（微电子学与固体电子学专业论文）微微网同频干扰对蓝牙数据传输的影响.pdf

摘要 摘要 蓝牙是一种开放性的短距离无线通信规范，用于提供全球通用、低成本、低 功耗、灵活的短距离无线连接解决方案。蓝牙采用全球统一开放的2 4 g h zi s m ( 工 业、科研和医疗) 频段，可免受各国频率分配不统一的影响。但也正因为这样，在 该频段内，存在大量彼此各异且互不协调的设备，使得蓝牙设备的干扰问题成为 蓝牙技术的核心问题之一。虽然蓝牙采用了自适应跳频、正向纠错( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o nf e c ) 和短分组技术来减少同频干扰和随机噪声，提高无线通信的质量， 但随着蓝牙设备的大量出现，蓝牙设备不仅要面对来自其它设备的干扰，来自蓝 牙设备自身的干扰问题也势必越来越严重，提早研究，避免问题的严重化，是处 理该问题的最好方法。 文中，详尽分析了蓝牙数据传输和蓝牙跳频选频机制，在c r g w i n 下用程序模 拟实现了蓝牙跳频选频机制，并输出蓝牙跳频序列。接着，首先从蓝牙数据分组 出发，建立了蓝牙微微网相互之间干扰的数学模型，根据此模型推导了蓝牙数据 分组重传概率与微微网个数之间的关系表达式，并在m a t l a b 环境下，以蓝牙d h l 数据分组为例，在基本跳频和自适应跳频两种情况下，仿真实现数据传输成功率 和微微网个数的关系曲线；其次，从蓝牙跳频模式出发，用程序模拟1 6 组采用不 同的蓝牙地址和时钟产成的蓝牙跳频序列，对该生成序列进行统计分析，得到了 碰撞概率与微微网个数的关系曲线。为了更进一步证实文中所建立的蓝牙模型的 准确性，用1 2 个蓝牙d o n g l e 作为发射和接收端，主机端运行b t s a m p l e 程序，进 行实物测试。最后将模拟和仿真结果与实际测试结果进行了分析和对比，发现实 测数据和仿真数据基本吻合。 在各个模型的末尾，指出了本文中所建立的两个蓝牙微微网同频干扰模型的 不足，希望能够对以后更深入的研究有所帮助。 关键字：蓝牙d h l 数据分组微微网吞吐量共存 a b s t r a c t a b s t r a c t b l u e t o o t hi sa no p e ns p e c i f i c a t i o nf o rs h o r t - r a n g ea dh o cr a d i oc o n n e c t i o n s ， w h i c hp r o v i d e su sak i n do fu n i v e r s a l ，l o w c o s t ，l o w p o w e ra n df l e x i b l es h o r td i s t a n c e 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 y b l u e t o o t hu s e st h es h a r i n gr e s o u r c eo fi s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) b a n d ，w h i c hm a k e sb l u e t o o t hn o ta f f e c t e db yt h e s k i m b l e - s c a m b l eo ff r e q u e n c yi ne v e r yc o u n t r y b u tj u s tf o rt h es a m er e a s o n ，t h e r ea r e n u n l e r o u s ，d i s p a r a t ea n du n c o o r d i n a t e dd e v i c e sw o r ki nt h i sb a n d ，s ot h ei n t e r f e r e n c e o fb l u e t o o t hi sb e c o m i n go n eo ft h eh o t t e s tr e s e a r c hp o i n t sa l la r o u n dt h ew o r l d a l t h o u g ht e c h n o l o g i e so f a f c ( a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r 0 1 ) ，f e e ，s h o r tp a c k e th a db e e n u s e dt or e d u c et h ec o - c h a n n e li n t e r f e r e n c ea n dr a n d o mn o i s ea n di m p r o v et h eq u a l i t y o fa dh o er a d i oc o n n e c t i o n s ，t h e r ea r em o r ea n dm o r eb l u e t o