（信号与信息处理专业论文）基于蓝牙ad+hoc网络的baodv路由算法的研究.pdf

本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成论文所用的一 切资料均己在参考文献中列出。 作者：麦汉荣 签字： 2 0 0 8 年4 月1 5 日 五邑大学硕士学位论文 摘要 为了提高蓝牙a dh o c 的建网效率，填补蓝牙技术与传统无线移动a dh o c 按需路 由协议不兼容的空缺，首次提出了基于蓝牙技术的a o d v 路由协议算法( b a o d v ： b l u e t o o t h a o d v ) ：把蓝牙底层协议所特有的跳频技术、查询及其扫描技术、寻呼及其 扫描技术以及连接进程融入至a dh o e 的传统路由协议a o d v 中，使蓝牙节点具有了 按需路由的特点。 利用a o d v 的h e l l o 机制，在蓝牙节点空闲状态时启动查询机制搜寻邻居拓扑 信息；有数据分组发送请求时，节点只对已发现邻居启动寻呼进程交换控制分组消息； 通过h o pc o u n t 的奇偶特性在b r r e p 回送过程中确定路由链路的主从角色；从从 桥链路和主从桥链路分别实现了路由路径中数据分组传送的角色分配以及在路由建 立及维护过程中控制分组的传送：新邻居节点列表的引入解决了蓝牙协议1 主7 从的 拓扑限制。 采用n s 2 下的蓝牙仿真模块u c b t 对蓝牙b a o d v 的网络形成算法做出了仿真， 理论与实验研究初步表明：节点用于维护网络连通性的时间明显减少，节点的可发现 概率明显提高，并维持在一个较高的水平；随着节点数目的增加，b a o d v 网络形成 算法使主节点用于查询的时间更低，查询效率更优，时间的延长并不会使节点的查询 性能降低；b a o d v 的连接进程在较短的时延后趋于稳定。 该算法主要应用于移动性较弱的蓝牙a dh o c 网络，如何加快蓝牙a dh o c 网络的 快速收敛，增加网络的自愈速度为本论文提出新的挑战，是本论文进一步的研究方向。 关键词：无线通信技术；a dh o e 网络；蓝牙；a o d v ；网络形成 本文研究得到下列基金项目资助： 广东省教育厅自然科学基金项目：基于蓝牙技术的智能传感网络设计( z 0 3 0 7 6 ) ： 广东省科技计划项目：多模式a dh o e 网络的智能家居网站及其相关技术的研究 ( 2 0 0 6 8 1 2 7 0 1 0 0 2 ) 2 第一章绪论 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fn e t w o r kc o n s t r u c t i o n ，a n dt of u l f i l lt h ev a c a n c yo f t h ei n c o m p a t i b i l i t yb e t w e e nt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dt h eo n - d e m a n dr o u t i n gp r o t o c o l o fa dh o c ，b l u e t o o t ha dh o co n - d e m a n dv e c t o r ( b a o d v ) a l g o r i t h mw a sf i r s t l yp r o p o s e d n l es p e c i a lt e c h n o l o g yo ff r e q u e n c yh o p p i n g ，i n q u i r ya n di n q u i r ys c a n n i n g ，p a g ea n dp a g e s c a n n i n ga n dc o n n e c t i o np a r t i c u l a r l yi nb l u e t o o t hb a s e b a n di si n d u c t e di n t ot h et r a d i t i o n a l p r o t o c o lo f a o d v t om a k et h eb l u e t o o t hn o d e sr o u t i n go n - d e m a n d e d w i t ht h eh e l l om e c h a n i s mo fa o d va c c o r d i n gt ot h ei n q u i r ym e c h a n i s m ，b l u e t o o t h n o d ec a ns e a r c hi t sn e i g h b o r s t o p o l o g i c a li n f o r m a t i o ni nl e i s u r et i m e w h e nd a t ap a c k e t s n e e dt ob es e n t ，b l u e t o o t hn o