（计算机系统结构专业论文）蓝牙多匹克网系统及仿真串口的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = = ；h , i = = = = = ；= = = ；= = = = = ；= = = = = = = = = = = = = a b s t r a c t “t h es c o p eo fw i r e d a p p l i c a t i o ni sl i m i t e d , w h e r e a st h es c o p e o f w i r e l e s s 印p l i c a t i o ni s u n l i m i t e d ”w i r e l e s si so n eo ft h e d e v e l o p m e n t t r e n d so fc o m m u n i c a t i o n v a r i o u s s h o r t - r a n g ew 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 so c c u ri no r d e rt or e a l i z ep e o p l e sd r e a m o fa c c e s s i n gi n f o r m a t i o na n y t i m ea n da n y w h e r e ，a m o n gw h i c hb l u e t o o t hi s g e n e r a l l y r e g a r d e da st h ep r e f e r e n t i a lt e c h n o l o g yf o r w p a n t h eb a s i cu n i to fb l u e t o o t hn e t w o r ki sp i c o n e t , w h i c hi s1 i k eam i c r o e e l lt h a tc a n p r o v i d eu pt o7u s e r sa c t i v ea c c e s sw i t h i n1 0m e t e r s i no r d e r t op r o v i d ea d e q u a t ea c c e s s b a n d w i d t h ，m u l t i p l ep i c o n e t ss h a l lb el o c a t e dw i t h i no n ea r e a , w h i c hf o r mam u l t i - p i c o n e t s y s t e m i n t e r f e f e n c ee x i s t sb e t w e e np i c o n e t s d a t at r a n s m i s s i o nw i l lf a i l i ft w op i c o n e t s s e l e c tt h es a n l er fc h a n n e lt ot r a n s m i tp a c k e ti nt h es a m et i m e b yu s i n gi n t e r f e r e n c e m o d e l ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o w , w i t h t h ei n c r e a s eo f p i c o n e t si nt h es y s t e m ， t h ei m p a c to fs e l f - i n t e r f e r e n c et ot h es y s t e mt h r o u g h p u ti n c r e a s e sr a p i d l y b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o nv 1 2i n t r o d u c e sa 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 e c h n o l o g yt or e d u c e t h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nb l u e t o o t ha n d8 0 2 1 l bb ys e p a r a t i n gt h es h a r e d s p e c t r u m r e s e a r c hs h o w s a f hc a na l s ob en s e d t or e d u c et h es e l f - i n t e r f e r e n c eb e t w e e n p i c o n e t s 。