Problemy z działaniem sieci bezprzewodowych w bliskim sąsiedztwie

Oba rozwiązania w zakresie wykonywanych zadań doskonale się uzupełniają, nie stanowiąc dla siebie konkurencji. Dąży się więc do zmniejszenia negatywnych skutków oddziaływania obydwu sieci na siebie nawzajem. Żadne z nich nie było pierwotnie wyposażone w mechanizmy przeciwdziałające tego typu zakłóceniom, jednak konieczność występowania obydwu typów sieci w bliskim sąsiedztwie zmusiło producentów to szukania skutecznych rozwiązań tego problemu.

Źródło problemu

Rys. 1a. Szybkość transmisji danych dla WiFi w różnych odległościach od nadajnika Bluetooth.

WiFi oraz Bluetooth operują na tych samych zakresach częstotliwości fal, istnieje więc duże zagrożenie wystąpienia interferencji. Obydwie technologie korzystają z pasma 2,4GHz o szerokości 83MHz. WiFi operuje na 12 nachodzących na siebie kanałach o szerokości 22MHz każdy, podczas gdy Bluetooth wykorzystuje 79 kanałów o szerokości 1 MHz. Istotną różnicą jest to, iż WiFi korzysta z systemu bezpośredniego rozpraszania widma DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), który zajmuje szersze pasmo i nie zmienia częstotliwości podczas swojej pracy. W danej przestrzeni mogą operować co najwyżej trzy, niezachodzące na siebie kanały. Bluetooth, korzystający z techniki FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), może dowolnie zmieniać częstotliwość pracy. Urządzenie nadaje sygnał w pojedynczym kanale przez kilkaset mikrosekund, następnie zmienia częstotliwość na inny kanał. W ten sposób standard Bluetooth wykorzystuje dostępne spektrum w postaci 79 kanałów o szerokości 1 MHz każdy. Ponieważ szerokość kanału wykorzystywanego przez 802.11g jest równa 22MHz, 22 z 79 wykorzystywanych przez Bluetooth kanałów jest narażonych na interferencje.

Skutki

Rys. 1b. Szybkość transmisji danych dla Bluetooth w różnych odległościach od nadajnika WiFi.

Jak wynika z rysunku 1, obecność nadajnika Bluetooth już w odległości 10m od nadajnika WiFi ma negatywny wpływ na pracę tej sieci. W tym przypadku spadek przepustowości łącza wzrasta wraz z odległością. Przy niewielkich dystansach od nadajnika WiFi jest to oddziaływanie minimalne, znaczną redukcje sprawności zaobserwowano przy transmisji danych na odległości rzędu kilkudziesięciu metrów. Jeśli jednak nadajnik Bluetooth umieścimy w odległości 2 cm, oddziaływanie to będzie o wiele bardziej negatywne w skutkach. Działanie sieci zostaje ograniczone do niewielkich odległości przy zmniejszonej przepustowości.

Bluetooth działając w odległości 10m od nadajnika WiFi nie wykazuje gorszych parametrów pracy. Jednak przy zmniejszeniu tej odległości do 2cm następuje znaczne ograniczenie przepustowości nawet dla krótkiego zasięgu.

Wystąpienie interferencji nie powoduje zatrzymania przepływu danych w sieci - protokoły komunikacyjne posiadają mechanizmy sprawdzania poprawności oraz korekcji błędów. Powoduje to jednak zmniejszenie przepustowości i zwiększa niepotrzebny ruch w sieci.

Rys. 2. Sieci Bluetooth i WiFi bez AFH (a) i po zastosowaniu tej metody (b).

Adaptive Frequency Hopping

Czas poświęcony na badanie wzajemnej interferencji oraz stworzenie odpowiednich mechanizmów zapobiegających było jednym z czynników opóźniających wprowadzenie na rynek urządzeń Bluetooth. Adaptive Frequency Hopping (AFH), była jedną z pierwszych metod ochrony tego standardu przed wpływem interferencji ze strony WiFi. W przypadku sąsiedztwa sieci bezprzewodowej korzystającej ze stałego zakresu częstotliwości, skutkiem częstych zmian kanałów są przypadkowe kolizje. Metoda AFH została zaprojektowana w celu wykluczenia kanałów będących w stałym użyciu przez inne urządzenia. Jest to, zatem skuteczna ochrona przed wpływem sieci WLAN oraz innych systemów korzystających stale z jednego zakresu spektrum fal. Działanie AFH opiera się na ograniczeniu liczby kanałów używanych przez Bluetooth, przez co są one w całości dostępne dla innych systemów, takich jak WLAN. Dostępne kanały są klasyfikowane według poziomu interferencji i algorytm AFH pozwala na użytkowanie tylko tych częstotliwości, w których zakłócenia nie wpływają znacząco na jakość sygnału. Po rozpoznaniu bezpiecznych kanałów, z sekwencji kolejnych zmian częstotliwości usuwane są nieprzydatne zakresy. Ponieważ specyfikacja Bluetooth wymaga do prawidłowego przesyłania informacji przynajmniej 15 z 79 dostępnych kanałów, ograniczenie ich liczby nie wpływa negatywnie na szybkość transferu. Jako że warunki pracy urządzeń bezprzewodowych są nieprzewidywalne i mogę często się zmieniać, okresowo wykonywane jest oszacowanie sprawności wszystkich kanałów.

