（通信与信息系统专业论文）基于afh技术的蓝牙与无线局域网共存性的研究与仿真.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于a f h 技术的蓝牙与无线局域网共存性的研究与仿真 摘要 蓝牙是一种近距离无线通信技术规范，用来描述和规定各种信息电子产品相互 之问是如何用短距离无线电系统进行连接的。由于它工作在无需授权的i s m 频段， 因此干扰问题就显得十分严重。尽管蓝牙采用跳频方案来避免干扰，但是当所选 择的跳频点上干扰较强时，蓝牙系统的误码率会受到很大的影响。本课题的研究 内容就是利用自适应跳频技术代替蓝牙原有跳频方案，提高其抗干扰性。 本文首先分析了蓝牙的协议规范，重点分析了蓝牙的基带协议部分，尤其是 蓝牙跳频核的部分，这为后面进行跳频核的改善奠定了基础。然后分析了蓝牙和 i e e e s 0 2 1 l b 之间相互干扰的情况，通过分析目前解决干扰的几种方法，选择了 自适应跳频( a f h ) 的方法。自适应跳频通信中，其关键技术有实时信道评估技术， 频率自适应控制技术。本文在对自适应跳频技术的工作原理以及应用到蓝牙时的 关键技术等问题进行了理论分析与研究的基础上，针对自适应跳频技术的两个关 键部分在改善蓝牙跳频机制中做了仔细研究。 信道实时评估( r e a lt i m ec h a n n e le v a t u t i o n 简记为r e c 力技术是跳频频率集自 适应更新的前提和基础。与噪声相比，干扰电平的大小往往成为决定信杂比的主要 因素。对信道是否有干扰存在的检测方法可分为被动和主动方案两种。被动方案 是指蓝牙监昕每个信道来决定其是否受到干扰。最常用的方法是每隔一定时间测 量r s s i 值。这种方法可检测到很小的干扰而且也可减少蓝牙系统的吞吐量。但它 会增加蓝牙的功率消耗。主动方案可以通过传输来确定信道是否受到干扰。这可 用分组误码率( p e r ) 、分组丢失率( p l r ) 来评估。但是这种方法一是会引起干扰， 二是p e r 、p l r 没有r s s i 敏感，三是如果没有数据在传输，这种方法就没有用。 因此在我们的方案中，采用测量r s s i 值对信道进行检测。 频率自适应控制技术是自适应跳频通信中的另一个关键的技术，传统的自适跳 频是通过在蓝牙原有的跳频产生内核基础上增加一个再映射功能模块来实现的， 再映射功能块产生一个自适应跳频序列，根据自适应跳频关键技术中的信道质量 评估技术和频率自适应控制技术，以及信道最优化分配原则，判断下一跳频应属于 哪种类型的信道集，进而选出干扰较小的信道。本文提出了一种直接求模的方法， 将每一个跳频序列直接映射到较好的信道上，而不用对每一个跳频频率逐进行 比较。 东北大学硕士学位论文 摘蔓 最后，通过s y s t e m v i e w 软件对改进前后的蓝牙跳频系统进行仿真，清楚地分 析了原有蓝牙跳频系统的时频域特性以及采用自适应跳频前后的蓝牙与无线局域 网共存时的通信状况，仿真结果表明，采用自适应跳频技术可以很好地解决蓝牙 与无线局域网的共存问题，对改善蓝牙在无线局域网共存时的通信质量的具有一 定的指导意义。 关键词： 蓝牙 i e e e 8 0 2 1 l b 共存自适应跳频信道实时评估 - i h 堡苎查兰堡主堂垡堡壅 皇! ! ! 坠! ! r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no ft h ec o e x i s t e n c e o fb l u e t o o t hw i t hw l a n b a s e da f h a b s t r a c t b l u e t o o t hi san e w t e c h n o l o g y s t a n d a r df o rc l o s ed i s t a n c ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s i ti su s e df o rd e s c r i b ea n dr e g u l a t eh e wt oc o n n e c ta l lk i n d so f e l e c t r o n i cp r o d u c t i o nw i t hc l o s ed i s t a n c ew i r e l e s s i tw o r k si ni n d u s t r ys c i e n c em e d i c i n e ( i s m ) f r e q u e n c yh a n dw h i c hi s n o tn e e dt ob ea c c r e d i t e d ，s ot h e r ea r em a n y i n t e r f e r e n c e s a l t h o u g hb l u e t o o t ha d o p t sf r e q u e n c yh o p p i n gt oa v o i di n t e r f e r e n c e ，i t s b i te r r o rr a t i ow i l l r i s es h a r p l yw h e nt h e r ea r es t r o n gi n t e r f e r e n c ei nt h es e l e c t e d f r e q u e n c yb a n d t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e sa d o p t i n ga d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n g ( a f h ) t o r e p l a c ef h ，i no r d e rt oe n h a n c eb l u e t o o t h sa n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e g u l a t i o na n dt h ep a r to f b a s eb a n do fb l u e t o o t hf i r s t l y , a n de s p e c i a l l yt h eh o ps e l e c t i o nk e r n e l ，w h i c ha r et h eb a s e sf o rt h en e x ti n v e s t i g a t i o no f t h ei m p r o v e m e n to fh o ps e l e c t i o nk e r n e l s e c o n d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n t e r f e r e n c e o fb l u e t o o t ha n d8 0 2 1l b ，b y a n a l y z i n g s o m em e a n s ，w ea d o p tt h em e t h o do f a f h ( a d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n g ) i nc o m m u n i c a t i o no fa f h ，t h ek e yt e c h n o l o g yh a s r e c t ( r e a lt i m ec h a n n e le v a l u a t i o n ) a n da d a p t i v ef r e q u e n c yc o n t r 0 1 b ya n a l y z i n g t h ep r i n c i p l eo f a f ha n dk e yt e c h n o l o g yo f a p p l i c a t i o no f a f ht ob l u e t o o t h t h i sp a p e r r e s e a r c h e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft w ok e yt e c h n o l o g yo fa f hi nt h ei m p r o v e m e n to f b l u e t o o t h sh o p p i n gm e c h a n i s m r e a l t i m ec h a n n e le v a l u a t i o nt e c h n o l o g yi st h eb a s eo fa d a p t i v ef r e q u e n c y c o n t r 0 1 b yc o n t r a s t i n gt on o i s e ，t h ej a m m i n gv o l t a g ei sap r i m a r ye l e m e n ti nj u d g i n g s n m e a s u r i n gj a m m i n gi sd i v i d e di n t oi n i t i a i i v em e a s u r i n ga n dp a s s i v em e a s u r i n g p a s s i v em e a s u r i n gr e f e r st ob l u e t o o t hd e v i c ed e c i d ej a m m i n ge x i s t i n gb yl i s t e n i n gi n e v e r yc h a n n e l t h ec o m m o nm e t h o d i s l i s t e n i n g i nr e c e i v e d s i g n a ls t r e n g t h i n d i c a t i o n ( r s s i ) i ne v e r yas p e c i a lt i m e t h i sm e t h o dc a l lm e a s u r et h el i t t l ej a m m i n g b u tr e d u c i n gb l u e t o o t h s h a n d l i n gc a p a c i t y a n d i n c r e a s i n g b l u e t o o t h s p o w e r c o n s u m i n g i n i t i a t i v em e a s u r i n gr e f e r st ob l u e t o o t hd e v i c ed e c i d ej a m m i n ge x i s t i n gb y t r a n s m i t t i n g t h ec o n l m o nm e t h o dm e a s u r i n gp e r o rp l r f i r s t l y ，t h i sm e t h o dc a n l c a dt oi n t e r f e r e n c e s e c o n d l yr s s ii sm o r es e n s i t i v et h a np e ra n dp l r ，t h i r d l yt h i s m e t h o dc a n n o tu s ew i t h o u td a t at r a n s m i t t i n g s ow ea d o p tm e a s u r i n gr s s im e t h o d a d a p t i v ef r e q u e n c yc o n t r o li sa n o t h e rk e yt e c h n o l o g y i nc o m m u n i c a t i o no f a f h t r a d i t i o n a la d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n gi sa c h i e v e db ya d d i n gar e m a p p i n g m o d u l et ob l u e t o o t h sh o p p i n gc o r e r e - m a p p i n gm o d u l ep r o d u c e saa d a p t i v eh o p p i n g 。i v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s e q u e n c e b l u e t o o t hd e v i c ej u d g e sn e x th o p p i n gs e q u e n c eb e l o n g i n gt ow h i c hc h a n n e l b yr e a lt i m ec h a n n e le v a l u a t i o na n da d a p t i v ef r e q u e n c yc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt l l e r u l eo f c h a n n e ls e l e c t i n g ，f a r t h e rs e l e c t sab e t t e rc h a n n e l i nt h i sp a p e r ，w ep u tf o r w a r d t oad i r e c tr e c e i v em o d u l u sm e t h o d ，d i r e c t l ym a p p i n ge v e r yh o p p i n gs e q u e n c et ob e t t e r c h a n n e la n dw i t h o u tj u d g i n ge v e r yh o p p i n gs e q u e n c e a tl a s t ，w eu s es y s t e m v i e ws o f tt os i m u l a t ep r i m a r ya n di m p r o v e db l u e t o o t h h o p p i n gs y s t e m b ys i m u l a t i n g ，w ec a l lc l e a n l ya n a l y z ep r i m a r yb l u e t o o t h se v e r yt i m e a n df r e q u e n c yr e g i o nc h a r a c t e r sa n dp r i m a r ya n di m p r o v e db l u e t o o t hs y s t e m s c o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r s s i m u l a t i n gc o n s e q u e n c ei n d i c a t e sa d o p t i n ga f hc a nb e t t e r s e t t l et h ec o e x i s t e n c eo fb l u e t o o t hw i t hw l a n ，a n dt h i sp a p e rh a ss o m et h e o r y m e a n i n g t o i m p r o v i n gb t u e t o o t hs y s t e m sc o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r s i nw l a n e x i s t i n g k e y w o r d s ：b l u e t o o t h i e e e 8 0 2 1 i bc o e x i s t e n c ea f hr t c e v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳i 友匡l m期：功p f 年卅习一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字e t 期： 至翌生苎兰堡主堂笪丝茎 笙二童堑堡 第一章绪论 移动通信与因特网的快速发展使人们实现“网络随身携带”的愿望成为可能， 无线个人局域( w i r e l e s sp e r s o n a la r e a t w o r k ，简称w e a n ) 正是顺应这种潮流 提出的概念，成为颇受瞩目的新热点，而蓝牙系统及其应用使人们看到了w p a n 的雏形”1 。蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的丌放性标准，以低成本的近距 离无线连接为基础，为固定设备和移动设备通信环境建立一个特别的连接。但是， 由于蓝牙工作在无需授权的工业、科学、医疗( i n d u s t r y s c i e n c e m e d i c i n e ，简称i s m ) 频段，在此频段上存在着很多类似应用的无线通信系统( 如h o m e r f ，i e e e 8 0 2 1 1 等) 以及无绳电话、微波炉等家用电器【2 】，尽管大多数系统都采用了抗干扰能力较 强的跳频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，简称f h s s ) 技术，但目前提出 的这些系统尚未充分发挥其抗干扰潜力，因此，蓝牙不可避免地会受到很多不同 类型的干扰。如何提高蓝牙在工作环境复杂情况下的抗干扰性能是个亟待解决的 问题。 1 1 课题提出的背景 近年来，移动通信技术已经成为信息产业中发展最快的领域之一，同时也伴 随着各种无线网络应用产品的飞快发展。在新旧世纪交替之际，诞生了一种崭新 的无线通信技术蓝牙( b l u e t o o t h ) 。它推动和扩大了无线通信的应用范围，实 现了个人区域内的快速灵活的数据和语音通信。蓝牙技术是一种成本低廉的短距 离无线通信技术标准，发展蓝牙技术的初衷就是为了在各种电子产品之间建立一 种无线连接标准，以取代有线电缆的连接。 蓝牙技术的最早倡导者是爱立信公司，其起困可追述到1 9 9 4 年，当时爱立 信无线通信部门开始了一项针对移动电话及其周边电子设备间具有低功率、低成 本的无线连接可行性的研究开发，其主要目的是除去电话和计算机间的电缆联接， 这项研究即蓝牙技术的前身。 1 9 9 7 年的初期，爱立信开始接洽其他的便携式设备制造厂商，使其对这项研 究技术能产生兴趣。为了确保系统的成功，这项计划的重点之一便是限定在使用 短范围距离的无线电技术。在1 9 9 8 年2 月，五大公司包括爱立信、诺基亚、i b m 、 东芝、英特尔成立一个特别兴趣组织s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 来研究新一 代的无线传输技术，其目的是建立发展一种能够简易使用且在各种通讯设备上都 能畅行无阻的新技术，建立一个实际上的无线接口和相关软件标准，并可以促进 更多的设备制造商支持该项协议。目前电子计算、通讯设备的接口及通信规格相 至型型塑塑生生堂垡丝兰 茎二兰 塑丝 当不统一，甚至在应用上也有差异性，导致沟通上有相当多的问题，蓝牙便是对 这些不统一做出一致的规范。“蓝牙”( b l u e t o o t h ) 原为欧洲中世纪丹麦国王 h a r a l d i i 的名字，他为统一四分五裂的瑞典、芬兰、丹麦有着不朽的功劳。爱立 信公司为这种即将诞生的开放式通用技术命此名，正是希望它能够成为全球统一 的近距离无线通信标准。 蓝牙技术最大的优势在于能够为与人类打交道的各种电器设备提供附加的通 信能力，使之具有接入因特网和其他互联网的能力。此项无线通信技术公布后， 便迅速得到了包括摩托罗拉、朗讯、康柏、西门子等一大批公司的一致拥护，至 今加盟蓝牙s i g 的公司已经达到2 0 0 0 多个，其中包括许多世界最著名的计算 机、通信以及消费电子产品领域的企业，甚至还有其汽车与照相机的制造商和生 产厂家。一项公开的技术规范能够得到工业界如此广泛的关注和支持，这说明基 于此项蓝牙技术的产品将具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。目前蓝牙的协 议标准已经更新到1 1 版本，各种支持蓝牙技术的产品也纷纷面世，蓝牙市场的 全面启动已指日可待。 1 2 课题的提出 尽管蓝牙技术作为一项新的近距离无线通信技术有着其它技术不可比拟的优 越性，但是，它固有的不足仍然在一定程度上限制了它的使用。目前对蓝牙技术 的研究主要在以下几个方面： ( 1 ) 互操作性问题研究蓝牙的互操作性包括硬件之间、软件之间以及软件与硬 件之间的互操作。