问题

为什么WiFi 和 Bluetooth 都在 2.4GHz 频段下使用,但没有干扰?

回答
这可不是什么魔法,WiFi 和蓝牙能在同一片 2.4GHz 的天空下和平共处,背后其实是它们各自运用了非常聪明的设计和技术。你可以想象一下,2.4GHz 就像一个拥挤的城市街道,大家都在上面跑,但各有各的道,各有各的规矩,所以倒也相安无事。

最关键的一点,也是它们不互相干扰的基石,在于它们使用不同的通信方式和协议。

1. 信号的“说话方式”不同:

WiFi 更像是一场大声的演讲,一次性把大量数据打包发送出去,追求的是高带宽、高吞吐量。它需要稳定的连接,一次发送很多信息才能有效率。为了实现这一点,WiFi 使用了更复杂的调制解调技术(比如 OFDM),将数据信号分成许多小部分,通过不同的子载波同时传输。想象成一个人在台上用麦克风讲话,声音响亮而稳定,能让远处的听众都听清楚。

蓝牙 则更像是在窃窃私语,或者说更像是两人之间的简单对话。它的目标是低功耗、短距离的设备连接,比如耳机、鼠标、键盘。蓝牙一次传输的数据量不大,更看重的是连接的稳定性和省电。它使用一种叫做跳频扩频 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) 的技术。这个名字听起来有点吓人,但原理很简单:蓝牙设备会非常快速地在 2.4GHz 频段内的多个信道之间不断切换。就像在城市街道上,蓝牙信号不是一直走同一条路,而是像个灵活的骑手,一会儿走这条巷子,一会儿又钻到另一条街。

2. 信道划分的策略不同:

2.4GHz 频段虽然只有一个,但它被划分成了多个不同的信道。你可以把这理解成城市街道上的不同车道。

WiFi 通常会选择相对宽阔的信道来传输数据,并且一旦选定一个信道,它会尽量长时间地保持在这个信道上,以保证数据传输的连续性。WiFi 标准(如 802.11b/g/n/ac/ax)定义了不同数量和宽度的信道。在 2.4GHz 频段,有 11 个(或 13 个,取决于地区)理论上的信道,但因为 WiFi 的信道宽度比较大,所以相互之间会存在重叠。这就是为什么在同一个区域,如果多个 WiFi 网络同时工作,它们之间可能会产生一些干扰,需要手动选择不那么拥挤的信道来优化连接。

蓝牙 的跳频技术恰恰是为了应对这种信道重叠和潜在干扰而设计的。它不像 WiFi 那样“固守”某一个信道。蓝牙设备会按照预设的伪随机跳频序列,每隔几毫秒(通常是 625 微秒)就换一个信道。如果一个信道恰好被 WiFi 占用了,蓝牙信号会很快跳到另一个相对空闲的信道,从而大大降低了被干扰的概率。而且,蓝牙的信道宽度也比 WiFi 要窄。

3. 信号强度和覆盖范围的差异:

通常情况下,WiFi 的信号强度会比蓝牙强很多,覆盖范围也更广。

WiFi 的设计目标是为房间、楼层甚至整个家庭或办公室提供网络连接,因此它的发射功率相对较大,信号传播的范围也更远。

蓝牙 则主要用于近距离通信,它的发射功率较低,覆盖范围也有限。这使得蓝牙信号的影响范围相对局限,不太容易“波及”到远处的 WiFi 信号。而且,WiFi 设备在接收到信号时,会更倾向于处理那些强度更强的信号,对弱得多的蓝牙信号相对“不那么在意”。

4. 错误纠错和重传机制:

即使在复杂的无线环境中,无论是 WiFi 还是蓝牙,都内置了强大的错误纠错和重传机制。

如果信号在传输过程中发生了一些小的衰减或干扰,导致数据包出现错误,这些设备不会就此放弃。它们会利用纠错码来尝试修复损坏的数据。

如果错误过于严重无法纠正,它们会请求发送方重新发送。这种机制虽然会增加一些延迟,但能确保数据的准确性,让通信不至于因为偶尔的干扰而中断。

打个比方总结一下:

想象一个大舞台(2.4GHz 频段):

WiFi 就像是站在舞台中央的一个大嗓门歌唱家,他唱一首完整的歌曲(传输大量数据),他需要一个稳定的音响设备(宽信道)来保证声音清晰,并且尽量不被别人打断。
蓝牙 就像是舞台边缘的两个人在用对讲机交流,他们的话题(数据量)很短,而且他们会非常快速地在不同的麦克风(信道)之间切换说话。即使某个麦克风被歌唱家占用了,他们也能很快换到另一个空的,而且他们的声音本来就比较小,不容易被歌唱家的声音完全盖过。