Dodatkowym wymogiem wprowadzonym przez AFH jest to, iż urządzenia Bluetooth typu master i slave komunikują się ze sobą przy użyciu tego samego kanału. Stanowi to zabezpieczenie przed sytuacją, kiedy jedno z komunikujących się ze sobą węzłów wykorzystuje zakres częstotliwości, w którym występuje interferencja. Może to doprowadzić do konieczności częstych retransmisji danych. Ponadto, urządzenia typu slave zwolnione są z konieczności klasyfikacji kanałów – funkcję tą w całości przejmuje urządzenie master. Upraszcza to przyporządkowywanie kanałów do poszczególnych zadań.

Obecnie w celu identyfikacji bezpiecznych kanałów używa się dwóch metod. Pierwsza z nich, RSSI (Receive Signal Strength Indicator), opiera się na pomiarze mocy sygnału docierającego do odbiornika. Innym sposobem podziału jest metoda PER (Packer Error Rate), dokonująca selekcji na podstawie liczby błędnych pakietów w przesłanych danych. Metoda ta jest mniej dokładna niż RSSI i może doprowadzić do krótkotrwałych przestojów w pracy sieci, jednak jej główną zaletą jest mniejsze zużycie energii przez układ elektroniczny realizujący pomiar.

AFH nie jest jednak pozbawiona wad. Nawet przy zastosowaniu AFH, wynikiem interferencji może być utrata danych. Wynika to z braku obsługi żądań ponownego przesłania błędnych pakietów. Ponieważ AFH nie gwarantuje pełnej ochrony przed tym zjawiskiem, problem transmisji głosu nie do został rozwiązany. Ponadto, w przypadku urządzeń operujących na zmiennych częstotliwościach, w tym innych nadajników Bluetooth, AFH nie stanowi dostatecznego zabezpieczenia. Kolejną wadą jest wrażliwość na przemieszczenia urządzeń Bluetooth i WiFi. AFH skutecznie chroni obydwie sieci przed interferencją tylko, gdy nadajniki znajdują się w stałej odległości od siebie.

Inne propozycje

Metoda AFH pozwala na skuteczne wyeliminowanie interferencji, jeśli nadajnik będący źródłem zakłóceń i odbiornik znajdują się w odległości co najmniej 2m. Przepustowość obu łącz maleje jednak wraz ze zmniejszaniem się dystansu między nimi. Jest to wystarczające dla większości zastosowań, jednak nowe technologie, jak VOWLAN (voice over WLAN) w notebookach, PDA lub telefonach komórkowych, wymagają zaimplementowania WiFi oraz Bluetooth w tym samym urządzeniu. O rosnącej popularności tego typu rozwiązań może świadczyć fakt, iż w Stanach Zjednoczonych trwają pracę nad implantacją WLAN w telefonach komórkowych w celu poprawy zasięgu, natomiast w niektórych europejskich krajach WLAN wykorzystuje się do pobierania danych w nowoczesnych modelach telefonów. Przewiduję się dużą popularność tej technologii w zastosowaniu biznesowym z powodu znacznych redukcji wydatków związanych z komunikacją. W przypadku tego typu rozwiązań granica 2m pomiędzy urządzeniami Bluetooth, a WiFi jest niemożliwa do utrzymania i AFH nie jest w stanie zapewnić dostatecznej przepustowości. W odpowiedzi powstały dwie kategorie mechanizmów umożliwiających poprawne działanie obydwu sieci w niewielkich odległościach od siebie. Do pierwszej grupy należą mechanizmy zakładające wzajemną wymianę informacji pomiędzy urządzeniami WiFi, a Bluetooth w celu redukcji wzajemnej interferencji. Drugą grupę stanowią rozwiązania opierające się na samodzielnym, niezależnym działaniu w ramach jednego węzła sieci.