o t hd e v i c e su s e dw h i c h m a k e sb l u e t o o t hd o e sn o to n l yf a c et h ei n t e r f e r e n c eo fo t h e rk i n d so fd e v i c e sb u ta l s o t h ei n t e r f e r e n c ea r i s i n gf r o mt h e m s e l v e s a n dt h el a t t e rw i ub e c o m ew o r s ea n dw o r s e t h eb e s tw a yt od e a lw i t ht h i sp r o b l e ma n da v o i db e c o m i n gm o r es e r i o u si st od ot h e r e s e a r c ha b o u tt h a t i nt h i sp a p e r , t h ed a t et r a n s m i s s i o no fb l u e t o o t ha n dt h ea l g o r i t h mo ff r e q u e n c y h o p p i n ga n dc h o u s i n gw a ss t u d i e d ，t h ea l g o r i t h mo ff r e q u e n c yh o p p i n ga n dc h o u s i n g o fb l u e t o o t hw a ss i m u l a t e db yp r o g r a mu n d e rc r g w i n ，t h es e q u e n c eo ff r e q u e n c y h o p p i n gw a sg o t t e n a tf i r s t ，t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ei n t e r r u p t i o nb e t w e e nt h e d i f f e r e n tb l u e t o o t hp i c o n c t si sf o u n d b a s e do nt h em o d e l ，t h ef u n c t i o n a le x p r e s s i o no f b l u e t o o t h sp a c k e t st r a n s m i s s i o np r o b a b i l i t ya n dt h en u m b e ro f p i c o n e t sa r ep r o v i d e d ， t h ed h lb l u e t o o t hb a s e b a n dp a c k e t st r a n s m i s s i o nu n d e rb a s ef r e q u e n c ya n da f c w e r es i m u l a t e du n d e rm a t l a b t h e nt h ec u r v eo fc o l l i s i o na b o u t16c o u p l ep i c o n e t sw a s d e r i v e df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ff h ( f r e q u e n c yh o p p i n g ) a l g o r i t h m 12 b l u e t o o t hd o n g l e sw e r eu s e da st h ep a r t so fs e n d i n ga n dr e c e i v i n gf o rat e s t t h r o u g h c o m p a r i n gt h er e s u l t so f s i m u l a t i o na n dt h et e s t ，w ef o u n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ei n a g r e e m e n tw i t ht h o s ef r o mt e s t s a tt h ee n do fe v e r ym o d e l ，t h es h o r t a g e sw e r eg i v e n ， w eh o p et h i sc a nb eh e l p f u lt ot h o s ew h oh a v ead e e ps t u d y k e y w o r d s ：b l u e t o o t hd h l p a c k e t p i c o n e t t h r o u g h p u t c o e x i t 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名 引币答幺卜去垃 导师签名( j 釜查：乌 第一章绪论 第一章绪论 蓝牙是从英文名词b l u c t o o t h 直译过来的，是一种短距离无线通信的技术规 范。