i t c a l l s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s et h et h r o u g h p u to ft h es y s t e mw h i c hh a sm o r e p i c o n e t s d i f f e r e n tt a c t i c ss h o u l db ea d o p t e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t si nt h ed e s i g no f a m u l t i p i c o n e ts y s t e m 。s u c ha si n q u i r ym o d e ，h a n d o v e rb e t w e e np i c o n e t s ，e t c q u i t eaf e w a p p l i c a t i o n su s ee m u l a t e ds e r i a lp o r tb a s e do i lr f c o m m , w h o s e m u l t i p l e xp r o p e r t yc a l l p r o v i d eas h a r e de m u l a t e d s e r i a lp o r t r e s e a r c hs h o w st h a tu s i n gt h es h a r e de m u l a t e ds e r i a l p o r tc a r ls a v et h es e r v e rc h a n n e l s a n di n c r e a s et h ec o n n e c t i o ns u c c e s sr a t e k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，p i c o n e t ，i n t e r f e r e n c e ，e m u l a t e d s e r i a lp o r t ，m u l t i p l e x i i 华中科技大学硕士学位论文 ：j ：a ：蠹隧寨黪 | l 一。 。 - fi ，。_ - i ? l _ _ f _ = = _ i _ i 曩丽 。_ l 肛豁r 舞謦“一爨1 0 0o 巨鞑：羲然蠢铡 0 - ：i e 鬟篓i i i 麓一! 蚓 ( a ) 非均匀布局( b ) 均匀布局 图3 1蓝牙多匹克网系统布局示意图 3 2 多匹克网系统自干扰分析 上一节我们给出了蓝牙多匹克网系统的典型网络布局：在一定区域内( 如一栋大 楼，一个大厅里) 蜂窝式布署着多个蓝牙接入点，以提供给用户足够的带宽进行数据 和语音的接入。在这种应用模式下我们关，心的是系统所能提供的接入带宽和实际能达 到的吞吐量。在理想的情况下，系统的吞吐量随着输入数据的增多而增加( 即系统吞 吐量应等于系统负载) ，最终达到系统所能提供的最大容量，并且维持该水平( 即吞 吐量达到饱和) 。但是由于各种干扰的存在导致输入的数据出错，被丢弃而重发；干 扰越大，重发的数据包就越多。因此系统的有效输出数据其实远小于输入的数据。当 系统负载达到某一数值时，系统的吞吐量反而随系统负载的增大而下降，即系统产生 了拥塞。 尽管多匹克网系统可能与8 0 2 1 l b 等网络共存，但是这并不是干扰的主要来源： 因为可以人为避免8 0 2 1 l b 的使用，另外蓝牙可以使用a f h 来减少与之的相互干扰。 因此，蓝牙匹克网之间的白干扰才是影响系统吞吐量的首要因素。本节将对匹克网的 白干扰进行深入分析。 3 2 1 系统建模 系统干扰模型的建立需要考虑两个方面的因素：系统应用模式和干扰的强度。在 3 1 节中，我们讨论了多匹克网系统的网络布局，指出可能在一个不大的范围内密集 的布署着较多的匹克网接入点。其次，蓝牙作为短距离无线通信技术，其射频覆盖范 华中科技大学硕士学位论文 围一般在以接入点为中心，半径l o 米以内。超过这个范围两倍以外的其他蓝牙设备 对该接入点的射频干扰及其微小，几乎可以忽略不计。减少同类设备的干扰也是蓝牙 使用小发射功率的原因之一。因此，我们有理由假定，移动设备在和目标接入点进行 通信的时候，只会受到布署在一定范围以内( 般为l o 米) 的邻近匹克网的干扰。 为简化起见，我们假设多个干扰匹克网与移动设备的距离相等，也就是说多个干扰匹 克网对目标匹克网的干扰强度相同。图3 2 给出了我们使用的干扰系统模型，对于离 目标匹克网相距较远而干扰可以忽略的匹克网不在我们考虑的系统范围之内 3 5 o 图3 2 多个匹克网自干扰系统模型 3 2 2 干扰起因 多匹克网系统中蓝牙设备的干扰主要来源于不同匹克网在重叠的发送时隙里选 择了相同或相邻的频率来发送数据。各匹克网的调频序列都是相互独立的，每个匹克 网在发送数据包的时候，都从7 9 个跳频点中随机的选择一个。如果在相互重叠的时 隙里某个( 或某些) 干扰匹克网与目标匹克网选择了相同的频率，称为同频干扰；如 果选择了与目标匹克网相邻的频率，则称为邻频干扰。图3 3 示意了两个匹克网发生 同频干扰和邻频干扰的情形。 2 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = ；= = = ；= 一= 图3 3 两个匹克网同频，邻频干扰示意图 3 2 3 理论分析 本节将对受频率冲突干扰下的系统吞吐量进行理论上的分析。 