藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸綜述剖析

1、藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸綜述摘 要：比較了藍牙協(xié)議各個版本對其數(shù)據(jù)傳輸性能的影響，分類討論了分組選擇算法、重 傳機制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_及安全等。 針對目前存在的問題， 提出了引入擴展戈萊編碼和最小 頻移鍵控（MSK）調(diào)制的數(shù)據(jù)分組改進方案，提高了系統(tǒng)的抗干擾性和吞吐量，并提出了基于 信道轉(zhuǎn)換與MSK調(diào)制的同頻干擾抑制方法，使皮可網(wǎng)的載干比和吞吐量有明顯改善，最后 總結(jié)并對未來工作提出設想和展望。關(guān)鍵詞：無線通信；藍牙；數(shù)據(jù)傳輸；干擾；安全Survey on data transmission in Bluetooth technologyAbstract : The different impact a

2、ssessments on performanee of data transmission of multipleBluetooth protocol vers ions were an alyzed. Packet seleetio n algorithms, retra nsmissi on meehanisms, interferenee and security were discussed respectively. Strategies, employing extended-golay code and minimum frequency shift keying (MSK)

3、modulation were pro-posed, which enhanced the probability of an ti-i nterfere nee and throughput of data packet. Moreover, a co-cha nnel in terfere nee suppressi on approach based on cha nnel switch ing and MSK modulati on was proposed, which improved the car-rier to in terfere nee ratio and through

4、put in pic on ets Fi nally, the work was summarized and expectati ons as well as premeditati on of the future were prese nted.Key words wireless com mun icatio ns; Bluetooth; data tran smissi on; in terfere nee; security1引言藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信 的開放性全球規(guī)范，它以低成本的短距離無 線通信為基礎(chǔ)，為固定與移動設備的通信環(huán) 境提供特別連接的通信技術(shù)。由于藍牙技術(shù)

5、具有可以方便快速地建立無線連接、移植性較強、安全性較高且藍牙地址唯一、支持皮 可網(wǎng)與分散網(wǎng)等組網(wǎng)工作模式、設計開發(fā)簡單等優(yōu)點，藍牙技術(shù)近幾年來在眾多短距 離無線通信技術(shù)中備受關(guān)注。眾所周知，數(shù)據(jù)傳輸是實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的 基礎(chǔ)。以往的數(shù)據(jù)傳輸采用的是有線連接方 式，其優(yōu)點是傳輸速度快、安全性高以及實 現(xiàn)簡單，但隨著生產(chǎn)以及生活需求越來越 大，要求越來越高，有線連接已經(jīng)逐漸顯現(xiàn) 出自身的不足，例如傳輸距離有限、成本高 和布線困難等，這些因素嚴重制約了其發(fā) 展。為了解決有線傳輸帶來的不便，很多研究人員開始考慮嘗試以無線的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。由于無線傳輸技術(shù)自身的特點，可以有效解決有線傳輸帶來的不便，使現(xiàn)有

6、的數(shù)據(jù)傳輸不再需要繁重的布線，而且數(shù)據(jù)傳輸方便快 捷，所以對于無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究有著 重大的意義。近些年，無線傳輸技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，相繼出現(xiàn)了紅外技術(shù)、HomeRF藍牙2 無線局域網(wǎng) (WLAN, wireless local area network)、ZigBee、RFID 等，這些技術(shù)都 有各自的優(yōu)勢和應用領(lǐng)域，大大改善了現(xiàn)有 的數(shù)據(jù)傳輸方式。現(xiàn)有的無線通信技術(shù)各有特點，并且在 很大程度上與藍牙技術(shù)相互補充。藍牙技術(shù)由于成本低、功耗低和組網(wǎng)容易等特點，在 無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域得到了廣泛的應用。目 前，對于藍牙技術(shù)的研究，大部分集中在數(shù) 據(jù)傳輸性能的改善方面。楊帆等集中研究了藍牙 技術(shù)數(shù)

7、據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡拓撲問題，給出了改進 的拓撲構(gòu)成算法，增強了網(wǎng)絡的可拓展性3,4。HAGER和 BANDYOPADHYAY對藍牙技 術(shù)安全方面存在的問題進行了大量的分析， 指出藍牙技術(shù)在安全方面仍存在不足，包括藍牙技術(shù)的認證、PIN碼的安全以及匹配問 題等5刁。GOLMIE等對藍牙設備與 802.11 設備共存時的相互干擾情況進行了詳細的 分析并提出了解決方案8。CHEN等研究了 平均接收信噪比與分組錯誤概率間的關(guān)系9。本文首先從協(xié)議方面分析了數(shù)據(jù)傳輸 性能的改善，然后討論了現(xiàn)有關(guān)于藍牙技術(shù) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?，指出了各個方案的優(yōu)缺 點，并提出了相應的改進構(gòu)想和今后的研究 展望。2藍牙協(xié)議標準中數(shù)據(jù)傳

8、輸?shù)难?進過程自從完成了第1版藍牙標準的制定以 來，藍牙特別興趣小組(SIG, special in terest ing group)仍然持續(xù)不斷地對藍牙技術(shù)進行修正與改版的工作，目的是期望藍牙技術(shù)能夠充分滿足系統(tǒng)產(chǎn)品更易于使 用的需求，尤其是藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸方面的 需求，如數(shù)據(jù)傳輸速率、能耗以及安全問題 等。因此不斷演進的藍牙標準版本，對于整 體藍牙技術(shù)的發(fā)展帶來了至關(guān)重要的影響。藍牙規(guī)范1.0版本主要是針對點對點 的無線數(shù)據(jù)傳輸，給出了標準的數(shù)據(jù)傳輸分 組格式以及分組類型。隨后的1.1版本將1.0版本的點對點擴展為點對多點的數(shù)據(jù) 傳輸，并修正了前一版本中錯誤和模糊的概 念。藍牙技術(shù)1.1

9、版本規(guī)定的傳輸速率峰值為1Mbit/s，而實際應用中是723kbit/s 。藍牙技術(shù)1.2版本的傳輸速率與1.1版本相同，但實現(xiàn)了設備識別的高速化，增強了 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，與現(xiàn)有的1.1版本完全兼容，確保其向后兼容 1.1版本的 產(chǎn)品10。藍牙協(xié)議規(guī)范1.2版本中有以下 的改進和增強：更加快速地連接、 自適應跳 頻(AFH, adaptive frequencyhopping) 、擴 展的同步面向連接鏈路、增強的錯誤檢測與信息流、增強的同步能力、增強的流規(guī)范等 11。這些改進可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_ 性和可靠性，為其實時傳輸提供了有力支 撐。從藍牙2.0版本開始，增加了增強型 數(shù)據(jù)速率(

10、EDR, enhanced data rate) 協(xié)議， 大大提高了藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?它的 主要特點是數(shù)據(jù)傳輸速率可達 1.2版本傳 輸速率的3倍(在某些情況下可高達 10倍)，各版本的數(shù)據(jù)傳輸速率比較如圖1所示。n II H20I 0 I 1. 2.0 i 1 3.0 J "隔議版4；圖1各協(xié)議版本數(shù)據(jù)傳輸速率的比較2.0版本通過減少工作負載循環(huán)降低了 能源消耗，增加帶寬簡化了多連接模式，可 與以往的藍牙規(guī)范兼容，降低了比特誤差率 12。藍牙2.1+EDR標準在2.0版本的基礎(chǔ) 上對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芗右愿纳?，具?個主要特征：改善裝置配對流程、節(jié)約能源和 增強安全性等13。目

11、前，較新的版本是藍牙技術(shù)聯(lián)盟在2009年4月頒布的藍牙 3.0+HS高速核心 規(guī)范和在 2009年12月頒布的藍牙 4.0 低功耗核心規(guī)范。前者采用交替射頻技術(shù)， 并且集成了IEEE 802.11 協(xié)議適應層，使藍牙數(shù)據(jù)傳輸速率提高至24Mbit/s。此外，藍牙3.0+HS還增加了單播無連接數(shù)據(jù)傳輸 模式和增強功率控制等新功能14。藍牙規(guī)范4.0可以說是藍牙3.0+HS規(guī)范的補充， 降低了藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎?5，這個版本主要應用在醫(yī)療保健、運動與健身、安全及家庭娛樂等全新的市場。3藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)有關(guān)于藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯恐饕性谝韵聨讉€方面：數(shù)據(jù)分組的選擇對 于傳輸性能的影響

12、、 數(shù)據(jù)傳輸過程中的干擾 和數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全等問題。3.1藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸性能分析基于藍牙技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸過程主要由傳輸層協(xié)議來管理，該層負責藍牙設備間對方位置的確認， 以及建立和管理藍牙設 備之間的物理與邏輯鏈路。除此之外傳輸協(xié) 議又可細分為底層傳輸協(xié)議和高層傳輸協(xié) 議2個重要部分。底層傳輸協(xié)議側(cè)重語音 與數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膶崿F(xiàn)，主要包括射頻、基帶和鏈路管理協(xié)議3個部分；高層傳輸協(xié)議主要包括邏輯鏈路控制與適配層協(xié)議和 主機控制器接口，其主要功能包括：為高層 應用程序屏蔽諸如跳頻序列選擇等底層傳 輸操作；為高層應用程序的實現(xiàn)提供更加有 效和易于實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分組格式。3.1.1藍牙技術(shù)底層數(shù)據(jù)傳

13、輸分組選擇通信設備間物理層的數(shù)據(jù)傳輸連接通 道就是物理鏈路1，為此藍牙協(xié)議定義了 2種類型的鏈路：同步面向連接鏈路和異步 無連接鏈路(ACL, asynchronous connectionless link)。藍牙皮可網(wǎng)采用分組形式進 行數(shù)據(jù)傳輸，基帶層給出了 2種分組格式： 一種是藍牙協(xié)議 1.0中規(guī)定的標準分組格 式，主要由接入碼、分組頭和有效載荷 3部 分組成；另一種是藍牙協(xié)議2.0+EDR版本提出的增強型數(shù)據(jù)分組格式，將其原有分組格式的有效載荷部分分成同步碼、凈荷和尾碼3個部分，保留了原有的接入碼和分組 頭2個部分，數(shù)據(jù)部分采用相移鍵控 (PSK,phase shift key in

14、 g)調(diào)制方式，并在 數(shù)據(jù)分組中引入了保護周期。藍牙皮可網(wǎng)中使用的分組類型與使用 的物理鏈路有關(guān)。對于藍牙數(shù)據(jù)傳輸鏈路， 協(xié)議給出了如下分組類型：DM1分組、DH1分組、DM3分組、DH3分組、DM5分組、DH5 分組、AUX1分組、HV1分組、HV2分組、 HV3分組和DV分組。2.0規(guī)范新增了 2-DH1分組、2-DH3分組、2-DH5分組、3-DH1分組、3-DH3分組和3-DH5分組等?，F(xiàn)有的關(guān)于藍牙技術(shù)底層數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?主要集中在數(shù)據(jù)分組選擇問題上，由于協(xié)議給出的分組類型性能各不相同，如數(shù)據(jù)載荷的大小和采用的糾錯機制等，對數(shù)據(jù)傳輸性能會產(chǎn)生很大的影響。 針對此問題，國內(nèi)外吞吐量的影

15、響是有差異的。當系統(tǒng)不存在干擾或者干擾很小的時候， 小時隙的分組會增 加數(shù)據(jù)分組的冗余開銷，降低吞吐量。但是 如果存在干擾，小時隙的分組可降低基帶分 組傳輸期間受到干擾的可能性，減少出錯重傳的概率。以上的參考文獻雖然給出了自適的研究人員均已取得了一定的進展。SARKAR 應分組選擇策略，但在不改變藍牙硬件的基等在假設信道狀態(tài)已知的情況下，利用所建 立的數(shù)學模型求出吞吐量最大時數(shù)據(jù)分組 大小的最優(yōu)值，進一步提高了系統(tǒng)的整體性 能16。楊帆等分析了藍牙 2.0+EDR新規(guī)范 定義的3種調(diào)制方式在加性高斯白噪聲(AWGN, additive white Gaussia n noise) 信道下的位錯

16、誤率與平均接收信噪比的關(guān) 上，得到或者準確估計和跟蹤信道質(zhì)量是比 較困難的，所以分組選擇的難點在于如何估 計或者判斷信道質(zhì)量?；谝陨蠁栴}，王雪等提出把不同誤碼 率下的最佳分組按照其吞吐量進行分級，并計算出分組吞吐量臨界點的重傳次數(shù)，同時與每個分組的平均重傳次數(shù)比較，調(diào)整分組因此，不同誤碼率和數(shù)據(jù)分組對于系統(tǒng)針對EDR格式分組本身存在抗干擾能系，根據(jù)不同分組的特性，提出了在AWGN信道下的自適應分組選擇策略17。徐飛等在原有的藍牙 2.0+EDR協(xié)議中加入采用 BCH編碼的數(shù)據(jù)分組，有效提高了藍牙數(shù)據(jù) 傳輸效率、抗干擾能力以 及在AWGN信道下的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量18。楊帆等提出了一種基于信噪比的

17、藍牙自適應分組類型選擇方法。其原理就是根據(jù)接收信噪比的不同情況選擇最佳的分組類 型進行傳輸，給出了進行分組類型切換時信 噪比的門限值，改善了在信道狀態(tài)不佳時的 系統(tǒng)性能19。JU等提出了一種基于信道估計的藍牙 系統(tǒng)分組選擇策略，針對不同信道誤比特率 的差異，結(jié)合現(xiàn)有藍牙數(shù)據(jù)分組的特點，提 高了原有系統(tǒng)的吞吐量。 這種自適應分組選 擇策略不僅可以有效地提高系統(tǒng)吞吐量，還能夠降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，在一定程度上可 以解決無線個域網(wǎng)的信息擁塞問題20。區(qū)間上下限的級別以得到該區(qū)間的最佳分 組類型。該方法通過實時跟蹤信道質(zhì)量，做 出相應的分組選擇策略，尤其對于不穩(wěn)定的信道，大大提高了系統(tǒng)的性能21。數(shù)據(jù)分

18、組選擇雖然可以有效改善藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，但是分組本身還存在 一定的不足，例如DH分組載荷部分沒有任 何差錯控制機制，當信道環(huán)境較差時， 會嚴 重影響藍牙數(shù)據(jù)分組的傳輸性能。針對這個問題，可以嘗試對DH分組的載荷部分采取 合理的編碼方式，糾正隨機發(fā)生的比特錯 誤，進而降低數(shù)據(jù)分組的重傳次數(shù)，提高藍 牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋，F(xiàn)有的糾錯編碼方 式有很多，例如 BCH碼22、RS碼、漢明 碼和Turbo碼23等，由于每種編碼方式的 復雜度和糾錯能力都存在差異，所以可根據(jù) 不同的應用需求選擇適合藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)分 組的編碼方式以保證數(shù)據(jù)分組在環(huán)境質(zhì)量 較差情況下的傳輸性能。力差的問題，本文為 EDR格式

19、分組引入了 擴展戈萊編碼方法。EDR格式數(shù)據(jù)分組有效 載荷部分采用擴展戈萊編碼(24,12)，該編碼可以糾正隨機的3bit錯誤，在低信噪比或環(huán)境質(zhì)量較差的情況下有效降低藍牙 EDR分組出錯的概率，提高藍牙數(shù)據(jù)分組的 吞吐量。與此同時，由于分組誤比特率與所 采用的調(diào)制方式存在一定的函數(shù)關(guān)系，因此調(diào)制方式性能的好壞影響了藍牙數(shù)據(jù)分組 的傳輸性能。從藍牙2.0+EDR版本開始，數(shù) 據(jù)載荷部分分別采用8DPSK(differe ntialphase shift keying) 和 n /4-DQPSK(dif- feren tialquadrature reference phaseshift key

20、i ng)2 種調(diào)制方式。如果引入最小頻移鍵控(MSK, minimumshiftkeyi ng) 調(diào)制方式，隨著比特信噪比的 增加，MSK調(diào)制方式的誤比特率要優(yōu)于以上 2種調(diào)制方式，如圖2所示。因此，將擴展戈萊編碼與MSK調(diào)制方式相結(jié)合的方法 可以有效改善藍牙數(shù)據(jù)分組的抗干擾能力。 改進后的新增 DH分組在信噪比為3dB時, 吞吐量就呈明顯上升趨勢，較協(xié)議原有的新增DH數(shù)據(jù)分組提高近5dB，如圖3所示。可見，本文提出的將擴展戈萊編碼與 MSK調(diào)制方式相結(jié)合的數(shù)據(jù)分組改進方案 可以提高信噪比較低情況下的數(shù)據(jù)分組可 靠性，并且可以進一步提高數(shù)據(jù)分組的抗干2-DH5P-2-D1B3-1川,A-r.

21、i-u-irior.i圖23種調(diào)制方式誤比特率比較-e-l-DHI VDlllTi.WLt/dB圖3采用MSK調(diào)制方法與擴展戈萊編碼后DH分組性能的改善3.1.2藍牙技術(shù)高層數(shù)據(jù)傳輸重傳機制為了實現(xiàn)高層應用，高層傳輸協(xié)議提供了更加有效和易于實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分組格式。其中較重要的邏輯鏈路及適配協(xié)議負責將基 帶層的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)換為便于高層應用的數(shù) 據(jù)分組格式，并提供協(xié)議復用和服務質(zhì)量交 換等功能。藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的邏輯鏈路及適配協(xié)議(L2CAP, logical link control and adaptation protocol)處于基帶協(xié)議的上層并與藍牙服務搜索協(xié)議、串口仿真協(xié)議和 電話控制等其

22、他通信協(xié)議具有通信接口。L2CAP 是基于 :分組的，但是其通信模型是基 于信道的。一個信道表示的是2個L2CAP實體之間的數(shù)據(jù)流。信道既可以是面向連接 的，也可以是無連接的。L2CAP層協(xié)議定義 了 4種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，以滿足不同數(shù)據(jù)傳輸 的需要。例如基本L2CAP模式下的面向連接信道采用 B-幀，數(shù)據(jù)幀包括長度字段、 信道ID以及信息載荷 3個部分；對于無 連接信道則采用 G-幀，與前者的不同在于 該幀引入了協(xié)議/服務復用字段，并且信道 ID為0x0002，用于數(shù)據(jù)成員的加入與剔 除；為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，該協(xié)議層采用了數(shù)據(jù)重傳機制，引入的S-幀和I-幀負責L2CAP實體間信息的監(jiān)控和傳輸

23、?，F(xiàn)有的關(guān)于藍牙 L2CAP層的研究主要 集中在該層的自動請求重傳(ARQ, automatic repeat request)機制上。傳統(tǒng)的重傳機制有 3種：停等式ARQ機制、回 退N幀ARQ機制和選擇重傳ARQ24機制，其性能比較如表 1所示。表13種亟傳機制性能比較朮性機嗣曾道利用率低低(ft低回退N WI詢選樣重傳ftft停等式ARQ機制，實現(xiàn)簡單,但其信道利用率較低；回退N幀ARQ機制，信道 利用率要優(yōu)于前者，但是在信道條件較差的 情況下，N幀將會很大，這將嚴重影響數(shù)據(jù) 傳輸?shù)耐掏铝?；選擇重傳ARQ機制，可以有效地解決前兩者存在的問題，而且信道利用率高，吞吐量等性能也優(yōu)于前兩者。由以

24、上分析可知，合理地選擇重傳機制有利于提 高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴＝鼛啄?，對?數(shù)據(jù)重傳機制的研究也取得了一定的成果。 VALENTI等人研究了加性高斯白噪聲與瑞 利衰落信道下分組重傳的概率與藍牙鏈路 吞吐量的關(guān)系25。RAZAVI等提出一種基于 模糊控制的自適應 ARQ機制，通過對發(fā)送緩 存器剩余空間的監(jiān)測， 運用模糊控制的方法 決定數(shù)據(jù)分組的重傳次數(shù)，這種機制有效地 降低了數(shù)據(jù)傳輸過程中的分組丟失率26。CYRIL等針對現(xiàn)有的 ARQ協(xié)議進行了比較 分析，給出了引入 BCH錯誤檢測碼對于停 止等待ARQ協(xié)議性能的改善方法，并分析 了前向糾錯碼對于系統(tǒng)時延的影 27。L2CAP層所采用的是回

25、退 N幀的ARQ 28機制，該機制一方面因連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀 可以提高效率，但另一方面，在重傳時又必須把原來已正確傳送過的數(shù)據(jù)幀重復傳送， 因此又降低了傳送效率。為了進一步提高信 道的利用率，可以設法只重傳出現(xiàn)差錯的數(shù) 據(jù)幀或者定時器超時的數(shù)據(jù)幀。所以結(jié)合 L2CAP層的特點，在不改變協(xié)議的基礎(chǔ)上， 采用選擇重傳 ARQ機制，進而改善數(shù)據(jù)傳 輸?shù)男阅堋Ｋ{牙 L2CAP層可以支持多個邏 輯信道，這與基帶層只支持一條ACL鏈路不同，通過信道標識可以區(qū)分不同的邏輯信 道，這為采用選擇重傳 arq29機制提供了 可能。但需要考慮的是如何連接邏輯信道， 為一個數(shù)據(jù)流建立2個邏輯信道：數(shù)據(jù)L2CAP信道和重傳

26、 L2CAP信道。選擇重傳 ARQ30機制只傳送錯誤的數(shù)據(jù)幀，這樣就 降低了采用回退N幀ARQ31機制引入的傳 輸延遲，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，該方法?以應用在現(xiàn)有的藍牙系統(tǒng)中。根據(jù)現(xiàn)有ARQ重傳機制各自的特點以 及存在的不足，僅使用一種重傳機制雖然可 以在一定程度上解決吞吐量的問題，但是又會引入新的問題。例如采用選擇重傳ARQ可以有效提高數(shù)據(jù)的吞吐量，但該機制本身 實現(xiàn)復雜，且對于硬件要求較高，須有足夠大的存儲容量以防止數(shù)據(jù)溢出，在實際應用 中存在一定的局限性。 單一的重傳機制很難 滿足不同的需求，因此如果將多種重傳機制 相結(jié)合，互補優(yōu)勢，可以有效地克服各種重 傳機制本身存在的缺陷，例如采用

27、回退N幀 的ARQ機制和選擇重傳 ARQ機制兩者技 術(shù)相結(jié)合的方式，一方面可以解決回退N幀ARQ機制吞吐量低的問題，另一方面還可以同時解決選擇重傳ARQ機制數(shù)據(jù)溢出的問題，從整體上提高了藍牙技術(shù)L2CAP層數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?.2藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸干擾問題藍牙技術(shù)工作在2.4GHz的免費ISM頻段，該頻段也同時被其他無線通信技術(shù)所 使用，如 ZigBee、RFID、HomeRF和 WLAN等， 所以不可避免地會存在彼此間的數(shù)據(jù)干擾。 不僅如此，藍牙皮可網(wǎng)之間也同樣存在數(shù)據(jù) 的同頻和鄰頻干擾32。3.2.1非藍牙設備間的干擾目前，針對非藍牙設備對藍牙設備數(shù)據(jù)傳輸干擾的研究工作主要集中在藍牙與WLAN

28、之間。WLAN網(wǎng)絡的主要技術(shù)包括 IEEE 802.1X系列標準，其中在與藍牙數(shù)據(jù) 傳輸干擾方面最受研究人員關(guān)注的標準是IEEE 802.11b。IEEE 802.15 委員會成立了 專門的組織（IEEE 802.15.2共存工作組）對藍牙技術(shù)和IEEE 802.11b 標準進行了修改，以降低相互之間的干擾。現(xiàn)有的修改 方案有協(xié)作方案和非協(xié)作方案2種：MEHTA（MAC enhanced temporal algorithm）禾口AWMA （alter nat ingwireless mediumaccess）是2個典型的協(xié)作算法，可以減 少甚至完全避免藍牙與WLAN相互通信時產(chǎn)生的干擾；而自

29、適應跳頻屬于非協(xié)作算法， 它是建立在自動信道質(zhì)量分析基礎(chǔ)上的一 種頻率自適應和功率自適應控制相結(jié)合的 技術(shù)，可以避免 2種網(wǎng)絡各自通信時產(chǎn)生 的數(shù)據(jù)干擾。3.2.2 藍牙皮可網(wