman, Wi-Fi (IEEE802.11)
and Bluetooth Coexistence: issues and solutions, IEE
Conference Proceeding, Volume 2, 5-8 Sept. 2004 str.: 847 - 852 Vol.2.
[4] IEEE, Coexistence of Wireless Personal Area Networks with Other Wireless Devices Operating in Unlicensed Frequency Bands, 28 sierpnia 2003 r.
[5] Matheus, K.; Zurbes, S.; Co-existence of Bluetooth
and IEEE 802.11b WLANs: results from a radio network testbed, The 13th IEEE International
Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2002. Volume 1, 15-18 Sept. 2002 str.:151 - 155 vol.1
[6] Stranne, A.; Edfors, O.; Molin, B.-A.; Energy-based
interference analysis of heterogeneous packet radio networks, IEEE Transactions on Communications,
Volume 54, Issue 7, July 2006 str.:1299 – 1309 [7] Howitt, I.; Awad, F.; Optimizing IEEE 802.11b
packet fragmentation in collocated Bluetooth interference, IEEE Transactions on Communications,
Volume 53, Issue 6, June 2005 str.:936 – 938 [8] Golmie, N.; Rebala, O.; Chevrollier, N.; Bluetooth
adaptive frequency hopping and scheduling, IEEE
Military Communications Conference, 2003. MILCOM 2003., Volume 2, 13-16 Oct. 2003 str.:1138 - 1142 Vol.2
[9] T. Klajbor, EfektywnoĞü scatternetu Bluetooth
wspóáistniejącego z siecią IEEE 802.11b, XIV
Konferencja Sieci i Systemy Informatyczne, àódĨ, 19-20 PaĨdziernika 2006 r., str. 57-60.
[10] Chiasserini, C.F.; Rao, R.R.; A comparison between
collaborative and non-collaborative coexistence mechanisms for interference mitigation in ISM bands,
Vehicular Technology Conference, 2001. VTC 2001 Spring. IEEE VTS 53rd, Volume 3, 6-9 May 2001 str.:2187 - 2191 vol.3
[11] http://www.zigbee.org
[12] IEEE Std 802.15.4-2003, IEEE Standard, Wireless
Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)
[13] Sikora, A.; Groza, V.F.; Coexistence of IEEE802.15.4
with other Systems in the 2.4 GHz-ISM-Band,
Proceedings of the IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2005. IMTC 2005, Volume 3, 16-19 May 2005 str.:1786 - 1791