Techniki nieuwzględniające wymiany informacji pomiędzy obydwoma urządzeniami są przewidziane dla sytuacji, kiedy oba nadajniki znajdują się w niewielkiej odległości od siebie. Poza wymienionym wyżej AFH, należy do nich także Adaptive Packet Selection and Scheduling (APSS), ulepszenie standardu Bluetooth, polegające na dostosowaniu typu wysyłanego pakietu do kondycji aktualnie używanego kanału. Ponieważ jest to metoda implementowana w warstwie MAC, nie ma konieczności ingerencji w fizyczną budowę urządzenia. Poprzez odpowiednie dobranie długości pakietu oraz stopnia korekcji błędów możliwe jest uzyskanie lepszej przepustowości i stabilniejszego działania sieci. Używając krótszych pakietów, w przypadku wystąpienia zakłóceń, zmniejsza się liczba bitów, która musi być ponownie przesłana. Jeśli Bluetooth działa w sąsiedztwie WiFi, większość błędów jest efektem zderzeń danych w eterze, a nie przypadkowych zakłóceń. Tak więc nagłówek FEC jest w tej sytuacji bezużyteczny. Zrezygnowanie z korekcji błędów pozwala polepszyć sprawność sieci i zmniejszyć liczbę przesyłanych bitów.

Dodatkowo, APSS utrzymuje tablicę używanych kanałów, z podziałem na dobre i złe częstotliwości, podobnie jak metoda AFH. Co określony czas urządzenia typu master i slave wymieniają dane z tablic. Pozwala to z zaplanować transmisje tak, aby uniknąć interferencji na kanałach zajmowanych przez inne sieci.

Mimo iż APS nie gwarantuje pełnej ochrony przed interferencją, potrafi znacznie zmniejszyć ryzyko jej wystąpienia. Dodatkową zaletą jest oszczędność energii, jeśli transfer nie odbywa się na kanałach gdzie możliwa jest interferencja. Istotnym ograniczeniem tej metody jest jednak niemożliwość jej stosowania przy transferze pakietów typu SCO (synchronous connection oriented). Wykorzystywane są one do przesyłania mowy i opóźnienia wynikające z czekania na „dobre” kanały zbytnio obniżają jakość dźwięku.

Kontrola mocy sygnału oraz prędkości przesyłania może się także przyczynić do zmniejszenia zjawiska interferencji. Dąży się, aby urządzenia Bluetooth oraz WiFi utrzymywały moc sygnału na najniższym możliwym poziomie, pozwalającym na prawidłowy transfer danych. Jeśli w danej częstotliwości wartość mocy przesyłanego sygnału jest zbyt duża, zmniejsza się pojemność tego zakresu i zwiększa ryzyko interferencji. W większości przypadków odległość pomiędzy urządzeniami w sieci nie zmienia się gwałtownie, możliwe jest więc utrzymanie minimalnej mocy sygnału bez zmniejszenia wydajności sieci. Obecnie wszystkie urządzenia 802.11b są wyposażone w mechanizmy skalowania prędkości przesyłu, np. do 1, 2, 5,5 i 11Mb/s. Prędkość transmisji jest zmieniana w zależności od warunków panujących w danym zakresie spektrum. Domyślnie, urządzenie stara się wysyłać dane z największą możliwą prędkością. Jeśli jednak prawidłowy odbiór danych jest nie możliwy, transfer jest spowalniany. Zmniejsza to przepustowość sieci, jednak ogranicza liczbę błędnie przesłanych pakietów.

Obiecująco przedstawiają się wyniki prac nad metodami opierającymi się na wzajemnej wymianie danych i współpracy urządzeń Bluetooth oraz WiFi w celu uniknięcia interferencji. Komunikacja ta może odbywać się poprzez odpowiednią modyfikację sterowników urządzeń, niekiedy wymaga jednak ingerencji w warstwę sprzętową nadajnika. W przypadku podzespołów pochodzących od różnych producentów, możliwa jest tylko poprzez standaryzację rozwiązań komunikacyjnych. Istotnym ograniczeniem jest fakt, iż obydwa nadajniki muszą się znajdować w jednym urządzeniu. Jest to spowodowane koniecznością szybkiej wymiany informacji oraz dokładnej koordynacji pracy nadajników, realizowanej przy pomocy połączenia kablowego. Z tego powodu propozycje tego typu znajdują zastosowanie szczególnie w notebookach, gdzie implementacja sieci Bluetooth i WLAN jest dziś powszechna.

TDMA, AWMA, MEHTA....

Technika TDMA (Time Division Multiple Access) polega na naprzemiennej transmisji WiFi i Bluetooth. Obydwie sieci mogą nadawać sygnał w krótkich odcinkach czasu, przez co przepustowość sieci znacznie maleje. Jest to metoda skutecznie eliminująca interferencje, jednak z powodu spadku szybkości przesyłu danych, nie pozwala na prawidłowy transfer pakietów SCO.