其设计意图是以相同的成本和安全性实现一般电缆的功能，使得近距离内的 各种设备能够无线连接，实现无缝资源共享。目前蓝牙这个名词对于大众来说己 不再陌生，蓝牙设备也已经在世间范围内得到较为广泛的使用。同时，随着蓝牙 设备的普及，来自蓝牙设备自身的干扰问题，成为了广大蓝牙爱好者和蓝牙研究 人员关注的焦点之一。 1 1 研究背景与国内外研究现状 1 1 1 研究背景及意义 早在1 9 9 4 年，瑞典的爱立信公司开始研究在计算机、移动电话及其附件之 间实现低成本、低功耗无连接接口的可行性，随着研究的进行，他们意识到短距 离无线通信的广阔应用前景，决心建立一套短距离无线通信的开放标准，并且以 中世纪丹麦国王h a r a l d 的外号( b l u e t o o t h ) 为其命名【2 】，意在像当年h a r a l d 国王 统一多国一样在全球建立统一的短距离无线通信开放规范。 作为一种取代数据电缆的短距离无线通信的技术规范，蓝牙为各种通信设备 和计算机外设提供了短距离、低代价、低功耗的无线解决方案【1 】【1 2 】。蓝牙技术通 过低带宽电波实现点对点，或点对多点连接之间的信息交流。采用时分双工的通 信方式，组成临时性的对等连接。不低于8 个的蓝牙设备可以组成一个微微网， 其中只有一个为主设备，其余均为从设备【l 】。蓝牙的跳频频隙是2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 的相隔1 m h z 的7 9 个通道( 有些国家是2 3 个) ，其4 8 位的主设备地址的低2 8 位和本地时钟，确定每次通信的跳频序列【3 】【4 1 。 蓝牙系统中的干扰大致分为两类：一类是来自工作在2 4 g h z 频率范围内的非 蓝牙设备的干扰【5 】【6 】【8 1 。例如无线电话，微波炉以及其它局域网技术如w i f i 、 h o m e i 疆、z i g b e e 等。另一类是来自蓝牙微微网之间的干扰【7 】【9 【1 0 1 。蓝牙装置彼此 之间能够在通信范围内建立点对点连接，也可以共享信道而形成微微网，也可以同 时加入多个微微网，连城散射网。每个微微网都使用独立的跳频序列，其内部的跳 频序列是正交的，不会产生干扰。但不同的微微间会因为频率重叠而产生跳频碰撞 干扰，导致传送数据包的丢失，从而降低了网络的吞吐量。而且这种碰撞会随着蓝 牙设备的广泛使用，微微网数目的急剧增多而愈演愈烈，成为影响蓝牙技术发展的 2 微微网同频干扰对蓝牙数据传输的影响 又一个核心问题。 自从蓝牙规范1 o 推出以后，蓝牙技术得到迅猛发展，目前蓝牙技术几乎已 经覆盖了全球各个行业。在人口密集区，比如说，机场、会议室和大型商场等随 着蓝牙技术的推广，蓝牙设备的使用数目在急剧增长，同一时刻可能会有很多的 蓝牙设备在工作。而这些蓝牙设备会组成非常多的微微网，蓝牙微微网之间的干 扰问题也就随之变的越来越严重，成为必须去面对，去解决的重要问题之一。 1 1 2 国内外研究现状 蓝牙技术以“替代电缆”为设计初衷，其实现过程就是从实验室进入市场的过 程，这个过程要经过三个阶段：第一阶段为蓝牙产品作为附件应用于移动性较大 的高端产品中，如移动电话耳机、笔记本电脑、u s b 卡或p c 卡等，或应用于特 殊要求或特殊场合，这种场合只需要性能和功能而不在乎价格，这一阶段的时间 大约在2 0 0 1 年底到2 0 0 2 年底。第二阶段蓝牙产品嵌入高档产品中，如p d a 、移 动电话、p c 和笔记本电脑等，蓝牙的价格也迸一步下降，有关的测试和认证工作 初步完善，此时蓝牙产品的价格估计在1 0 美元左右，这一时间段是2 0 0 2 年- - 2 0 0 5 年。第三阶段是2 0 0 5 年以后，蓝牙进入家用电器和数码相机及其它各种电子产品 中，蓝牙网络随处可见，蓝牙应用开始普及，蓝牙产品的价格在2 5 美元之间， 每人可拥有2 3 个蓝牙产品【1 1 儿1 2 】。 根据技术和市场导向，目前世界各大芯片厂商正积极投入力量进行蓝牙芯片 的研制与测试。爱立信和诺基亚公司都推出了自己的支持蓝牙的手机，i b m 公司 推出了支持蓝牙的硬盘。美国国家半导体公司和s i l i c o nw a v e 公司推出了蓝牙基 带芯片和r f 芯片。蓝牙鼠标、蓝牙键盘和蓝牙数码相机等蓝牙产品相继出现在 现实生活中，蓝牙正影响着现代人的生活。欧洲许多著名的大学都在蓝牙领域做 着积极的研究。不断浩大的蓝牙技术联盟( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p s i g ) 正吸引看 数以千万的公司从事蓝牙标准工作的制定、产品的测试与认证。随着蓝牙应用的 日益广泛，它的干扰问题的解决也越来越受到关注，其中以与同样工作在2 4 g h z i s m 共享频段的i e e e 8 0 2 1 1b 的共存问题较为严重。