d en e e d st op a g eo n l yi t sd i s c o v e r e dn e i g h b o r st ot r a n s f e r s c o n t r o lp a c k e t s b yt h ep a r i t yo fh o pc o u n t , t h er o l e so fr o u t i n gp a t hc a nb ec o n f i r m e di n t h eb a c k w a r dp r o c e s so fb r r e eb r i d g eo fs l a v e s l a v er o u t i n gp a t ha n db r i d g eo f m a s t e r s l a v er o u t i n gp a t hc o m p l e t et h er o l ed i s t r i b u t i n gi nd a t aa n dc o n t r o lp a c k e t ss e n d i n g 、析t hr o u t es e a r c h i n ga n dr o u t em a i n t a i n i n g n l eo n d e m a n ds c a t t e r n e tf o r m a t i o no f b l u e t o o t ha dh o cs a v et h et i m eo fi n q u i r yp r o c e s s i n g ，a n dt h el i s to fn e w n e i g h b o r - n o d e s o l v et h ec o n s t r a i nw i t h1m a s t e rt o7s l a v e si nb l u e t o o t l lt o p o l o g y t h eb l u e t o o t hs i m u l a t i o nm o d u l e ( u c b t ) b a s e do nn s 2w a sa d o p t e dt os i m u l a t et h e s c a t t e m e tf o r m a t i o no fb a o d v t h et h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s e a r c hi n d i c a t e d ：w i t h b a o d v , d e l a yo fn o d e s c o n n e c t i o nm a i n t a i n i n gt i m ei sc u td o w na n dt h ep r o b a b i l i t yo f d i s c o v e r a b l en e i g h b o rn o d ei si n c r e a s e d ，a n dw i t hah i g hl e v e l a ss i m u l a t i o nn o d e s i n c r e a s e d ，t h ei n q u i r y d e l a yo fm a s t e rn o d ew i t hb a o d v s c a t t e m e tf o r m a t i o na l g o r i t h m r e d u c e dw i t hh i g hi n q u i r ye f f i c i e n c y a st h es i m u l a t i o nt i m ep a s s e d ，t h ep e r f o r m a n c eo f n o d e si n q u i r yw i l ln o tb er e d u c e d , a n dt h em e c h a n i s mo fc o n n e c t i o ni nb a o d vg o e s s t a b i l i t ya f t e ras h o r td e l a y t h i st h e s i si so n l ya p p l i e dt ot h ew e a km o b i l i t yb l u e t o o t ha dh o cn e t w o r k h o wt o i m p r o v et h ec o n v e r g e n c eo fb l u e t o o t ha dh o cs c a t t e m e tf o r m a t i o na n dt os p e e d u pt h e h e a l i n gt i m ei st h ef u t u r er e s e a r c h k e yw o r d ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；a dh o c ；b l u e t o o t h ；a o d v ；s c a t t e r n e tf o r m a t i o n 3 五邑大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 无线移动自组织网( a dh o cn e t w o r k s ) 是由一组带有无线收发装置的移动节点组 成的一个无中心的无线移动通信网络，它不依赖于预设的基础设施而临时自治组建的 分布式动态网络，网络中移动的节点利用自身的无线收发设备交换信息，当相互之间 不在彼此的通信范围内时，可以借助其他中间节点中继来实现多跳通信。所以，它能 够在任何时刻、任何地点不需要现有基础网络设施的支持，快速构建一个移动通信网 络，网络中的每个终端可以自由移动，地位相等。 蓝牙分布式网络是移动自组织网( a dh o cn e t w o r k s ) 的一种特例，由于其网络的 自组织特性、无线传输特性、动态拓扑特性、低功耗特性、以及使用世界通用频谱( i s m ， i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 等等使其被认为是可以用于组建多跳a dh o c 网的最 有前途的技术之一。蓝牙技术为无线移动a dh o c 网络提供了最有效的便捷方案；它 已经在诸多协议层上完全解决了作为网络节点所要实现的许多技术细节问题，自适应 跳频技术使得蓝牙在抗干扰方面得到了很大的改进，现有蓝牙设备用于异步传输速率 可达到7 0 0 k b p s ，同步传输速率可达1 2 8 k b p s ，完全支持双声道的同步音频传输，因此， 蓝牙设备在语音方面得到比较广泛的应用，随着蓝牙协议规范的更新，蓝牙的传输距 离及传输速率不断提升，据了解，新一代的蓝牙协议将嵌入超宽带( u w b ) 无线技术 协议，传输速率将可以提升到数十倍( 无需加功放) ，故此，蓝牙无线局域网必将成为 蓝牙产品今后的发展趋势。 与其他无线通信技术相比较，蓝牙有其得天独厚的优势，具体体现在以下几方面： ( 1 ) 开放性优势；蓝牙工作在2 4 g h z 全球通用的开放性频段上，而且只要是s i g 组织的成员，都有权无偿使用蓝牙的新技术，无需交纳专利费用。因此，s i g 成员企 业的增长速度非常惊人，几乎包括了全球各相关行业的所有著名企业，给蓝牙技术赋 予了强大的生命力。 ( 2 ) 成本优势；成本低廉是蓝牙最明显的优势，目前国际市场蓝牙芯片最便宜批 量价约2 美元，这是蓝牙成功的最关键要素。蓝牙功耗低，体积小，协议相对简单， 传输速率较高，无需建立基站等的特点使得它完全可以嵌入到各种移动通信设备中使 6 第一章绪论 用，以“无线电缆”取代了“有线电缆”，集成度的提高又大大减低了系统的复杂度，是 性能价格比的一个最佳折中。 ( 3 ) 便携式优势：细小的体积使得蓝牙模块可以直接嵌入n d , 型乃至微型设备中 使用；蓝牙耳机运行的最大功率仅为1 5 0 m w ，而且具有非常好的节电控制功能，所以 它完全适用于锂电池等供电的移动便携式设备。 ( 4 ) 安全性优势；蓝牙的抗干扰能力强，采用自适应技术与扩谱技术双重抑制窄 带干扰；蓝牙的保密性好，而且扩频跳频技术使得其频率难以捕捉；蓝牙的辐射地， 是移动电话的百分之一，对人体的影响极小。 随着蓝牙的普遍推广，无线网络中蓝牙节点的增加使得蓝牙拓扑网络不断的扩展， 一对一的双工音频传输越来越不能满足市场的需求，多个蓝牙网络节点组成的系统也 就必须通过特定的协议对其资源进行调度，因此，蓝牙a dh o c 应运而生。 从严格意义上来讲，现有蓝牙节点组成的移动a dh o e 网络并不完美，原因在于 几乎所有的移动a dh o c 网络都假设是在共享信道和以广播机制为基础的无线媒介上 建立起来的，如果利用蓝牙技术组建移动a dh o e 网络，蓝牙自身主从关系、跳频特 性等的特点对a dh o c 网络形成带来了许多新的挑战，而且，由于蓝牙节点不能作为 独立的a dh o e 节点工作，因此，针对移动a dh o e 网络的路由协议不能完全直接应用 于蓝牙a d h o c 网络中。蓝牙a d h o c 网络的路由问题也是个正在研究的问题，如何构 造一个真正适用于蓝牙系统的无线a dh o c 路由协议有待解决，目前对于这一方面的 研究成果不多。 目前，蓝牙规范尚未对基于蓝牙的a dh o e 网络形成问题做出具体描述，没有形 成一个统一的标准，因此研究该问题具有实际意义。而且，由于蓝牙模块价格较低， 性能较好，蓝牙模块将会成为很多电子产品的标准部件，蓝牙在未来的这种普遍应用 趋势使得该问题的研究也具有现实意义。 本论文研究的目的在于利用a dh o e 技术优化蓝牙无线局域网络中多机通信中的 网络形成以及路由问题。首次把a dh o c 中的a o d v 路由协议建立在蓝牙协议堆栈中； 实现按需路由为基础的蓝牙a dh o c 技术。 1 2 蓝牙a dh o c 发展过程及国内外研究现状 目前，许多国家的无线通信技术研究人员对a dh o c 网络的研究开展了大量的工 作，尤其在美国，由于最初源于美军通信的需要，目前已有许多学校和研究机构n a 7 五邑大学硕士学位论文 到了a dh o e 无线网络技术的研究当中。