主要体现在以下两个方面，一是任何两个蓝牙设备之间都能够 互连。这两个设备可以是不同种类、不同型号、不同生产厂家的产品。这就要求 所有的蓝牙设备都能够严格符合蓝牙协议、执行蓝牙规范。由于蓝牙协议还没有 经过充分的验证和测试，而且不同厂商对协议的理解也不可避免地会有偏差，因 而开发出来的芯片协议栈可能无法互通。二是在世界上不同的国家或地区，蓝牙 设备都能无障碍的使用，无需对所用的蓝牙设备提出特殊的要求或进行特别的设 置。这要求所有的国家或地区都开放所使用的i s m 频段，而且对该频段的无线电 参数要求也一样。 ( 2 ) 干扰问题研究蓝牙使用在空间中传播的无线电波来发送和接收信号，所以 要比使用线缆传输的有线网络更容易受到大气干扰和其它发射系统的影响，而且 蓝牙工作在无需授权的i s m 频段，干扰问题就显得更加严重。因为蓝牙不是在这 个频段内工作的唯一短距离无线通信方式，i e e e 8 0 2 1 i b 和h o m e r f 也工作在这 个频段，所以它们之间的干扰在所难免。另外，工作在同一频段的家用电器如微 波炉、无绳电话、汽车开门器等也会对蓝牙产生干扰。从蓝牙技术诞生之f i 起到 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 现在，蓝牙和其它技术的相互干扰就一直是受国内外研究者普遍关注的一个i ；1 题。 本论文也正是对这个问题进行了研究。 ( 3 ) 信息安全问题研究为t a n 强传输数据的安全性，蓝牙在它的技术设计和协 议制定中已采用了许多项措施，包括跳频、鉴权、加密等。但是这些措施仍然有 漏洞存在。比如蓝牙只对设备鉴权，不对用户鉴权，这意味着当蓝牙设备被偷走 或借用时，还能够像原来的合法用户一样使用。如果需要对用户鉴权，就必须在 蓝牙内置的链路级安全机制的基础上，增加应用级的安全机制。 ( 4 ) 数据传输速率问题研究蓝牙的数据传输速率理论上可以达到l 1 0m b i t s ， 但实际中仅为7 2 1k b p s ，这对于传送语音数据来说是足够的，传输静止的图片和 经过压缩的视频信号也可以应付，但不足以传递实时视频信号。蓝牙在传送数据 量较大的文件时速度也不够快，这一点不如同类技术，如有线的u s b 、无线的 i e e e s 0 2 1 l b 以及红外的数据传输速率都可以达到1 0m b i g s 以上。 ( 5 ) 漫游问题研究尽管蓝牙是一种可以随身携带的无线通信技术，但是它不支 持漫游功能。它可以在微网或散射网之间切换，但是每次切换都必须断开与当前 微网的连接，还要向新连接的微网提出页面调度的要求。对于诸如手机、数据同 步传输等要求自始至终保持稳定的数据连接的应用来说，这样的切换将使传输中 断，是不允许的。有专家提出，将移动i p 技术与蓝牙技术结合在一起，是解决 这一问题的有效途径之一。 另外，蓝牙芯片价格偏高、芯片面积偏大以及软件问题等都是制约其发展的 原因。不过这些问题都有望在新的版本规范中得以改善。 目前蓝牙和采用8 0 2 1 l b 的无线局域网都采用2 4 g 的i s m 频段，这样它们之 间的干扰就不可避免。8 0 2 1 l b 标准在8 3 5 m l z 带宽中规定了1 1 个可用信道， 通常只使用3 个互不重叠的信道，每个信道带宽大约2 3 m h z 。蓝牙采用跳频扩技术， 采用7 9 个跳频信道，跳频速率为1 6 0 0 h z 。这两种均工作在2 ，4 g h z 的i s m 开放频 段和短距离传输的无线通信设备，如果同时使用，必然相互干扰，在同一办公环境 下将影响双方正常工作。研究消除相互干扰的关键技术非常重要。本论文正是针 对8 0 2 1 l b 与蓝牙共存的问题进行研究，采用了基于自适应跳频技术来解决两者共 存问题，并通过仿真，观察其共存性能。 1 3 通信仿真软件s y s t e mv i e w 的介绍1 5 1 随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，利用物理和数学知识进行系统的传 统建模仿真方式已显得过于烦琐，且效率不高。近2 0 年来，国内外出现了众多专 门用于计算机仿真的语言及软件工具。s y s t e m v i e w 作为由美国e l a n i x 公司推出的 一个信号级系统仿真软件，向我们展示了一个强有力的动态系统分析平台。该软 3 东北 学硕士学位论文 第一章 绪论 现在，蓝牙和其它技术的相互干扰就直是受国内外研究者普遍关注的一个问题。 本论文也正是对这个问题进行了研究。 ( 3 ) 信息安全问题研究为了加强传输数据的安全性，蓝牙在它的技术设计和协 议制定中已采用了许多项措施，包括跳频、鉴权、加密等。但是这4 措施仍然有 漏洞存在。比如蓝牙只对设备鉴权，不对用户鉴权，遮意味着当蓝牙设各被偷走 或借用时，还能够像原来的合法用户一样使用。如果需要对用户鉴权，就必须在 蓝牙内簧的链路级安全机制的基础上，增加应用级的安全机制。 ( 4 ) 数据传输速率问题研究蓝牙的数据传输速率理论上可以达到l 1 0m b i v s ， 但实际中仅为7 2 1k b p s ，这对于传送语音数据来说是足够的，传输静止的图片和 经过压缩的视频信号也可以应付，但不足以传递实时视频信号。蓝牙在传送数据 量较大的文件时速度也不够快，这一点不如同类技术，如有线的u s r 、无线的 i e e e 8 0 21 l b 以及红外的数据传输速率都可以达到1 0 m b i t j s 以上。 ( 5 ) 漫游问题研究尽管蓝牙是一种可以随身携带的无线通信技术，但是它不支 持漫游功能。它可以在微网或散射潮之间切换，但是每次切换都必须断开与当前 微网的连接，还要向新连接的微网提出页面调度的要求。对于诸细手机、数据同 步传输等要求自始至终保持稳定的数据连接的应用来说，这样的切换将使传输中 断，是不允许的。有专家提出，将移动i p 技术与蓝牙技术结合在一起。是解决 这一问题的有效途径之一。 另外，蓝牙芯片价格偏高、芯片面积偏大以及软件问题等都是制约其发展的 原因。不过这些问题都有望在新的版本规范中得以改善。 目前蓝牙和采用8 0 2 1 1 b 的无线局域网都采用2 4 g 的i 洲频段，这样它们之 间的干扰就不可避免。8 0 2 1l b 标准在8 3 5 埘z 带宽中规定了1 1 个可用信道， 通常只使用3 个互i ；重叠的信道，每个信道带宽大约2 3 1 , i ! z 。蓝牙采用跳频扩技术， 采用7 9 个跳频信道，跳频速率为1 6 0 0 h z 。这两种均工作在2 4 g h z 的t s m 开放频 段和短距离传输的无线通信设各，如果同时使用，必然耜互于扰。在同一办公环境 _ f 将影响双方正常工作。研究消除相互干扰的关键技术非常重要。本论文正是针 对8 0 2 tl b 与蓝牙共存的问题进行研究，采用了基于自适应跳频技术来解决两者共 存问题，并通过仿真观察其共存性能。 1 3 通信仿真软件s y s t e mv i e w 的介绍【5 】 随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，利用物理和数学知识进行系统的传 统建模仿真方式已显得过于烦琐且效率不高。近2 0 年来，国内外出现了众多专 门用于计算机仿真的语言及软件工具。s y s t e mv i e w 作为由美国e l n i x 公司推出的 一个信号级系统仿真软件，向我们展示了一个强有力的动态系统分析平台。该软 个信号级系统仿真软件，向莸们展示了一个强有力的动态系统分析平台。该软 一3 查j ! _ 查；兰堡生兰垡笙兰 塑= 兰缝丝 件主要用于电路与通信系统的设计和仿真，并借助大家熟悉的w i n d o w s 窗口环境， 以模块化和交互式的界面为用户提供了一个精密的嵌入式分析引擎，充分满足了 不同层次的仿真要求。 s y s t e mv i e w 仿真系统的特点： ( 1 ) 强大的仿真设计功能：利用s y s t e m v i e w 可以构造各种复杂的模拟、数字、 数模混合系统和各种多速率系统，可用于多种线性和非线性控制系统的设计和仿 真。 ( 2 ) 丰富的库资源：s y s t e mv i e w 除包含基本库外，还带有诸如通信、逻辑、 信号处理以及射频模拟等之类的专业库以备选择，特别适合于现代通信系统的设 计、仿真和方案论证。 ( 3 ) 智能化的辅助设计：在进行设计仿真时，s y s t e mv i e w 能自动执行连接检 查，并给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，对系统具备诊断功能。 ( 4 ) 动态分析和处理：在系统仿真方面，s y s t e mv i e w 提供的动态探针功能， 可对示波器或频谱分析仪进行仿真，而灵活的分析窗口可用以检查系统波形，其 附带的“接收计算器”更是功能强大，可以对仿真运行的结果进行各种运算和分 析。 1 4 论文的组织 本论文研究的内容是采用自适应跳频( a d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n g ，简称 a f h ) 技术来提高蓝牙的抗干扰性，其中的干扰是针对和蓝牙工作在同频段的 i e e e 8 0 2 1 l b 系统。文章在对a f h 技术的工作原理、技术要点和蓝牙本身的抗干 扰机制充分了解的基础上，分析了将a f h 技术应用到蓝牙系统时需要注意的问 题，重点研究了它对蓝牙抗干扰性能的改善程度，并用s y s t e mv i e w 软件对其进 行仿真。具体的内容安排如下： ( 1 ) 第1 章主要介绍了本论文的研究背景。 ( 2 ) 第2 章介绍了蓝牙技术的特点、对和本课题相关的一些协议规范以及蓝牙 跳频机制等有关内容作了简要地介绍。重点研究了7 9 跳蓝牙跳频选择方案的工 作原理，该跳频方案具有跳频快，数据包短等优点，使蓝牙系统获得了较好的抗 干扰性能。最后分析了i e e e 8 0 2 1 l b 和蓝牙之间的干扰情况。 ( 3 ) 第3 章开始简要的介绍了扩频通信和跳频的一般原理和相关概念，重点放 在a f h 技术的研究上。首先分析了a f h 技术的工作原理和关键组成部分：接着 研究了a f h 技术应用到蓝牙系统时的一些关键技术；最后通过一个示例定性说明 a f h 技术是如何提高蓝牙系统抗干扰性能的。 ( 4 ) 第4 章在第三章的基础上，重点研究了自适应跳频中的两个核心技术信道 4 实时评估技术和频率自适应控制技术。采用了定期检测r s s i 值的方法来进行信道 检测，以及直接求模的方法进行频自适应控制。 ( 5 ) 第5 章在详细分析了蓝牙射频部分的基础上，对蓝牙射频系统进行仿真建 模，并用s y s t e m v i e w 软件对其进行仿真，分析了采用a f h 前后的蓝牙系统在 8 0 2 1l b 共存的环境下的通信质量的变化。 5 一 东北大学硕十学位论文 第_ = 二章蓝牙协议概述 第二章蓝牙协议概述 蓝牙技术作为一个全球统一的无线通信标准，在于建立通用的低功耗、低成 本无线电空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结台，使不 同厂商生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围 内具有互用、互操作的性能。因此其协议规范成为这项技术的关键所在。蓝牙规 范规定了蓝牙应用产品应遵循的标准和需要达到的要求。 2 1 蓝牙技术规范 2 1 1 核心协议 整个蓝牙协议体系结构可分为底层硬件模块、中间协议层和高端应用层三大 部分，如图2 1 所示。 应用 t c ss d pr f c o m m 控 黼 制 语 l 2 c a p 音 l m b b r f 图2 1 蓝牙协改栈 f i g21b i u t t o o t hp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n 链路管理层( l i n km a n a g e r ，简称l m ) 、基带层( b a s eb a n d ，简称b b ) 和无线 射频层( r a d i of r e q u e n c y ，简称r f ) 构成蓝牙的底层模块。r f 层通过2 4g b z 无 需授权的i s m 频段，实现数据位流的过滤和传输，它主要定义了蓝牙收发器应满 足的要求。b b 层负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输。l m 层负责连接的建立和 拆除以及链路的安全和控制，它们为上层软件模块提供了不同的访问入口，但是 两个模块接口之间的消息和数据传递必须通过蓝牙主机控制器接口( h o s t c e n t r 0 1 1 e ri n t e r f a c e ，简称h c i ) 的解释才能进行。也就是说，h c i 是蓝牙协议 6 东北大学硕士学位论文 第二章蓝牙协议概述 中软、硬件之间的接口，它提供了一个调用下层b b 、l m 、状态和控制寄存器等硬 件的统一命令接口。h c i 协议以上的协议软件实体运行在主机上，而h c i 以下的 功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过传输层进行交互。 中间协议层包括逻辑链路控制与适配协议( l o g i c a ll i n kc o n t r o la n d a d a p t i o np r o t o c o l ，简称l 2 c a p ) 、服务发现协议( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c l ， 简称s d p ) 、串口仿真协议( r a d i 0f r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o ns e r i a lc a b l e e m u l a t i o np r o t o c o l ，简称r f c o t d i ) 和电话控制协议规范( t e l e p h o n yc o n t r o l p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ，简称t c s ) 。l 2 c a p 完成数据拆装、服务质量控制、协 议复用和组提取等功能，是其它上层协议实现的基础，因此也是蓝牙协议栈的核 心成分。s d p 为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服务及其特性。 r f c o m m 依据e t s i 标准t s 0 7 t o 在l 2 c a p 上仿真9 针r s 一2 3 2 串口的功能。 t c s 提供蓝牙设备间语音和数据的呼叫控制信令。 在蓝牙协议栈的最上部是高端应用层，它对应于各种应用模型的剖面，是剖 面的一部分。目前定义了1 3 种剖面。 2 1 - 2 技术特点 蓝牙底层模块是蓝牙技术的核心，是任何蓝牙设备都必须包括的部分。蓝牙工 作在2 4g h z 的i s m 频段。采用了蓝牙技术的设备将能够提供高达7 2 0k b p s 的 数据交换速率。蓝牙射频定义了三种功率级别，即1 0 0m w 、2 5 m w 和im w 。当 蓝牙设备的功率为im w ( 0d b m ) 时，其发射范围一般可达l om 。在发送过程中蓝 牙使用了功率控制技术。蓝牙技术采用跳频技术来消除干扰和降低衰减。 蓝牙支持电路交换和分组交换两种技术，分别定义了两种链路类型，即面向 连接的同步链路( 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 d ，简称s c o ) 和面向无连接的 异步链路( 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 ，简称a c l ) 。每种链路支持1 6 种不 同的分组类型，其中4 种是控制分组。s c o 数据包既可以传送语音，也可以传送 数据，但在传送数据时只用于重发被损坏的那部分数据。s c o 帧内的收发包结构 必须是对称的，即必须同时包含1 个、2 个或3 个时隙。s c o 数据包在保留的时 隙内发送，一旦s c o 链路建立，主从节点就直接发送s c o 分组，无需轮询( p o l l ) 。 为了建立s c o 连接，必须先建立a c l 链路以传送控制信息。a c l 支持对称和非 对称两种帧格式，a c l 的包( 不论是收还是发) 必须包含奇数个时隙，以使整个帧的 时隙数为偶数( 如1 1 、l a 或者1 5 等) 。 蓝牙组网时最多可以有2 5 6 个蓝牙单元设备连接起来组成微微网，其中一个 主节点和7 个从节点处于工作模式，而其它节点则处于空闲模式。 主节点负责控制a c l 链路的带宽，并决定微微网中的每个从节点可以占用多 7 东北大学硕士学位论文 第二章蓝牙协议概述 少带宽及连接的对称性。从节点只有被选中时才能传送数据，即从节点在发射数 据前必须接受轮询。a c l 链路也支持接收主节点发给微微网中所有从节点的广播 消息。微微网络之间可重叠交叉，从设备单元可以共享。由多个互相重叠的微微 网组成的网络称为散射网。 为了在很低的功率状态下也能使蓝牙设备处于连接状态，蓝牙规定了三种节能 状态，即休眠( p a r k ) 状态、保持( h o l d ) 状念和呼吸( s n i f f ) 状态。在s n i f f 状态 中，从节点降低了从微微网“收听”消息的速率，会醒一会睡，就如同呼吸一 样。而在h o l d 状态中，从节点停止传送数据，但一旦激活，数据传送就立即重 新开始。在p a r k 状态中，从节点被赋予p a r k 节点地址，并以一定间隔监听主节 点的消息。主节点的消息包括：( 1 ) 询问该节点是否想成为活动节点：( 2 ) 询问任 何休眠的节点是否想成为活动节点；( 3 ) 广播消息。这几种工作模式按照节能效率 以升序排依次是s n i f f 模式、h o l d 模式和p a r k 模式。 蓝牙采用三种纠错方案：1 3 f e c 、2 3 f e c 和a r q 。前向纠错的目的是减少重 发的可能性，但同时也增加了额外开销。然而在一个合理的无错误率环境中，多 余的头标会减少输出，故分组定义的本身也保持灵活的方式，因此，在软件中可 定义是否采用f e c 。一般而言，在信道的噪声干扰比较大时蓝牙系统会使用前向 纠错方案以保证通信质量。对于s c o 链路，使用1 3 f e c ，对于a c l 链路，使用 2 3 f e c 。在无编号的自动请求重发方案中，一个时隙传送的数据必须在下一个时 隙得到收到的确认。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余校验 ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，简称c r c ) 后认为无错时，才向发送端发回确认消息， 否则返回一个错误消息。 蓝牙系统的移动性和开放性使得安全问题变得极其重要。虽然蓝牙系统所采用 的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层 的安全管理。在链路层中，蓝牙系统提供了认证、加密和密钥管理等功能。每个 用户都有一个个人标识码( p e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nn u m b e r ，简称p i n ) ，它会 被译成1 2 8b i t 的链路密钥来进行单双向认证。一旦认证完毕，链路就会以不同 长度的密码来加密( 此密码以8b i t 为单位增减，最大长度为1 2 8b i t ) 【7 】。链路 层安全机制提供了大量的认证方案和一个灵活的加密方案( 即允许协商密码长 度) 。当来自不同国家的设备互相通信时，这种机制是很重要的，因为某些国家会 指定最大密码长度，蓝牙系统会选取微微网中各个设备的最小的最大允许密码长 度。另外，监牙系统也支持高层协议栈的不同应用体内的特殊安全机制。蓝牙安 全机制依赖于p i n 在设备之间建立信任关系，一旦这种关系建立起来了，这些 p i n 就可以存储在设备中以便将来更便捷地连接。蓝牙1 1 规范已公布的主要技 8 东北大学硕士学位论文 第二章 蓝牙协议概述 术指标和系统参数如表2 1 所示。 表2 i 蓝牙技术指标和系统参数 t a b l e 21t h et e c h n i q u es t a n d a r da n ds y s t e mp a r a r a e t c r so f b l u e t o o t h 工作频段 i s m 频段：2 4 0 2 g h z - 一24 8 0 g h z 殿t 方盐 牟双工，t d d 时井瘢丁 、眦韩娄犁支持电路夺搀和分组空捶竹磐 数据速摩i m b s 非同出信道非对称连格7 2 1 k b s 5 7 6 k b s 4 3 2 6 k b s 同弗信j 酋凉率 6 4 k b s 功率 差国f c c 覃求小于0 d b m t l m w 、奠他国家可扩屐柏1 0 0 m w