1 ) 仅考虑同频干扰下的系统吞吐量分析 假设两个匹克网只在使用同一频率( 同频干扰) 时会导致数据包的丢失。在此条 件下，以目标匹克网作为参考点，在给定时隙里，当目标匹克网发送数据时，其他一 个或多个干扰匹克网使用与目标匹克网相同的频率发送数据而造成的冲突，可以等效 于传统a l o h a 类型系统 3 4 , 3 5 1，目标用户在发送数据时同时有其他用户发送数据而 引起的冲突。这是因为当干扰匹克网使用与目标匹克网相同的频率时，它们就相当于 处于同一个信道当中；使用不同频率则相当于处于不同信道中，相互不会产生干扰。 类似于a l o h a 系统的分析，多匹克网应用也可以分为异步系统和同步系统两种类型， 分别类似于纯a l o h a 和时隙a l o h a 系统。 ( 1 ) 异步系统 在异步多匹克网系统中，各匹克网发送数据的时刻是自由的。图3 4 示意了干 扰匹克网发送数据时与目标匹克网的时间偏差造成的两个匹克网之间的时除重叠 情况【36 1 。其中d x 为发送数据时间偏差：a 为一个时隙的长度，等于6 2 5 u s ；t x 为发送 一个数据包所占用的时间( 我们假定所有的数据分组都是单时隙分组，且每个匹克网 的a 相同) 。 2 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= 2 = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 一一 目标匹克网 某个干扰匹 克网 i 缀浚瀚麟燃溯黼隧獭黼麟缫麟 1 a7 f n ， r q 燃溅燃滋燃磷戮黼黼醚戮麟 图3 4 异步系统时隙重叠不意图 从图中我们可以看出目标匹克网的发送数据时隙与干扰匹克网的两个连续时隙 相重叠。因此目标匹克网发送数据成功的条件是每一个干扰匹克网在与当前时隙重叠 的两个时隙里都选择了与目标匹克网不同的频率来发送数据。设匹克网的跳频频率总 数为k ，目标匹克网当前时隙所使用的频率为以k ) ，在给定时隙里匹克网发送数据的 概率为v ( = t x n ) ，则对某一个干扰匹克网而言，在连续两个时隙里与目标匹克网 不发生同频干扰的概率为： p 不产生同频干扰】= p 连续两个时隙不发送数据 + p 任一时隙选择不同 频率发送数据 + p 【连续两个时隙选择不同频率发送数据 = ( 1 - - v ) 2 ”_ v ) v 彳1 k + v 2 k 世- _ _ a 筹 = ( 1 - v ) 2 + v ( 1 _ v ) 竿+ v 2 竿 设系统中匹克网的个数为n ，除目标匹克网外，干扰匹克网的数目为n - - 1 ，则目标匹 克网在某个时隙发送数据成功的概率为： p 发送成功 = p i n j 个干扰匹克网不产生同频干扰 = ( p 不产生同频干扰】) “1 = ) 2 + v ( 1 一v ) 竿铡“1 设每个跳频信道的带宽为d ( = 1 m b s ) ，则目标匹克网的吞吐量为： s i = ( o y ) 2 + v ( 1 一v ) 譬譬卜y 再乘以，便可得到整个异步系统的吞吐量公式： s 删。= f ( 1 一v ) ( 1 一p ) 竿竿厂。y ( 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 同步系统 同步多匹克网系统类似于时隙a l o h a 系统，各匹克网发送数据的时隙严格对齐， 如图3 5 所示，相当于图3 4 中d x = o 的情形。 目标匹克网 某个干扰匹 克网 图3 5j 司步系统时隙重叠示意图 从图中我们可以看出目标匹克网的发送数据时隙只与干扰匹克网的一个时隙相 重叠。因此目标匹克网发送成功的条件是每一个干扰匹克网在重叠的时隙里都选择了 与目标匹克网不同的频率来发送数据。即： p 【发送成功 = p i n j 个干扰匹克网不产生同频干扰】 = ( p f 不产生同频干扰】) ”1 = ( p 【不发送数据】+ p 【选择不同频率发送数据】) “1 = 0 - v ) + v 等 - 1 所以，同步系统的吞吐量公式为： s s y n c = n ( ( 1 叫+ v 警卜v ( 3 ：) 蓝牙系统使用了7 9 个跳频信道( 即k = 7 9 ) ，每个信道的带宽为d = i m b s ，因 此理论上总的系统容量为7 9m b s 。但是由于干扰的存在，实际能达到的吞吐量要远 小于理论容量。图3 6 给出了理论上同频干扰下系统总的吞吐量与系统中匹克网个数 的关系曲线。图中两条曲线分别来源于式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 。其中，设v = 1 ，即匹克网在 每个信道上都满负荷的发送数据。两条曲线与纯a l o h a 和时隙a l o h a 的关系非常 类似。