其次，随着蓝牙设备的广泛 使用，来自蓝牙设备自身的干扰也不容忽视，而且这个问题会越来越严重，成为 要去面对的当要之急。近几年，国内外对蓝牙同频干扰的研究根据研究角度的不 同大致可归为以下两类：一类是从蓝牙跳频跳频选频着手研究【1 3 】【1 4 】；另一类是从 蓝牙数据包格式出发研究【1 5 】【1 6 】【1 刀【1 8 】；两种研究角度各有优势，各反映着蓝牙数据 传输中的某一部分，但是只考虑某一方面去研究这个问题，对该问题的研究都是 不全面的。 第一章绪论 1 2 论文主要内容 在本文中，作者首先阐述了蓝牙技术的起源，蓝牙技术的发展历程和发展前 景，分析了当前国内外对在蓝牙系统同频干扰的研究，然后阐述了蓝牙技术规范 和相关概念。本文的主要工作是分析了蓝牙跳频选频机制，并在c r g w i n 下模拟了 蓝牙跳频选频过程，生成了蓝牙跳频序列。对蓝牙微微网同频干扰情况，分别从 两个方面建立模型、研究和仿真，并进行了实际的测试，将测试结果与相关仿真、 模拟结果进行比较，发现异同，以便更好的学习研究。本文共分为五章，具体内 容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍本课题的研究背景及意义、国内外研究现状和本文 的主要工作。 第二章是蓝牙规范及其数据传输与数据分组，重点讲述了蓝牙技术相关概 念、蓝牙物理链路、蓝牙数据传输和蓝牙数据分组的相关知识。为下文的继续展 开作铺垫。 第三章是蓝牙跳频选频机制分析及其模拟实现，本章探讨分析了蓝牙跳频选 频机制，在c r g w i n 下模拟实现了该机制，并详细分析了模拟生成的蓝牙跳频序列。 第四章是蓝牙同频碰撞干扰模型，在这一章中，从蓝牙数据分组，蓝牙跳频 选频机制两个方面对蓝牙微微网同频干扰进行建模分析，并将其与实际的测试结 果进行了比较，最后指出各个模型有待改进的地方。 第五章对本文进行总结，并提出一些改进意见，以待下一步的完善和改进。 3 一 第二章蓝牙规范及蓝牙数据传输与数据分组 三 第二章蓝牙规范及蓝牙数据传输与数据分组 上一章介绍了本文的研究背景及意义、国内外研究现状和本文的主要内容。 本章将介绍蓝牙规范里的部分相关概念及蓝牙数据传输与数据分组技术。 在蓝牙数据通信中，蓝牙数据传输和蓝牙数据分组技术借鉴了有线数据通信 中的相关技术，但同时又具有其自身的独特性。 2 1 蓝牙技术概述 2 1 1 蓝牙技术的产生发展 说到蓝牙技术，就不得不提到爱立信移动通信公司( e r i c s s o nm o b i l e ) 。1 9 9 4 年，爱立信设立了一个研究项目，研究移动电话及其附件之间实现低功耗、低成 本无线接口的可行性。随着项目的进行，爱立信公司意识到这种短距离无线技术 的有着广阔前景，该公司将此项技术正式命名为蓝牙( b l u e t o o t h ) ，开始更加深 入的研究。为了让蓝牙技术得到更好的发展，1 9 9 8 年5 月，爱立信联合诺基亚、 英特尔、i b m 和东芝一起成立了蓝牙特殊利益集团s i g ，负责蓝牙技术标准的制 定、产品测试，并协调各国蓝牙的具体使用。随后3 c o m 、朗讯、微软和摩托罗 拉也加入了s i g 。 1 9 9 9 年7 月s i g 公布了蓝牙规范1 0 版，蓝牙技术的推广与应用得到了迅猛 发展。之后相继又推出了版本1 1 、1 2 和2 0 。由于没有考虑到设备互操作性的 问题，蓝牙规范1 o 在标准方面有所欠缺。例如出于安全性方面的考虑，版本1 0 设备之间的通信都是经过加密的，当两台蓝牙设备之间尝试着建立起一条通信链 路的时候，它们会因为不同厂家设置的不同口令的不匹配而无法正常通信，或者 如果从设备处理信息的速度高于主设备的话，随之而来的竞争态势会使两台设备 都以为自己是通信主设备。版本1 1 针对这一问题进行了解决，但是它很容易受 到主流的8 0 2 1 1 b 设备的干扰。于是在s i g 发布的1 2 设备标准规范中，增加a f h 可调式跳频技术( a d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n g ) 这项技术，提供了更好的同频抗 干扰能力，同时加强了语言识别能力，改善了语音连接的品质，并能更快速的建 立连接。而最新版的蓝牙规范2 0 提高了多任务处理和多种蓝牙设备同时运行的 能力，带宽的提升使得2 0 版本的蓝牙设备可以传输更大的文件，而更低的电力 消耗使得蓝牙设备可以达到过去设备2 倍的运行时间，同时兼容所有旧版规范。 预计于2 0 0 7 年底s i g 将公布蓝牙规范3 o 版。它将是蓝牙与u w b ( u l t r a - w i d e 6 微微网同频干扰对蓝牙数据传输的影响 b a n d ) 整合的结果，目标速率为2 0 0 m b p s 。u w b 主要是有一个物理层，上端的 协议栈不是很完整；蓝牙的物理层速度低，但上层的协议栈( 包括各类p r o f i l e ) 很 完整，这是两者合作的基础。具体来说，合作的构想是利用u w b 的物理层，而 仍采用蓝牙的上层设计和应用框架。蓝牙3 0 规范的推出有可能将会出现一统天 下的局面。 2 1 2 主从设备、微微网和散射网 当多个蓝牙设备互相靠近时，若有一个设备主动向其它设备发起连接，他们 就行成了微微网( p i c o n e t ) 。主动发起连接的设备称为微微网的主设备( m a s t e r ) ， 对于主设备的连接请求进行响应的设备称为从设备( s l a v e ) 。微微网的最简单组 成形式就是两个蓝牙设备的点对点连接，如图2 1 中的a 所示。微微网是实现蓝 牙无线通信的最基本方式，微微网不需要类似蜂窝网基站和无线局域网接入点之 类的基础网络设施。 一个微微网只有一个主设备，一个主设备最多可以同时与多个从设备( 最多 7 个) 如图2 1 中b 所示进行通信，这些从设备称为激活从设备( a c t i v es l a v e ) 。 但是同时还可以有多个隶属于这个主设备的休眠( p a r k e d ) 从设备。这些休眠从 设备不进行实际的有效数据的收发，但是仍然和主设备保持时钟同步，以便将来 快速加入微微网【1 1 。不论是激活从设备还是休眠从设备，信道参数都是由微微网 的主设备进行控制的。 散射网( s c a t t e rn e t ) 是多个微微网在时空上重叠组成的比散射网覆盖范围 更广的蓝牙网络，其特点是微微网间有互连的蓝牙设备，如图2 1 中c 所示。虽 然微微网只有一个主设备，但是从设备可以基于时分复用( t i m em u l t i p l e x i n g ) 机制加入不同的微微网，而且一个微微网的主设备可以成为另一个微微网的从设 备，每个微微网都有自己的跳频序列，它们之间并不跳频同步。 图2 1 蓝牙主从状态及网络模 第二章蓝牙规范及蓝牙数据传输与数据分组三 2 1 3 蓝牙时钟 每个蓝牙设备都有一个独立运行的内部系统时钟，称为本地时钟，用于决定 收发器定时和跳频同步【l 】【9 】。本地时钟无法进行调整，也不会关闭。为了与其他 的设备同步，要在本地时钟上加上一个偏移量，以提供给其他设备实现同步。蓝 牙时钟频率为3 2k h z ，时钟分辨率小于蓝牙射频跳频周期分辨率的一半 ( 3 1 2 5 i - t s ) 。蓝牙时钟周期大约是一天( 2 4 h ) ，使用一个2 8 位的计数器，如图2 2 所 示，循环周期为2 2 2 8 1 。蓝牙基带有四个关键周期：3 1 2 5 p s ，6 2 5 i - t s ，1 2 5 m s 和1 2 8 s ， 分别对应定时器计数器的四个位：c o ，c 1 ，c 2 ，c 1 2 。主设备从偶数时隙开始发送， 此时c o 和c 1 都为0 ，从设备接收；从设备从奇数时隙开始发送。 2 1 4 蓝牙地址 1 2 l l1 098765432l0 图2 2 蓝牙设备的本地时钟 蓝牙设备地址( b da d d r ) 是蓝牙设备最稳定的实体。b da d d r 是一个 4 8 比特长的地址，它以电子的方式“记录”在每个设备上。在全球所有蓝牙设备中， 每个设备的b da d d r 都是唯一的。为了保证唯一性，由一个地址管理机构分配 b da d d r 。如图2 3 所示，从最低有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 到最高 有效位( m o s ts i g n i f i c a n tb i t ，m s b ) ，这个4 8 比特的地址段被分为3 部分；低地 址端部分( l o w e r a d d r e s sp a r t ，u 心) 、高地址端部分( u p p e r a d d r e s sp a r t ，u a p ) 以及非有效地址部分( n o r - s i g n i z a t i o na d d r e s sp a r t ，n a p ) 。u a p 和n a p 共2 4 比特，构成了地址的机构唯一标识符( o r g a n i z a t i o nu n i q u ei d e n t i f i e r ，o u i ) 部分， 这部分地址由地址管理机构分配，l a p 则由各组织自行分配。b da d d r 的各部 分几乎与每一个基带操作有关，包括微微网的识别、跳频选择、分组头检错、认 证和密钥的产生等【l j 。 8 微微网同频干扰对蓝牙数据传输的影响 l s bm s b c o m p a n ya s s i g n e do o m p a n y _ l d l a pu a pn a p 0 0 0 0o 0 0 10 0 0 0o o o o0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 1111 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 2 2 1 概述 图2 3 蓝牙设备地址( b da d d r ) 2 2 蓝牙物理层链路 在主设备与从设备之间，可以建立两种不同类型的链路：同步链路 ( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o no r i e n t e d s c o ) 和异步链路( a s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n l c s sa c l ) 。 s c o 链路是微微网主设备与从设备之间点对点链路，主设备通过使用规则间 隔的保留时隙运行s c o 链路；a c l 链路是主设备与微微网内所有从设备之间点 对多点链路。在非保留时隙上，主设备可以时隙为单位，建立到任何从设备的a c l 链路，包括已经处于s c o 链路的从设备1 8 1 。 2 2 2a c l 链路 a c l 链路在主从设备间以分组交换( p a c k e t - s w i t c h e d ) 方式传输数据，既可 以支持异步应用，也可以支持同步应用。一对主从设备只能建立一条a c l 链路。 a c l 通信的可靠性可以由分组重传来保证。由于是分组交换，在没有数据通信时， 对应的a c l 链路就保持静默。 微微网中的主设备可以与每个与之相连的从设备都建立一条a c l 链路。双 向对称连接a c l 链路传输率为4 3 3 9 k b p s ；双向非对称传输数据时，正向5 时隙 分组( d h 5 ) 链路可以达到最大传输率7 2 3 2 k b p s ，反向单时隙链路传输率为 5 7 6 k b p s 。 主设备在主一从a c l 时隙内发送的a c l 分组含有接收从设备的设备地址 ( ( 0 0 1 ) b - - - ( 1 1 1 ) b 之间的一个) ；在随后的从_ 主a c l 时隙内，从设备发送a c l 分组到主设备。如果从设备未能从接收到的主一从a c l 分组头解析从设备地址， 或者解析到的地址与自身不匹配，那么它就不能在紧跟的从_ 主a c l 时隙发送 a c l 分组。a c l 链路允许广播发送数据，此时主一从a c l 分组头的从设备地址 被设为( 0 0 0 ) b ，微微网中每一个从设备都可以接收并读取，但不作响应。 第二章蓝牙规范及蓝牙数据传输与数据分组 竺 2 2 3s c o 链路 s c o 链路在主设备预留的s c o 时隙内传输，因而可以看作电路交换【2 】。s c o 分 组不进行重传操作，一般用于像语音这样的实时性很强的数据传输。 只有建立了a c l 链路之后，才可以建立s c o 链路。一个微微网中的主设备最 多可以同时支持3 条s c o 链路( 这3 条s c o 链路可以与同一从设备建立，也可以是与 不同从设备建立) ；一个从设备与同一主设备最多可以同时建立3 条s c o 链路，或 者与不同主设备建立2 条s c o 链路。为了充分保证语音通信的质量，每一条s c o 链 路的传码率都是6 4 k b p s 。 主设备在预留的主_ 从s c o 时隙内，向从设备发送s c o 分组，分组头含有应该 做出响应的激活从设备地址。在紧跟的从_ 主s c o 时隙内，对应的从设备向主设 备发送s c o 分组。与a c l 分组不同的是，即使从设备未能从接收到的包头解析出 从设备地址，也允许在其预留的s c o 时隙返回s c o 分组。 2 3 i 信道复用技术 2 3 蓝牙数据传输 用同一信道传输多路消息信号，称为信道复用。信道复用技术有以下几类： 1 频分复用( f r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gf d m ) ：各路消息信号占用互 不重叠的频带，在收端利用带通滤波器进行分路。 2 时分复用( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt d m ) ：各路消息信号在时域上占 用不同的时隙，在收端利用开关( 门) 电路进行分路。 3 码分复用( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gc d m ) - 各路消息信号在时域和频 域上重合，但利用编码的正交特性加以区分，依靠相关器进行分路。 根据蓝牙的信道复用方式，下面介绍时分复用技术。时分复用分为同步时分 复用和异步时分复用。同步时分复用的基本原理可见图2 4 。时间轴被分为周期性 重复出现的t d m 帧。每帧除起始标志f 以外，分成n 个等长的时隙，每路消息 占用一个时隙。原则上的时隙长度可以是1 b i t 、8 b i t 或一个分组，同步时分复用 的典型例子是数字电话复用系统。 圆二衄二皿二 r 第i 帧叫卜第i + l 帧叫 图2 4 t d m 帧的结构 微微阿同频干扰对蓝牙数据传输的影响 异步时分复用叉称为统计时分复用，它与同步时钟复用的区别见图2 5 。同步 时钟复用是通过周期性帧内时隙的位置来区分不同的信息通路的。不管用户是否 发送信息，都要占用响应的时隙。异步时分复用虽然也分时隙，但是通过时隙的 标头信息区分不同的通路。用户若无信息发送，则不占用时隙，故信道利用率得 以提高，其代价是标头的开销。为了减小开销，时隙长度需增加，不再是一个字 节，而是一个分组，所以异步时分复用又称为分组复用。 p 时分复 t o tt ， e 丌 i t r ：丁习 l i j l 一 卜强11j f _ 叫+ 臻2 w _ + l 旺1 卫e i 丑亘 p 鹅】盯巾第2h i 叫 “敬州目把二地j 二_ 图2 5 同步时分复用与异步时分复用 异步时分复用是分组交换的基础，著名的异步转换模式( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d c a t m ) 就是一种以异步时分复用概念为基础的新型信息传输模式。 在a t m 体制下，时隙的长度为5 3 b i t ，其中标头为5 b i t ，信息域为4 $ b i t 。 异步时分复用可用图2 6 所示的异步时分复用器实现。各路信息在迸到信道 之前，首先进入数据缓冲器，然后按照一定的轮询规则将缓冲器中的数据分组读 出并送到信道上。轮询规则有以下几种嗍； 1 均匀服务。查询到某缓冲器时，每次只读一个分组，然后转到下一个缓冲 器。 2 彻底服务。每次查询到某缓冲器时t 将缓冲器内所有分组一次发送出去直 至放空，然后转向下一个缓冲器。 3 自适应服务。每次从缓冲器读出的分组数与缓冲器的状态( 即所存的分组 数) 有关。在接收端，将根据每个分组的标头信息把它们发给相应的用户。 第二章蓝牙规范及蓝牙数据传输与数据分组旦 查询输出 n 二 一 图2 6 异步时分复用器 2 3 2 蓝牙异步与同步数据传输 信道 与其它一些通信技术相同，蓝牙无线技术使用串行通信，以二进制的格式( o 和1 ) 来传输数据。串行通信使数据以顺序的方式传输，使用1 和o 组成的连续 序列通过链路传输到达远端的设备。这种信息传输的方式既可以应用于异步数据 传输也可以应用于同步数据传输。蓝牙a c l 数据采用异步传输，s c o 数据采用 同步传输。 在异步数据传输中，通过在每8 b i t 的单元前面加一个起始比特，后面加一个 结束比特来建立同步。发送设备发送一个起始比特来通知接收设备，接着发送设 备再发送一个字符，这个字符发送过来后，后面就接着是一个结束比特，用来表 示这个字符的发送已经完成。在通话期间连续地执行上述过程。异步表示在接收 端串行数据流中的比特并不固定在一个特定的时钟上，发送端和接收端只需将时 钟速率调成大致相同即可。 在同步传输中，数据以连续码流的形式在链路中传送，在传输字符的过程中 不需要使用起始和结束比特，节省了用于开始和结束比特的开销。依靠发送和接 收设备间的精确时钟，在解码过程中解出比特流中的1 和0 。链路的每个终端设 备利用时基来判断在比特流中每个字符的开始和结束。每个终端设备必须和其它 设备使用一个公共时钟源，并且要达到精确同步，才能使得这种传输方式正常工 作。在发送任何用户数据之前，终端设备通过发送一个被叫同步字的特殊字符来 实现精确同步。当设备的时钟同步完成后，开始发送用户数据【| 7 1 。 2 4 蓝牙数据分组 蓝牙标准规范使用了s c o 和a c l 两种数据分组。s c o 数据分组用在传输语 音的同步链路上，传送到同步f o 的语音端口。它们不包含纠错机制也不会重传， 因为这样做的时延会降低语音质量。a c l 数据分组用在异步链路上，所承载的信 1 2 微微网同频干扰对蓝牙数据传输的影响 息可以是控制数据也可以是用户数据。因为异步链路所承载的数据对延时不敏感， 所以数据分组可以包括错误控制和重传机制用来纠正在传输过程中损坏的数据分 组。 2 4 1 蓝牙数据分组格式 蓝牙系统采用的数据分组格式如图2 7 所示。采用了分组( 包) 的传输方式：将 信息分组打包，时间划分为时隙，每个时隙发送一个分组包。每一分组由三部分 组成：接入码( a c c e s sc o d e ) 、分组头( h e a d e r ) 和有效载荷( p a y l o a d ) ，图2 7 中给出了每个部分所占的位数。 7 2 6 8 5 20 - - 一2 7 4 5 图2 7 蓝牙数据分组的一般格式 1 接入码 每个数据分组都以一个起信令作用的接入码开始。接入码的字段包括一个引 导码，一个同步字和一个尾码组成，如图2 8 所示。引导码指示有一个数据分组 达到了接收方。同步字用来与接收方进行时钟同步。接收方要和接入码中的整个 同步字相关，这样的信令机制是很好的。如果接入码后面紧跟的是分组头，则尾 码添加在同步字后面，接入码长度为7 2 位，否则是6 8 位。 7 2 6 85 20 - - - - 2 7 4 5 46 44 图2 8 蓝牙数据分组接入码组成 接入码根据蓝牙设备的操作模式提供不同的功能。相应的有三种接入码：信 道接入码、设备接入码和查询接入码。 2 分组头 分组头包含链路控制信息，信息长度为1 8 位，经过1 3 速率的f e c 编码形 成5 4 位的头序列，见图2 9 。 第二章蓝牙规范及蓝牙数据传输与数据分组 旦 7 2 6 8 5 20 - 2 7 4 5 接入码分组头净荷 l 地址类型流自动重传请求顺序号头字错误校验 34lll 8 图2 9 蓝牙数据分组头组成 分组头采用较简单的纠错方式，对每位信息采用了三位重复码。在分组头中 定义了分组的类型，其中能够进行信息传输的是a c l 分组和s c o 分组。s c o 分 组采用电路交换方式，进行同步传输，该分组不包括循环冗余检测( c r c ) 码， 而且不允许重传，目前主要用于6 4 k b s 。1 的话音传输。真正适用于数据传输的是 a c l 分组，该分组采用分组交换方式，进行异步传输。在蓝牙协议1 2 中定义了 七种a c l 分组，分别为d h l 、d m l 、d h 3 、d m 3 、d h 5 、d m 5 、a u x ( 见表2 1 ) 3 净荷 普通数据分组格式的最后一部分是净荷。净荷中有两种字段：( 同步的) 语音 字段和( 异步的) 数据字段。其中数据字段包含三部分：载荷头、载荷体、还可 能有c r c 见图2 1 0 所示。 7 2 6 85 2 0 2 7 4 5 8 o 2 7 2 l 1 6 图2 1 0 蓝牙a c l 数据分组的净荷组 净荷部分因分组类型不同其编码的方式也不同【8 】。对于d h 分组只进行1 6 位 的c r c 校验，生成多项式为g ( d ) = d 1 6 + d 1 2 + d 5 + 1 。对于d m 分组不仅有c r c ， 还有2 3 码率的f e c 编码，2 3f e c 方案采用了一种( 1 5 ，1 0 ) 简明汉明码表示 方式，其生成多项式为g ( d ) = ( d + 1 ) ( d 4 + d + 1 ) 。 1 4 微微网同频干扰对蓝牙数据传输的影响 2 4 2 蓝牙a c l 分组 可以把s c o 分组看成是一种特殊的a c l 分组来讨论。下面具体分析a c l 分组。a c l 分组数据包使用在异步链路上。这些信息可以携带用户的数据或者控 制数据。包括d m l 数据包，现在己经定义了7 种a c l 数据包类型，除了a u x l 数据包格式外，其余的6 种a c l 数据包包含了c r c 校验码，还包括了分组重传。 表2 1 列出了a c l 分组的各项参数。 蓝牙特别兴趣小组( s i g ) 最新发布的蓝牙核心规范( b l u e t o o t hc o r e s p e c i f i c a t i o n ) v e r s i o n 2 o + e d r ( 增强数据速率) 提高了数据传输速率( 最高支持 3 m b p s 的数据传输率，比当前1 m b p s 的标准提高了3 倍) 并降低了功耗。由于带 宽的增加，新规范提高了设备同时进行多项任务处理与同时连接多个蓝牙设备的 能力，并可传输较大的数据文件，其位错误率也进一步降低。另外，蓝牙2 0 + e d r 新规范可以与1 2 版本的蓝牙规范兼容。具体格式如图2 1 1 所示【l 】。 t 5 8m s b i 喘霉i 隙a 蝴。i 洲c翻眦p a l n o a d d 。a i t 。a 一l 撇- 嘲 图2 1 1蓝牙基带分组的数据增强格式 蓝牙特别兴趣小组还最新发布了6 种新的a c l 分组格式：2 - d h l 、2 - d h 3 、 2 - d h 5 、3 - d h l 、3 - d h 3 、3 - d h 5 ，其中2 - d h 与3 - d h 类型分组与d h 类型分组 格式基本相似，但载荷部分分别使用p 4 一d q p s k ( 相对四相相移键控) 与8 d p s k ( 八相差分相移键控) 调制方式。新增的6 种a c l 分组格式均提供了c r c ( 循 环冗余校验) 机制，但是，并没有提供载荷的前向纠错( f e c ) 机制【2 2 】 2 3 1 1 2 4 。 表2 1 蓝牙基带的a c l 分组 。：| j 月 a s y m m et r t c m a x ” p a y l o a d u 暑e f s y m m e t r i c r a 协e k b l s ) h e a d e f p a y l o a d l n x r a t e t y p e( b y t e s ) ( b y t e s ) f e cc r c ( k b l s ) ，； f o r w a r dr e v e r s e d m l1o 一1 72 ，31 0 8 81 0 8 81 0 8 8 纽 h l 霉镩 j 臻慧b 艘5 辫孽鬈雾 ，重i 各j 。、j 警i j t j 、! ?f 1 7 2 _ 8 j 遵蕊戮。7 鹰弛群：t 7 2 彰缪缪 d m 32口1 2 12 ，3 y e s 2 5 8 13 8 7 25 4 4 i o h 誉，萋致三鬟篱幽哆? 荔象：，“ j i a ：“ m ；， 3 秀囊霪霪了 5 8 5 篇i ? ， 雉j 滋滋 d m 52o - 2 2 42 您 y e s 2 8 6 74 7 783 63 虢a 搦* 。 爱麓瓣o - a a g ；刺 4 二 ： y 耘尊。鼍 粕3 窜慧黔 7 二嚣麓雾礅 6 7 , 6 j 鬣 a u x l1。一2 9n o r o1 8 5 61 8 5 6 1 8 5 6 ；，2 口h v警t 焉黧；缀答鬈譬 o - 5 4 。秀鬈砀：= f 蕾二” y 巷拳一，3 4 氧鑫鬻爹鬻孑翟3 t 5 6 磬3 4 s 名缓臻 ：- 。 2 一o h 32o - 3 6 7n oy e 37 8 2 91