所以,WiFi 和蓝牙能够共存,并不是因为它们完全避开了对方,而是因为它们在通信方式、信道使用策略、信号特性和错误处理机制上都做了非常精心的设计,让它们能够在同一个频段下,以各自的方式高效、稳定地工作。它们是“各司其职”,在共享的“资源”中找到了各自的生存之道。

网友意见

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最近工信部发了个通知,针对蓝牙Wi-Fi频段干扰,正好让我们一窥干扰问题是怎么解决的。

继续看这个文件,

第四条这里提到了两种频率共存避免干扰所需的技术:发射功率控制动态频率选择。不过这是针对5.1GHz波段的。对于题主所问2.4GHz设备,我们要看附件2。

附件2是一个充满术语,公式,表格的技术文档。所以我们忽略细节,只看标题。其中第一、二、四节是和2.4GHz设备有关的:

第一节,发射前搜寻。里面分三个小部分,分别是跳频技术、基于帧结构非跳频技术、基于负载非跳频技术。

第二节,监测和避让。里面分两个小部分,分别是跳频技术和非跳频技术。

第四节:限制等效占用率

综上所述,在这里使用的技术有

  1. 发射功率控制
  2. 动态频率选择
  3. 发射前搜寻
  4. 检测与避让
  5. 限制占用率

看完了通知,现在来看看实际空中信号的样子。我先从网上搜索得到的一张蓝牙信号和Wi-Fi信号的频谱图:

信号相当干净。上方叫“频谱图”,横轴是频率,纵轴是信号强度。下面的彩图叫“频谱瀑布图”,横轴和上面的频谱一样是频率,而信号强度用颜色表示,越亮信号越强。纵轴是时间,工作时彩图不断地向下平移,最新的情况在最上面,像瀑布一样。

频谱图上那些【蓝色的牙】就是蓝牙的跳频信号。右侧那个【巨大的波】是Wi-Fi。注意瀑布图,这些信号随时间不断跳动,尤其Wi-Fi信号只有两次突发传输。

我又把我手边的频谱仪调到2.4GHz波段,随便截了两张图,这就是此时此刻我桌子上的真实信号:

这张图覆盖了2459~2479MHz共20MHz的带宽,左半部分是就是传说中的Wi-Fi第11频道,中心频率2462 MHz。11频道右侧12频道,中心频率2467,有部分频谱和11频道重合。再右侧中心频率2472的13频道明显要空闲一些。

可以看到宽带的Wi-Fi信号,是猝发传输的。使用相同频道的不同Wi-Fi分时使用信道。图中还能看到普通的20MHz带宽Wi-Fi和霸气的40MHz带宽高速Wi-Fi。

右面有几条蓝牙传输,蓝牙的带宽是1MHz,和Wi-Fi相比窄了很多。这些蓝牙躲开了繁忙的11、12频道,躲在频率较高的右侧。但也免不了偶尔被40MHz的高速Wi-Fi骚扰一下。

这张图显示了繁忙的Wi-Fi 6频道和较为空闲的Wi-Fi 4频道。注意2426MHz那个信号比较强的蓝牙,在4频道空闲的间隙里传输。

为了答谢大家的赞,特地买了低噪放,改进设备更新一张图:这次蓝牙信号看得更清晰,能清楚地看到蓝牙信号在WIFI的时间间隙、频率空隙中传输。


下面是我的BB时间:

现在的Wi-Fi和蓝牙基本都使用了上述手段中的一种或多种,可以在物理层减少干扰。除此之外,应用纠错编码、出错重发等手段,进一步提高干扰环境下的通信性能。

实际使用中,如果发射信号的无线网卡距离蓝牙鼠标的接收机太近(几厘米这种),强大的WIFI信号可能会阻塞掉蓝牙接收机,导致蓝牙键鼠失灵,这是最容易感受到的有害干扰。总之通过各种手段把干扰控制在可以接受的范围内,就可以做到频率共存共同使用。

最后不忘作为业余无线电爱好者,根据划分和IARU的建议,2.4GHz有50MHz共用频谱用于业余卫星,而5.8GHz上共用问题要严重一些,全部频率都在业余划分之内。理论上频谱使用权是 有执照的WiFi等应用 = 其他主要业务 > 业余电台 >≈ 无需执照的应用。工作在这里的业余电台也应该通过频率选择,开发新的业余无线电技术等手段,共享频谱资源。

不同用户共享频率,充分利用无线电频谱资源是我们的目标,是技术进步的方向。

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