其中同步系统的最大吞吐量比异步系统要高出两倍左右，通过对式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 求极值的方式可以得到： 对硐步獭n = 7 8 时，s m a x = 7 8 x ( 等厂1 9 2 5 枞： l l i 卜i 一 ： 华中科技大学硕士学位论文 对于异步毓当n = 3 9 时，s m a x = 3 9 x ( 等) 3 9 - 1 x l x l = 1 4 7 2 m b s 04 08 01 2 0l r i o 2 0 02 4 0 2 8 03 2 0 3 8 04 0 0 系统中匹克网的数目 图3 6 同频干扰下的系统吞吐量曲线 由此可见同步系统比异步系统具有巨大的优越性。因为每个匹克网的时钟由主设 备( 接入点) 决定，而接入点一般是固定设备，所以把所有接入点有线的连接到一个 同步时钟控制器上来实现时钟的同步( 参见图3 9 ) ，可以有效的提高系统总的吞吐量。 2 ) 同时考虑同频和邻频干扰下的吞吐量分析 上一节的讨论基于了这样一个假设：只要发生同频干扰就会导致数据包的传输失 败。但实际环境中并非如此，如果同频干扰信号很小则传输也会成功。对于邻频干扰 而言，就更需要考虑干扰信号的功率强度，只有当邻频干扰信号强度大大地大于有用 信号时才会导致传输失败。蓝牙规范给出了同频和邻频干扰的载干比门限值。同频干 扰为：( c i ) 。- e h a n n e ) = 1 1 d b ；1 m h z 邻频干扰为( c i ) 删砒a l = o d b 【1 0 1 。( d b ：分贝，为功 率比的常用对数的1 0 倍。) 类似于上一节的分析，在一个给定的时隙，同频干扰信号个数的均值为： e 一c h a n n p ，= 【一l j 专 邻频干扰信号个数的均值为： e a d j - c h a n n e l = ( 一1 ) 掣v 假设有用信号c 和干扰信号i 服从平均功率为1 的r a y l e i g h 分布d t 。当发生同频 干扰时，如果接收端的载干l e ( c i ) c o 低于其门限值( c i ) c m d ，则会导致数据包出错， 其概率为： 拍 如 坫 埔 m 0 0 几羞至v捌蕾悼g确辗晦 华中科技大学硕士学位论文 p c o - e r r o r = p 愀谳下黼蚶卜尸吼。 魄砌渊“ 同理，发生邻频干扰导致数据包出错的概率为： 肋- e r r o r = p 嘟鼾虾黼蝴2p f ( 爿d 谛 ( 爿耐砌洲。 因此，系统的吞吐量可表示为： s = q p 一e d r p 锄p o ，j l d ” 3 2 4 仿真结果 i b m 公司开发了基于n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 的蓝牙技术仿真器b l u e h o c l 3 8 “0 1 ，可 以在不同方案下评估蓝牙网络的性能。假定每个匹克网的信道利用率为t 0 0 ，即v = l ；射频信号受多径衰落影响，信号包络服从平均功率为1 ( o d b ) 的r a y l e i g b 分布。 在我们给出的系统模型中，由于干扰信号与目标信号到达接收设备的距离相等，所以 我们忽略射频信号的路径损失。在给定时隙目标匹克网分组传输失败的条件是：( 1 ) 发生同频干扰，且目标匹克网接收端载干比( c i b 低于门限值( c i ) c 。曲a m l e l ；( 2 ) 发生 邻频干扰，且目标匹克网接收端载干l l ( c i ) a d j 低于门限值( c i ) a d j 曲一c 1 。通过仿真我们 可以得到多个匹克网共存时受同频和邻频自干扰影响的系统的吞吐量，结果如图3 7 所示。 0 篁 苫 、一 删 古| 悼 露 蹈 螺 瞄 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 04 0 8 01 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 02 8 03 2 0 3 6 0 4 0 0 系统中匹克网的数目 图3 7 同频和邻频干扰下的系统吞吐量曲线 2 7 华中科技大学硕士学位论文 图3 7 给出了四条曲线，其中曲线c 和曲线d 分别表示同步和异步系统中只考虑 同频干扰的情况：曲线e 和曲线f 分别表示同步和异步系统中同时受同频和邻频干扰 的情况。比较曲线c 与曲线e 我们可以看出，当系统中匹克网数目较少时( 1 0 个左右) ， 邻频干扰对系统吞吐量的影响较小；随着匹克网数目的增加，邻频干扰的影响愈来愈 大，最终使系统的最大吞吐量比只有同频干扰时减少了一半左右。比较曲线c 和d 与 图3 6 中理论分析的结果a 和b ，可以看n - - 者非常接近，但是c 和d 显示的仿真吞 吐量( 分别约为3 1 m b s 和1 5 5 m b s ) 要略高于a 和b 表示的理论值( 分别为2 9 2 5 m b s 和1 4 7 2 m b s ) ，这是因为仿真时干扰信号受r a y l e i g h 衰落的影响，且接收端有1 l d b 的同频载干比门限，而理论分析时只要有同频干扰信号存在则视数据传输失败。从曲 线e 可以得出结论，在受同频和邻频干扰的同步系统中，只要匹克网的数目不超过4 0 个，则系统都是稳定的；系统能达到的最大吞吐量为1 4 m b i t s 。对于异步系统( 曲线 f ) ，当匹克网数目为2 0 个左右时系统吞吐量达到最大约8m b i t s 。 