美国加州大学洛杉矶分校m a r i og e r l a 教授领 导的“无线自适应移动性实验室”( 1 1 1 ew i r e l e s sa d a p t i v em o b i l i t yl a b ) 对a d h o c 网络 路由协议、多播协议、多条网络q o s 、蓝牙网络、a d h o c 网络的仿真系统作了大量的 研究。美国加州大学圣克鲁兹分校j j g a r c i a l 吼a c e v e s 教授领导的“计算机通信研究 小组”( t h ec o m m p u t e rc o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hg r o u p 2 8 】) 对无线网络的信道接入协 议、冲突避免和解决策略、基于功率的路由协议、多播等做出了很大的贡献；美国国 家标准和技术研究所( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) “无线通信技术小 组”( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sg r o u p ) 也设立了a dh o c 网络项目组，负责对 a dh o c 网络的路由协议性能、网络的自组织和分簇、a dh o c 网络仿真工具、传感器 网络的组网和应用等进行评估和研究。i n t e r a c t 工程任务组( i e t f ) 也已经成立了专门 的研究小组一m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ) 工作组，负责a dh o c 网络的i p 层 路由的标准化工作。针对路由协议目前已开展了多项研究项目，并取得了不少成果。 自2 0 世纪9 0 年代后期开始，国内一些大学( 如解放军理工大学、清华大学、西 安电子科技大学、北方交通大学等) 也开始关注a dh o e 网络技术，并对它进行了一 些研究，然而，目前国内对a dh o c 网络进行研究的现状是比较零散，缺乏统一的规 划和协调，没有相应的官方或民间组织来协调大家的研究工作。 b l u e t r e en i t - s s f ab t o pb l u e t r e e st s pb l u e s t a r 8b l u e n e tb i u “口s hy s c a t t e r n e t - r o u t eb l u e r i n g 图1 1 基于蓝牙的移动 dh o c 网络形成协议分类 针对蓝牙a dh o c 的研究，当前，已有一些学者提出了多种蓝牙a dh o c 网络形成 协议，如树形散射网形成协议( t s f 【l 】) 、m i t - b s f a t 2 1 、蓝牙拓扑构造协议( b t c p 3 1 ) 、 b l u e t r e e s 【4 】、b l u e t r e e 【5 】、b l u e n e t t 6 1 、b l u e s t a r s 【刀、b l u e m e s h 8 1 、y a 0 1 9 、s c a t t e r n e t - - r o u t e l l0 1 、 b l u e r i n g t l l l 以及国内的d d s a 算法【1 2 】、轮换簇头算法【13 1 、链形结构算法【1 4 1 对蓝牙a d h o c 的网络形成都有其独特的见解。结合考虑协议是否要求所有的设备都相互处于无 线电信号覆盖范围之内以及网络构建完毕后的形状，蓝牙a dh o c 的网路形成大致可 以对这些协议做出如图1 1 所示的分类i l 副： 第一章绪论 蓝牙自组织网络的路由协议是蓝牙技术领域的研究热点之一。一些路由协议如 r v m 路由矢量方法，服务驱动的路由方法等等都可以作为蓝牙自组织网络的路由协 议。同时散射网的构造协议还可以用来优化路由协议。 目前，对于移动a dh o e 的路由协议百花齐放，归根到底，其路由形式可以分为6 类：( 1 ) 有规律地向网络中的其他节点交换拓扑信息，周期选择中继节点的主动式路 由( 如o l s r 1 6 】) 、( 2 ) 仅当有源节点需要向某目的节点通信时才建立路由，具有一定 生命期的按需路由( 如a o d v t l 7 1 、a b r 1 8 】) 、( 3 ) 直接使用源路由允许发送节点选择和 控制其发送分组，对于目的节点具有多条路径的源动态路由( 如d s r ”】) 、( 4 ) 根据无 线网络通信环境中所面临的环境的不同动态选择主动式一反应式混合路由( 如z r p 2 0 ) 、( 5 ) 可以在一次泛洪查询过程中探测多条可能路由路径，降低泛洪频次，提高通 信节点对带宽有效利用的多径路由( a o d m v l 2 1 j ) 以及( 6 ) 将同一个分组发送给多个接 收节点，采用多目标传输技术替代单目标传输所针对每个接收节点单独发送的多目标 路由( m a o d v t 2 2 1 、o d m r p 2 3 1 、a d m r 【2 4 】) 等等。 目前，国内外对蓝牙a dh o e 的研究大部分停留在网络形成阶段，其网络形成方 式仅适用于先应式路由等主动路由形式，极少学者把a dh o c 中的按需路由协议与蓝 牙协议相结合，s c a t t e m e t - - r o u t e 协议能初步实现蓝牙a d h o c 的按需路由，但是存在 的问题比较大；其他文献暂未对这方面的研究做详细的描述，本论文所研究的b a o d v 路由算法是在蓝牙协议堆栈的基础上，提出了新的按需形式的蓝牙a dh o c 网络形成 算法，并在此基础上融合a o d v 按需路由协议，具有创新价值。 9 五邑大学硕士学位论文 1 3 论文组织 第一章绪论；先介绍了课题的背景及研究的意义；然后介绍了蓝牙a dh o e 的发 展过程以及国内外的研究现状；最后是本论文的内容安排。 第二章蓝牙技术特点及其协议结构；本章对蓝牙a dh o c 提供了充分的知识储 备。使读者对蓝牙协议的特点有了初步的了解；详细描述了蓝牙底层的自适应跳频技 术；针对网络形成介绍了蓝牙链路确立所需要的查询、寻呼以及连接进程；最后结合 当前发展现状对蓝牙散射网的拓扑特性做出了较详细的分析。 第三章蓝牙a dh o c 算法的研究；本章对蓝牙a dh o c 的网络形成算法b t c p 算 法、t s f 算法、b l u e t r e e s 算法、b l u e s t a r s 算法以及按需的s c a t t e r n e t - r o u t e 算法做出了 介绍。并对这些算法的优缺点进行了分析。 第四章基于a o d v 的蓝牙a dh o c 路由算法( b a o d v ) 的研究；本章为论文的 重点，详细描述了b a o d v 路由过程的基本思路：针对按需路由对蓝牙a dh o c 的网 络形成过程做出了分析判断，选择出最优方案并详解其处理过程；然后描述了b a o d v 路由过程中的路由寻找、路由应答以及路由维护等问题；并根据蓝牙技术特点实现路 由节点的角色维护；最后详细论述了b a o d v 的处理方法。 第五章基于n s 2 的b a o d v 网络形成仿真；本章首先介绍了n s 2 网络仿真软件 及其u c b t 蓝牙模块；然后针对u c b t 蓝牙仿真模块中的a o d v 层、b n e p 层l m p 层分别对b a o d v 的仿真过程进行了详细的描述；最后对实验的结果作出了分析。 1 0 第二章蓝牙技术特点及其协议结构 2 1 蓝牙技术概论【2 5 】刚 蓝牙设备工作在2 4 g h z 的i s m 频段( 2 4 0 2 - 2 4 8 0 g h z ) ，共分为7 9 个频道，频 道间隔均为1 m h z ；采用时分全双工t d d ( t i m ed e v i s i o nd u p l e x ) 方式，跳频速率为l 6 0 0 跳秒，即每秒钟改变频道1 6 0 0 次，每个时隙为6 2 5 u s ，并对应一个不同的频道， 每时隙可以传送一个单时隙数据包。传送3 时隙和5 时隙数据包时，跳频序列不变( 即 每时隙对应的载频与单时隙包相同) ，但在传送一个数据包的过程中载频不变，都使用和 第一个时隙相对应的频道。调制方式为参数b t = o 5 的高斯频移键控( g f s k ) ，调制指数 为0 2 8 - - 0 3 5 ，最大发射功率分为三个等级，如表2 1 所示： 表2 1 蓝牙输出功率类型 蓝牙系统支持实时的同步面向连接和非实时的异步无连接，即s c o 链路 ( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o no r i e n t e dl i n k ) 和a c l 链路( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n - l e s s l i n k ) ，s c o 链路主要传送语音、立体声等实时性强的信息，a c l 链路主要是数据传输。 为了提高通信的可靠性，抑制长距离链路的随机噪声，蓝牙协议采用了三种纠错方案， 即1 3 比例的前向纠错( f e c ) 码；2 3 比例前向纠错( f e c ) 码；数据的自动请求重传方案 ( a r q ) 。跳频技术是蓝牙使用的关键技术之一，它用高速率扩频技术展宽频带，用自 适应技术避开坏信道的干扰，减少重传次数，使得蓝牙系统有足够的抗干扰能力。 2 1 1 蓝牙协议体系结构 2 5 】【2 6 】 蓝牙规范的核心部分是协议栈。各协议栈允许多个设备进行相互定位、连接和交 换数据，并能实现互操作和交互式的应用。图2 1 是其协议体系2 刀的经典框图。蓝牙 协议栈的各种单元在逻辑上大概可以分为三层【3 8 】： 五邑大学硕士学位论文 主机 图2 1 蓝牙协议体系 ( 1 ) 底层传输协议层；这个协议层包含的协议主要用于使蓝牙设备能确认彼此的相互 位置，并且能创建、配置和管理物理以及逻辑的链路，以便使高层协议和应用经这些 链路利用传输协议来传输数据。这个协议组包括无线信道( r f ) 、基带( b b ) 、链路管 理协议( l m p ) 、逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 和自适应协议以及主机控制器接1 2 1 协 议( h c i ) 。蓝牙的自适应跳频机制就是建立在传输协议组上的。 ( 2 ) 中间协议层；为了在蓝牙链路上运行已有的和新出现的应用，这个协议组由另外 的一些传送协议构成。它不仅包括第三方和业内的一些标准协议，而且还包括s i g 特 别为蓝牙无线通信而制定的一些协议。前者包括与i n t e m e t 有关的协议( p p p 、t c p f i p 和u d p 等) 、无线应用协议与环境和互操作协议及类似组织所采用的对象交换协议 ( o b e x ) ，等等。后者包括三个专为蓝牙通信而制定的协议，以使种类繁多的另外一些 应用能够在蓝牙链路上运行。其中被称为r f c o m m 的串行端口仿真协议，能使一些 传统的串口应用在蓝牙传输协议上无缝地运行。另一个基于分组的电话控制信令协议 为电话的操作提供了高级控制功能。最后，服务发现协议( s d p ) 使设备能够相互查询对 方所支持的服务，并且能够获知如何访问这些设备的信息。 ( 3 ) 应用( p r o f i l e ) 层；这个协议层包含使用蓝牙链路的实际应用，包括通用接入 p r o f i l e ( g a p ) 、串行端口p r o f i l e ( s p p ) 、头戴式设备p r o f i l e ( h s p ) 、通用对象交换 p r o f i l e ( g o e p ) 、文件传输p r o f i l e ( f t p ) 等。例如蓝牙s p p 虚拟串口应用就是以应 用层的各p r o f i l e 相互堆积而成的，呈“金字塔”结构【2 引，如图2 2 所示。然而，应用 1 2 第二章蓝牙技术及其协议结构 ( p r o f i l e ) 层其实并不独立，每一个p r o f i l e 都是在底层和中间层的相辅相成下构成的， p r o f i l e 只是针对不同应用的结构体系。 2 1 2 蓝牙网络结构图 图2 2 蓝牙串口应用结构图 蓝牙系统以点到点p p p ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 方式连接为基础，若干蓝牙设备连 接成一个微微网( p i c o n e t ) 。任意一个有效通信范围内，所有的蓝牙设备的地位都是平 等的。图2 2 为主从设备的拓扑结构图。每个微微网是由一个主设备( m a s t e r ) 和若干 个从设备( s l a v e ) 组成，主设备负责通信协议的运作。m a c 地址是用3 位来表示， 即在1 个微微网内可寻址8 个设备( 互联的设备数量实际上是没有限制的，只是同时 只能激活8 个，一个为主，其余7 个为从) 。此外，蓝牙系统还支持散射网结构( 两个 以上微微网构成蓝牙分散网络) 的连接方式，即每个网络中的主端设备可以为另一个 网络的从设备，组成复杂的网络系统。 卜q 蓊缓赫t e r 翳鬻囊自黼鬻墓 蠹酾辩瑟 图23j 拟醋蓦韵拓扑 耕碉 五邑大学硕士学位论文 2 2 蓝牙中的自适应跳频及其跳频序列 2 2 1 蓝牙的跳频扩频技术 图2 4 升序跳频时的三维示意图 早期的蓝牙版本采用跳频扩频技术，将2 4 0 0 - - - 2 4 8 3 5 g h z ( 中、美、欧) 频道分为间 隔为1 m h z 的7 9 个频段，采用时分全双工( t d d ) 的方式，在每一个时间间隔根据 伪随机序列的排序对应一个载频点。而且，在每个时段内，相应数据在对应不同频点 的同时还对应不同的时隙，一般选择在八个时隙中随机跳转，使得蓝牙跳频达到了更 高的保密性与抗干扰性。为了更直观我们以2 3 跳的升序跳频系统为例，时间间隔、跳 频频点和时隙点组成的三维表如图2 4 所示。由图可以看出，不同的时间间隔将对应 不同的载频点，体现了时分频分复用的跳频原则。而且同一个频点在不同的时间段内 可对应不同的时隙。这样即使很好的侦破技术跟踪到了频点的值，如果没有捕获时隙 的位置也是不能破译其跳频顺序的。因此，伪随机序列的产生以及特定的选频机制在 跳频技术中起到了关键的作用。蓝牙的跳频选择序列是由时钟与地址通过一定的硬件 运算共同产生的。蓝牙7 9 跳系统的选择内核如图2 5 所示【2 5 1 1 2 6 1 ，其作用是将连续的输 入顺序打散，输出一个7 9 个载频点均匀出现的随机序列。图中x 的输入根据跳频类 型的不同利用寄存器或时钟的5 位二进制输入决定3 2 跳频段中的状态，y 1 和y2 在 主从传输或者从主传输之间选择一种传输方式以保持主从之间的对话，按照协议的 不同可以在时钟位的第2 位或第0 2 * 3 2 位进行选择。a 到d 的输入决定段内排列 1 4 第二章 蓝牙技术及其协议结构 图2 57 9 跳频系统跳频选择内核框图 的顺序，e 和f 的输入则决定对跳频频率的映射，该内核将代表含有跳频频率的7 9 个寄存器寻址。最终，将列出包含所有偶数跳频频率和所有奇数跳频频率的序列列表。 这样，3 2 跳系统将以6 4m h z 为一段，以提高其频率的覆盖率。 2 2 2 蓝牙的自适应跳频技术 跳频扩频技术通过拓展其频带大大增加了2 4 g h z 的频带利用率，使得蓝牙的跳 频频点均匀分布在i s m 频段，其抗干扰能力也得到明显加强。然而，随着蓝牙设备的 日益增多，频点的拓展意味着需要增加载频数目，令蓝牙的重传率频繁，吞吐量大大 减少。例如，蓝牙设备与i e e e 8 0 2 1 1 b 共同工作时，蓝牙的数据包丢失率竟达到了1 3 左右【2 9 】。不仅如此，蓝牙对其他设备的影响也是致命的，例如，蓝牙语音传输对 i e e e 8 0 2 1 1 b 的影响使得后者的数据丢包率达到6 0 6 5 【3 们。两个蓝牙设备足以令w i f i 的数据传送成功率降为1 左右【3 1 1 。e h 此，蓝牙1 2 版以协作性方案为基础正式启用 了自适应跳频技术( a f h ) 以增加其抗干扰能力。 1 )自适应跳频的基本原理 a f h 在原有的跳频扩频方式上加入信道估计模块，对原有的7 9 ( 2 3 ) 个频道进行 实时采样判断并将其分为好信道和坏信道。将好信道放入工作频率集中，当工作频率 集中的好信道变为坏信道时，立即抽调备用频率集中的好信道进行替换，以保持工作 频率集工作的稳定性。而在工作频率集中将按照原来的跳频机制运作，只是将原来的 模7 9 ( 2 3 ) 个输出变为工作频率集的指定输出( 工作间频率集频道数可随用户设定) 。 这样，数据就能不失均匀性地在好信道上进行传输，实现了a f h 的抗干扰原理。 2 ) a f h 的方法及其仿真 蓝牙的自适应跳频由设备识别、信道估计、信息交换、以及自适应跳频部分组成。 图2 6 是在原有跳频技术上，蓝牙a f h 的基本步骤框图。本节以2 3 跳系统为例，从 五邑大学硕士学位论文 信号的角度利用m a t l a b 结合实验系统对a f h 中的每一部分 的信号进行分析和仿真。 ( 1 ) 设备识别 当一个从设备介入p i c o n e t 时，在进行通信之前，首先由链 路管理协议( l m p ) 来确定双方的设备是否支持a f h 模式。该 l m p 信息中包含t - 者通信应使用的最小信道数，与此同时确 定工作频率集和备用频率集以供进行自适应跳频。主机按l m p 协议先询问从设备是否支持a f h ，当从设备应答后，再进行 a f h 通信。 表2 2 建立工作频率集与备用频率集 图2 6 蓝牙a f h 步骤 信道名称 f lf 2 f 3f 4f 5f 6f 7f 8 f 9f 1 0f 1 1 f 1 2 信道平均值( d b ) 3 3 3 05 22 92 91 94 1 3 。25 95 03 75 4 判断结果0 0 l1ll00l l01 _ i _ 一_ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ l - - _ l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - i - l - 一 信道名称 f 1 3f 1 4f 1 5f 1 6f 1 7 f 1 8f 1 9f 2 0f 2 1f 2 2f 2 3 信道平均值( d b ) 3 43 33 84 1 2 03 04 33 83 93 5 3 5 判断结果0 000lo 00000 设2 3 跳载频点为 厂( f ) ，七】，i 一1 ，2 2 3 。其中i 代表载频点的位置，( f ) 为该频点 的功率平均值，k 为厂( f ) 所对应的判断指标。如表2 2 所示，在初始化过程中，随机抽 取 【( f ) ，七】 中的 1 6个频点存 入 工 作频率 中，即 彳 【厂( 2 ) ，k l ，i f ( 3 ) ，霓】，i f ( 5 ) ，k l 【厂( 2 3 ) ，忌】) ：剩余的7 个频点作为备用频率集，即 b 厂( 1 ) ，七】， 厂( 4 ) ，”i f ( 1 9 ) ，七】) 。 ( 2 ) 信道估计 ：污， - i 3 91 i8d 芏 l ：61 哥 ，7 ，e s，4，7 1 ： r 、，r：气一 4 z )二v u 1 u ：4 - ud 1 247 14 j i y 6 j 7 1 ，q 37 1 2 ：7 0 5 7 芷 70 4 e 基 4e is4 汀弹：s芹 j 劓- 叫 j 2 t o =j q , d j u ：0 u u：1 二0 4 d j t 3 ，3 3 1 1，1 ：s 0：2 73 2 ，：1 1 55 55 7 75 55 ，i5 8 5 15 m57 , 11 譬 4 i- 14日c+ l 日朋 2 4 ，：m “1 诒2 璺：2 8 3 二蛙24 7j 柏 38 53 3 巧3 - ：$ , 9 - 1 ：口s0 8：巧 3 0 23 d 0王犯2 l r t ：7 5 ：芏二6 2! _ ，_ 。k ，ih iy4 ： j 【- -? + ，r ，： j 褥：戮漪。箍 s 妒薯射 6 2q x ! i h，丹 q7 j = 4 也 u u 4 _ - e i u ，h _，! h ：h 4 j r i - a4 uj q ：4 0 4 。 _ 13 ii 5 二： j_ l q4 “ q 忙 i i i i h4 i i 1 ：4 i i ：jqx ! i l 4i ， _ j 静0 静1 i j _ 5 1 a 1 d4 1 1 甜。h 1 ，51 ：船 t 茔 05 22昭3 ；- 2 0 ：2 5- 二爿2 3 8：玎 1 0 1 11 2l a1 40i b ， 哪 图2 7r s s i 表( 2 3 跳系统) 在每个蓝牙主、从设备中，都有其自身的r s s i ( 基带接收信号强度指示) 表，如 1 6 第二章蓝牙技术及其协议结构 图2 7 所示。它们都能独立地对协议内所有正在使用以及将要使用的频道进行实时质 量评估。采集每个频道的所有信号能量，并且每隔一段时间进行更新，从 而区分信号的衰减程度及受扰程度，再按每频段能量的大小，区分好坏信道。 ( 3 ) 信息交换 通过l m p 命令通知网络中的成员，交换a f h 的消息。主设备通过分类，用”o ” 和”1 ”信号把信道表示为好信道、坏信道或未用信道，如表2 3 所示，按照图2 7 表2 3 信道优劣判断 信道名称 f lf 2f 3f 4f 5f 6f 7f 8f 9f 1 0f 1 1f 1 2 信道平均值( d b ) 3 33 05 22 92 91 94 13 25 95 03 75 4 判断结果0 0lill00l10i 的r s s i 表情况，计算出八个不同时段信道能量的平均值，并赋予相应的( 7 ) 中，在 对( f ) 进行判断：i f3 厂( f ) 5 ，k = 0 ；e i s ek - l 。把能量在3 5 d b 的信道认为是好信 道，反之为坏信道。这样，每刷新一次彳 ( 2 ) ，七】，【厂( 3 ) ，纠，【( 5 ) ，计1 f ( 2 3 ) ，七】) 和 b 【厂( 1 ) ，k l ，【厂( 4 ) ，k l ”【( 1 9 ) ，忌】) ，将得到两表中每个频点的平均能量及其状态。然后， 遍历么 ( 2 ) ，j 】，i f ( 3 ) ，七】， ( 5 ) ，”l 厂( 2 3 ) ，明) 中1 6 个【厂( 办纠，当监测到k = l 时，将 该i f ( i ) ，k l 与b 【厂( 1 ) ，k l ，【厂( 4 ) ，七】【厂( 1 9 ) ，k l 中k = o 的频点交换，即令 【六( 耽1 】卜望玛 厶( 耽o 。用备用频率集中的好信道替换工作频率集的坏信道( 如表 2 4 所示) ，当备用频率集中的好信道不足以替换时，将重复使用备用集的好信道予以 替换，例如，在b 【厂( 3 ) ，1 ，【( 4 ) ，1 【( 1 2 ) ，l 】) 中，【( f ) ，七】的k 全为i ，则随机抽取 4 厂( 2 ) ，0 】，厂( 1 ) ，o l ，厂( 7 ) ，o l ”f ( 2 3 ) ，0 1 中任一k _ o 的好信道予以替换。然后，把信道 分类情况通知从设备。 1 7 五邑大学硕士学位论文 表2 4 频率替换步骤 存储位置12345 6 7891 0 1 l1 2 1 31 41 51 6 原工作频率 集 f 2f 3f 5f 6f 8 f 1 0f l l f 1 2f 1 3f 1 4f 1 6 f 1 7f 2 0 f 2 lf 2 2f 2 3 原工作频率 集状态 ol1lolo1oo01ooo0 原备用频率 集 f lf 4f 7f 9 f 1 5f 1 8f 1 9 原罨用频率 集状态 0lo1ooo 更新工作频 率集 f 2f lf 7f 1 5f 8f 1 8f l lf 1 9f 1 3f 1 4f 1 6f 2f 2 0f 2 lf 2 2f 2 3 更新工作频 率集状态 oooo00o0ooo0oo00 更新备用频 率集 f 3f 4f 5f 9f 6f l of 1 2 更新备用频 率集状态 l11ll11 图2 8 为工作频率替换后的频率时间示意图，同时，从设备有把自己的r s s i 表 情况通知给主设备，如此循环不断完善主设备的r s s i 表。 a 跳系统中坏信道示意图 b2 3 跳系统中频点替换示意图 图2 8 频率替换示意图 ( 4 ) 自适应跳频 按照原来跳频机制对工作频率集内的频点进行跳频选择。选择过程中工作频率集 的所有频点必须均匀使用，就是在发生多次跳频变换后，各频点所出现的次数基本相 等。因此，在本例的2 3 跳机制的跳频选择实验中( 如图2 9 所示) ，采用图2 5 所示的 第二章蓝牙技术及其协议结构 原跳频选择内核框图中四位蝶形运算的输出作为工作频率集的输出地址选择，由于四 位输出刚好覆盖了1 6 个频点地址，而该输出具有很好的均匀性，所以，在正常运作中， 输出载频的次数就能体现其均匀特性，更好地完成各频点对功率的分配。就是这样， 系统完成了一次性的自适应跳频，然而，通过r s s i 表的不断更新，带动两频率 ： k j “鲥l ；ij