Kolejną metodą umożliwiającą poprawne współdziałanie obydwu sieci jest AWMA (Alternating Wireless Media Access). Mechanizm ten opiera się na podziale czasu nadawanie pomiędzy WLAN a Bluetooth przez aplikację wyższego poziomu. Pierwszy segment czasu wykorzystywany jest przez WiFi, natomiast Bluetooth ogranicza transmisję danych do drugiej części. Jednostka kontrolna znajduje się w warstwie MAC nadajnika WiFi i w określonym czasie przesyła sygnały kontrolne do urządzenia Bluetooth. W celu synchronizacji, wszystkie urządzenia sieci WLAN powinny być podłączone do jednego access point. Dodatkowym warunkiem jest, aby wszystkie węzły Bluetooth w obrębie sieci WiFi były typu master.

Wadą tego rozwiązania jest niedostateczne zwiększenie przepustowości dla transmisji pakietów typu SCO. Dane tego typu charakteryzują się stałym przedziałem czasu potrzebnym na przesłanie informacji, przekraczającym zwykle przedział dostępny dla Bluetooth w technice AWMA. Ponadto urządzenie Bluetooth typu slave może przekazać pakiety tego typu tylko, jeśli otrzyma pozwolenie od węzła typu master. To urządzenie z kolei musi otrzymać pozwolenie transmisji od urządzenia WLAN. Nieregularny przydział czasu nadawania dla Bluetooth w metodzie AWMA uniemożliwia prawidłową transmisję głosu.

Rozwiązaniem tego problemu jest PTA (packet-traffic arbitration), oparta na kontroli MEHTA (hebrajskie słowo oznaczające ‘przewodnik’). Jest to technika polegająca na zarządzaniu przesyłaniem pakietów ze względu na przydzielony im priorytet. MEHTA opiera swoje działanie na niezależnym kontrolerze monitorującym ruch obydwu sieci i zbierającym informację na temat pracy każdej z nich. Każda próba wysłania danych przez nadajnik Bluetooth lub WiFi jest przekazywana do kontrolera w celu uzyskania zgody na transfer. Umożliwia to dokładną kontrole czasu przeznaczonego do wysłania pakietów danej sieci. Każdy pakiet ma przydzielony priorytet, ustalany poprzez porównanie go ze stanem danych czekających na przesłanie w ramach drugiej sieci. Wymaga to stałej kontroli warstwy MAC nadajnika oraz znajomości kanału, z którego korzysta Bluetooth, w celu przewidzenia możliwej kolizji.

Najważniejszą zaletą techniki MEHTA jest obsługa pakietów SCO. Są one traktowane priorytetowo względem danych sieci WiFi. W trakcie przesyłania głosu, przesyłanie pakietów sieci WLAN jest wstrzymywane. W innym wypadku, to sieć WLAN ma pierwszeństwo względem Bluetooth.

Implementacja PTA/MEHTA jest skomplikowana oraz wymaga mechanizmu transmisji sygnałów pomiędzy nadajnikami obydwu sieci i kontrolerem, jednak potencjalne zyski wydajności rekompensują tą wadę. Ponieważ kompatybilność tych urządzeń jest sprawą kluczową, zalecane jest korzystanie z wyrobów jednego producenta.

Istnieją także rozwiązania, polegające na głębszej ingerencji w budowę nadajników. Jedną z takich metod jest modyfikacja kierunku wysyłania fal przez antenę WiFi. Wymaga to odpowiedniego rozmieszczenia nadajników w przestrzeni, jednak pozwala znacznie zmniejszyć bezpieczną odległość między nimi.

Oprócz metod umożliwiających zredukowanie prawdopodobieństwa wystąpienia interferencji, istnieją techniki polegające na redukcji jej skutków. Szeroko używaną metodą w urządzeniach bazujących na falach radiowych jest adaptacyjna eliminacja interferencji AIC (Adaptive Interference Cancellation), implementowana w warstwie fizycznej urządzenia. Innym przykładem jest technika ukrywania błędów. Znajduje ona zastosowanie w przypadku przesyłania głosu, pozwalając zmniejszyć następstwa nieprawidłowego przesyłu pakietów.

Ponieważ współistnienie sieci Bluetooth oraz WiFi jest konieczne z powodu szerokiego zastosowania obydwu rozwiązań, firmy operujące na rynku urządzeń mobilnych są aktywnie zaangażowane w poszukiwanie skutecznych rozwiązań problemu interferencji. Ponadto, Bluetooth SIG oraz IEEE 802 Working Group współpracują w celu poprawy kooperacji obydwu sieci i ujednolicenia metod niwelujących wzajemne zakłócenia. Wymienione w artykule techniki nie rozwiązują w pełni problemu, jednak ich kombinacja pozwala znaczącą zmniejszyć niedogodności związane z interferencją.

Jacek Dębowski