3 3 多匹克网系统吞吐量计算 上一节我们给出的用来进行自干扰分析的系统模型适用于在一个小尺度区域内 ( 如娱乐场所、餐厅、会议室等) 布署了多个匹克网接入点的孤立系统，其中任一接 入点都受到系统中其余接入点的干扰，且干扰强度相同，系统吞吐量的计算也是基于 这样的假设。这样的模型和实际的多匹克网系统应用有一定的差距，现在我们来讨论 如何计算在3 1 节中以图3 1 所示的两种布局形式存在的多匹克网系统的吞吐量。为 方便起见，我们把图重画如下( 图3 8 ) 。 ( 8 t ) 均匀布局系统 图3 8 蓝牙多匹克网系统 ( b ) 非均匀布局系统 华中科技大学硕士学位论文 图3 7 给出了四条曲线，其中曲线c 和曲线d 分别表示同步和异步系统中只考虑 同频干扰的情况：曲线e 和曲线f 分别表示同步和异步系统中同时受同频和邻频干扰 的情况。比较曲线c 与曲线e 我们可以看出，当系统中匹克网数目较少时( 1 0 个左右) ， 邻频干扰对系统吞吐量的影响较小；随着匹克网数目的增加，邻频干扰的影响愈来愈 大，最终使系统的最大吞吐量比只有同频干扰时减少了一半左右。比较曲线c 和d 与 图3 6 中理论分析的结果a 和b ，可以看n - - 者非常接近，但是c 和d 显示的仿真吞 吐量( 分别约为3 1 m b s 和1 5 5 m b s ) 要略高于a 和b 表示的理论值( 分别为2 9 2 5 m b s 和1 4 7 2 m b s ) ，这是因为仿真时干扰信号受r a y l e i g h 衰落的影响，且接收端有1 l d b 的同频载干比门限，而理论分析时只要有同频干扰信号存在则视数据传输失败。从曲 线e 可以得出结论，在受同频和邻频干扰的同步系统中，只要匹克网的数目不超过4 0 个，则系统都是稳定的；系统能达到的最大吞吐量为1 4 m b i t s 。对于异步系统( 曲线 f ) ，当匹克网数目为2 0 个左右时系统吞吐量达到最大约8m b i t s 。 3 3 多匹克网系统吞吐量计算 上一节我们给出的用来进行自干扰分析的系统模型适用于在一个小尺度区域内 ( 如娱乐场所、餐厅、会议室等) 布署了多个匹克网接入点的孤立系统，其中任一接 入点都受到系统中其余接入点的干扰，且干扰强度相同，系统吞吐量的计算也是基于 这样的假设。这样的模型和实际的多匹克网系统应用有一定的差距，现在我们来讨论 如何计算在3 1 节中以图3 1 所示的两种布局形式存在的多匹克网系统的吞吐量。为 方便起见，我们把图重画如下( 图3 8 ) 。 ( 8 t ) 均匀布局系统 图3 8 蓝牙多匹克网系统 ( b ) 非均匀布局系统 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 均匀布局的多匹克网系统 正如我们在3 2 1 节中建立系统模型的时候所指出的那样，蓝牙无线通信具有的 一个重要特征就是小发射功率，其射频覆盖范围一般在以接入点为中心，半径1 0 米 以内，超过这个范围两倍以外的其他蓝牙设备对该接入点的干扰可以忽略不计。基于 这样的考虑我们来讨论图3 8 中( a ) 所示均匀布局的多匹克网系统的吞吐量。 假设( a ) 系统中任意两个接入点之间的距离为1 0 m 。首先，我们把系统划分成 如图所示的蜂窝式小区h ”。考察小区a 中间的目标匹克网接入点，它与小区a 的各 邻接小区( b - - g ) 中的匹克网接入点的最短距离都在2 0 m 以上，所以我们认为除了 a 小区内部的接入点外，其他的接入点都不会对目标接入点造成干扰。 假设( a ) 系统是同步的。由3 , 2 3 节中公式( 3 2 ) 可知，在一个由n 个相互干扰的 匹克网组成的同步系统中，仅考虑同频干扰的情况下，单个匹克网的吞吐量为： s i = f 竿卜v 其中设v = 1 ，n 一1 表示干扰匹克网的数目。对于( a ) 系统中的目标匹克网接入 点，我们认为其仅受到a 小区内部的其他接入点的干扰。设一个小区内的接入点数目 为c ，则以目标接入点为主设备的匹克网的吞吐量可以表示为： s i = ( 竿厂。v 由3 2 4 节的仿真结果可知，邻频干扰也将使系统的吞吐量降低，其影响的程度是 一个与( 干扰) 匹克网数目c 有关的非线性单调递减函数，用f ( c ) ( ，( c ) 1 ) 表示， 称为邻频干扰因子。系统处于稳定状态时，( c ) 的取值范围大致为【l ，o 6 1 ，随c 的增 大而减小。因此上式可以修正为： s i = s ( c ) ( 竿卜v 因为( a ) 系统中各接入点均匀分布，地位均等，所以每个接入点的吞吐量都应与 目标匹克网相同。设系统中接入点的数目为n ，则系统总的吞吐量可以近似表示为： s s y 。c = 可( c ) ( 竿卜y ( 3 s ) 2 ) 非均匀布局的多匹克网系统 再来考虑图3 8 中( b ) 所示非均匀布局的多匹克网系统的吞吐量。对于此类系统 华中科技大学硕士学位论文 的吞吐量计算的思想是：按匹克网的分布情况将系统划分为多个区域，使每个区域中 匹克网接入点的布局较为均匀，然后按照均匀系统的吞吐量计算方法分别计算各区域 中的子系统的吞吐量。 对( b ) 进行区域划分的结果如图所示：在a ，b ，c 等区域中匹克网接入点布署 较密，而在区域e 中，接入点布署稀疏。由于a ，b 等区域距离相隔2 0 m 以上，可以 认为两个区域之间不存在频率干扰，各区域内部为一个独立自治的蓝牙网络子系统 ( 可以忽略区域e 中稀疏的接入点的干扰) 。对于区域e 中的接入点，由于受到a ， b 等区域中接入点的干扰，因此，在计算其吞吐量时，需要对a ，b 等区域进行一个 拓扑等权替换。各子系统吞吐量之和即为系统总的吞吐量。 3 4 利用a f i - i 减少匹克网白干扰的模型 a f h ( 自适应跳频序列) 技术原本是用来解决蓝牙网络与工作在同频段的其他 无线通信网络如8 0 2 1 l b 之间的干扰。但对于不存在其他通信设备干扰的场合，使用 该技术的频率分离思想来减少蓝牙网络之间的自干扰也未尝不可。 蓝牙规范1 2 版规定a f h 使用的跳频点数目应不少于2 0 个。我们考虑一个独立 的相互干扰的多匹克网蓝牙系统，分析使用a f h 技术对系统吞吐量的改进。设该系 统为同步系统。 考虑两种比较极端的情形。 1 ) 当系统中匹克网数目很少时( 设为4 个) ( 1 ) 使用a f h 技术。将7 9 个跳频点划分为4 个区间分给4 个蓝牙匹克网，因 为各个匹克网之间不存在干扰，所以系统吞吐量为4 个匹克网带宽之和，约等于 4 m b s 。 ( 2 ) 不使用a f h 技术。利用3 3 节的公式( 3 3 ) ，这里n = c = 4 ，k = 7 9 ，d = 1 m b s ， v = 1 ；因为邻频干扰很小，可以忽略不计，即邻频干扰因子厂( c ) “1 。所以系统的吞 吐量大约为： s = 彤( c ( 爿c q d v = 4 l x ( 刳4 小s s m b ，s 可以看出，当系统中匹克网数目较少时，使用a f h 技术并不会对系统吞吐量有 多少改善。 华中科技大学硕士学位论文 的吞吐量计算的思想是：按匹克网的分布情况将系统划分为多个区域，使每个区域中 匹克网接入点的布局较为均匀，然后按照均匀系统的吞吐量计算方法分别计算各区域 中的子系统的吞吐量。 对( b ) 进行区域划分的结果如图所示：在a ，b ，c 等区域中匹克网接入点布署 较密，而在区域e 中，接入点布署稀疏。由于a ，b 等区域距离相隔2 0 m 以上，可以 认为两个区域之间不存在频率干扰，各区域内部为一个独立自治的蓝牙网络子系统 ( 可以忽略区域e 中稀疏的接入点的干扰) 。对于区域e 中的接入点，由于受到a ， b 等区域中接入点的干扰，因此，在计算其吞吐量时，需要对a ，b 等区域进行一个 拓扑等权替换。各子系统吞吐量之和即为系统总的吞吐量。 3 4 利用a f i - i 减少匹克网白干扰的模型 a f h ( 自适应跳频序列) 技术原本是用来解决蓝牙网络与工作在同频段的其他 无线通信网络如8 0 2 1 l b 之间的干扰。但对于不存在其他通信设备干扰的场合，使用 该技术的频率分离思想来减少蓝牙网络之间的自干扰也未尝不可。 蓝牙规范1 2 版规定a f h 使用的跳频点数目应不少于2 0 个。我们考虑一个独立 的相互干扰的多匹克网蓝牙系统，分析使用a f h 技术对系统吞吐量的改进。设该系 统为同步系统。 考虑两种比较极端的情形。 1 ) 当系统中匹克网数目很少时( 设为4 个) ( 1 ) 使用a f h 技术。将7 9 个跳频点划分为4 个区间分给4 个蓝牙匹克网，因 为各个匹克网之间不存在干扰，所以系统吞吐量为4 个匹克网带宽之和，约等于 4 m b s 。 ( 2 ) 不使用a f h 技术。利用3 3 节的公式( 3 3 ) ，这里n = c = 4 ，k = 7 9 ，d = 1 m b s ， v = 1 ；因为邻频干扰很小，可以忽略不计，即邻频干扰因子厂( c ) “1 。所以系统的吞 吐量大约为： s = 彤( c ( 爿c q d v = 4 l x ( 刳4 小s s m b ，s 可以看出，当系统中匹克网数目较少时，使用a f h 技术并不会对系统吞吐量有 多少改善。 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 设系统中匹克网的数目为4 0 个，达到同步系统稳定状态的上限 ( 1 ) 不使用a f h 技术。参见图3 7 仿真结果中的曲线e ，对于受同频和邻频干 扰的同步系统，当匹克网数目为4 0 时，系统的吞吐量达到最大为1 4 m b i t s 。 ( 2 ) 使用a f h 技术。将7 9 个跳频点划分为4 个区间，每1 0 个匹克网使用一个 区间( 2 0 个跳频点) ，则整个系统划分为4 个相互独立的子系统。现在我们考虑由1 0 个匹克网组成的系统中邻频干扰的影响。考察图3 7 中的曲线c 与曲线e 可以看出， 当匹克网数目不多于1 0 个，邻频干扰及其微小，即厂( c ) a 1 。但该仿真中系统使用的 是7 9 个跳频点，现在跳频点降为2 0 个，邻频干扰的概率增大，所以我们把邻频干扰 因子厂( c ) 设为0 8 。由公式( 3 3 ) ，这里n = c = 1 0 ，k = 2 0 ，可以得到单个子系统的吞 吐量为： 舻彤f ( 譬) c - i 。吲o o s x ( 等1 0 - i 小，一弘 因此整个系统的吞吐量大约为： s2 4 s i “4 5 = 2 0 m b s 这比未使用a f h 技术的系统吞吐量1 4 m b i f f s 提高了三分之一。 因此，我们得到的结论是当系统中匹克网数目较多时，使用a f h 技术对各匹克 网使用的跳频区间进行合理分配，可以使系统的吞吐量有显著提高。 3 5 多匹克网系统在医疗监护中的应用 本节将给出一个多匹克网系统的具体应用：医疗无线监护的蓝牙解决方案。 3 5 1 背景 医疗遥测，或者说监护的无线化、可移动化是目前发展的主流。无线遥测产品从 技术上可分为两大体系：工作在u h f ( 超高频，u l l x a l h i 曲f r e q u e c y ) 和v h f ( 甚高 频，v e r yh i 曲f r e q u e c y ) 的传统遥测技术体系和工作在i s m ( 工科医) 2 4 g 频段的 基于w l a n 技术的体系。传统遥测系统由t r a n s m i t t e r 和r e c e i v e r 组成，n 个工作在 不同频点的t r a n s m i t t e r 和r e c e i v e r 组成n 个监护信道，实现对n 个病人的同时监护， r e c e i v e r 一般做成几合一模块，安装在遥测中央站的接收柜内，所有的监护信息的显 示、处理、打印都在遥测中央站完成。传统遥测技术成本低，电路结构较为简单，容 3 l 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 设系统中匹克网的数目为4 0 个，达到同步系统稳定状态的上限 ( 1 ) 不使用a f h 技术。参见图3 7 仿真结果中的曲线e ，对于受同频和邻频干 扰的同步系统，当匹克网数目为4 0 时，系统的吞吐量达到最大为1 4 m b i t s 。 ( 2 ) 使用a f h 技术。将7 9 个跳频点划分为4 个区间，每1 0 个匹克网使用一个 区间( 2 0 个跳频点) ，则整个系统划分为4 个相互独立的子系统。现在我们考虑由1 0 个匹克网组成的系统中邻频干扰的影响。考察图3 7 中的曲线c 与曲线e 可以看出， 当匹克网数目不多于1 0 个，邻频干扰及其微小，即厂( c ) a 1 。但该仿真中系统使用的 是7 9 个跳频点，现在跳频点降为2 0 个，邻频干扰的概率增大，所以我们把邻频干扰 因子厂( c ) 设为0 8 。由公式( 3 3 ) ，这里n = c = 1 0 ，k = 2 0 ，可以得到单个子系统的吞 吐量为： 舻彤f ( 譬) c - i 。吲o o s x ( 等1 0 - i 小，一弘 因此整个系统的吞吐量大约为： s2 4 s i “4 5 = 2 0 m b s 这比未使用a f h 技术的系统吞吐量1 4 m b i f f s 提高了三分之一。 因此，我们得到的结论是当系统中匹克网数目较多时，使用a f h 技术对各匹克 网使用的跳频区间进行合理分配，可以使系统的吞吐量有显著提高。 3 5 多匹克网系统在医疗监护中的应用 本节将给出一个多匹克网系统的具体应用：医疗无线监护的蓝牙解决方案。 3 5 1 背景 医疗遥测，或者说监护的无线化、可移动化是目前发展的主流。无线遥测产品从 技术上可分为两大体系：工作在u h f ( 超高频，u l l x a l h i 曲f r e q u e c y ) 和v h f ( 甚高 频，v e r yh i 曲f r e q u e c y ) 的传统遥测技术体系和工作在i s m ( 工科医) 2 4 g 频段的 基于w l a n 技术的体系。传统遥测系统由t r a n s m i t t e r 和r e c e i v e r 组成，n 个工作在 不同频点的t r a n s m i t t e r 和r e c e i v e r 组成n 个监护信道，实现对n 个病人的同时监护， r e c e i v e r 一般做成几合一模块，安装在遥测中央站的接收柜内，所有的监护信息的显 示、处理、打印都在遥测中央站完成。传统遥测技术成本低，电路结构较为简单，容 3 l 华中科技大学硕士学位论文 易实现低功耗和小体积，可做成p a t i e n t - w o r n ( 病人佩戴) 型监护仪。缺点是：只具 备从t r a n s m i t t e r 到中央站的单向数据传输；数据传输速率低，通常在几十k b p s 以下， 对于大数据量监护，如1 2 导联心电+ 血氧，需要进行数据压缩；射频抗扰性能较差， 由于工作在广播电视和陆地移动通讯频段，大功率骚扰源较多，且该技术没有特别的 抗扰机制，故易受到干扰；灵活性与可扩展性差，单独的协议和单独的网络，使得遥 测系统与医院i t 网络的集成困难，不利于实现灵活、统一的监护网络。 w l a n 方案与计算机无线局域网系统相类似，m u ( 移动单元) 可以是监护仪、 临床医师的p d a 、p c 等，中央站通过a p ( 无线接入点) 将m u 接入医院以太网， 从而实现有线网络与无线网络的无缝连接，通常每台移动监护仪都具备完整显示、报 警功能。实现该方案的技术可以是i e e e 8 0 2 。1 l x 和蓝牙b l u e t o o t h 。这两者都具有传输 速率高、抗扰能力强的优点，但与蓝牙相比，8 0 2 1 1 的射频和基带协议更为复杂，实 现成本较高；另外，8 0 2 。1 1 的芯片组一般功耗较大( 约1 w ) ，系统中需要c p u 运行 r t o s ，结构较为复杂，不易做成p a t i e n t w o r n 型的产品。相比之下，蓝牙具有明显的 优势。关于蓝牙的技术特点在1 2 1 节中有详细的介绍，这里要强调的是它的便携式 优势： 1 ) 实现体积小，可以直接嵌入到小型乃至微型设备中使用； 2 ) 功耗小，可以使用电池供电： 3 ) 有非常好的节电控制功能，具有四种低功耗模式，能够在通信量减少或者通 信结束时即刻自动转入这些模式。蓝牙的工作电源电压为2 7 v ，功耗在休眠状态为 3 0 u a ，在保持状态为6 0 u a ，在待机状态为3 0 0 u a ，数据传输时不超过3 0 m a ，发射 信号时的电流为8 - 3 0 m a 。 3 5 2 无线监护的蓝牙实现方案 本方案采用蓝牙s i g 制定的局域网访问模式( l a n a c c e s s p r o f i l e ) 4 2 1 * 图3 9 给 出了基本的方案图。其中发送端( t r a n s m i t t e r ) 是p a t i e n t - w o r n 型的蓝牙数据发送器， 接收端( r e c e i v e r ) 是固定的局域网接入点l a p ( l a n a c c e s sp o i n t ) 。每个l a p 可以 同时接受7 个终端用户的活动连接，然后通过电缆有线接入局域网交换机，最后连接 到中央站。所有的监护信息的显示、处理、打印都在遥测中央站完成。3 2 3 节的理论 分析表明，同步所有蓝牙接入点的时钟将大大提高系统的实际吞吐量a 因此我们让所 有的l a p 都共用一个外部系统时钟来实现时钟同步。 华中科技大学硕士学位论文 列 澍 浏 逮f 澍 澎 图3 9 无线监护方案 用户佩戴的蓝牙数据发送器由e c g ( 心电图) 信号采集器和蓝牙无线模块构成， 两者通过u a r t 串口相连。蓝牙协议栈( 支持到r f c o m m ) 以f i r m w a r e 的形式写入 蓝牙芯片，由于r f c o m m 将与一个真实的”r s 一2 3 2 外部接口相匹配，所以使用端 口代理实体f 4 3 l 。 数据接入点l a p 需要使用t c p i p 协议接入局域网，因此应在r f c o m m 之上使 用端口仿真实体，使之支持p p p 协议。图3 1 0 给出了各端所使用到的协议结构及互 连方式。 图3 1 0 协议结构 3 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = 2 = = = = = 一 3 5 3 l a p 的实现方案 图3 1 1 给出了一个l a p 的实现方案。 剖3 1 1l a p 实现方案 该方案采用嵌入式l i n u x 操作系统，并且在蓝牙无线模块中仅实现l m p 和基带 协议，l 2 c a p 以上层协议放入h o s t 端芯片中执行。由于l i n u x 操作系统下的p p p 协 议实现并不支持蓝牙接口，需要改写实现p p p o b ( p p po v e rb l u e t o o t h ) 功能。它的下 层遵守蓝牙标准，上层与l i n u x 系统下的p p p 连接。可以实现一个虚拟的蓝牙终端 t t y b t 。网页式用户配置管理服务程序提供一个友好的用户界面，对l a p 进行配置管 理，如设置动态配置i p 地址的范围、设置网卡的配置、设置接受通过蓝牙拨号接入 的帐号、显示接入记录等。 3 5 4 实现策略及关键技术 1 ) 查询方式 在发起连接之前，必须首先执行查询过程，它使一个单元能够发现那些在范围之 内的单元，以及它们的设备地址和时钟。根据用户数据终端是否主动执行查询过程分 为两种查询方式：主动查询和被动查询。 ( 1 ) 主动查询 即由终端用户执行查询呼叫的策略。按照用户随机接入的应用逻辑，l a p 应该作 为被动的服务提供者，用户在移动过程中如果需要则主动查询并建立连接。由于l a p 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = ；= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = 一。一： 需要支持多个数据终端，所以它必须是匹克网中的主设备，然而因建立连接的单元将 自动成为连接的主设备，所以需要在每次建立连接以后由l a p 请求执行一次主从切 换，保持l 垤主设备的地位。由于每个l a p 的终端用户相对固定，为了节约查询步 骤，以便快速建立连接，可以把l a p 的蓝牙地址预先写入其终端用户的蓝牙模块当 中。这个过程也可以在初次建立连接的时候自动执行。( 蓝牙规范1 2 版引入了“快速 建立连接”这样一个重要特征，极大减小了建立连接时间，显著提高了可用性。) 另 外，l a p 应该使用专用的查询接入码( d i a c ，见2 2 1 节) ，用户设备使用该d i a c 进行查询，这样，用户设备只能查询到l a p ，而不会查询到同类设备。 ( 2 ) 被动查询 即由l a p 执行查询过程，找到覆盖范围内的用户并通过呼出过程与之建立连接， 这样l a p 自动成为连接的主单元。由于查询呼叫需要较多功耗，而l a p 是固定设备， 无功耗要求，所以这种方式可以节省用户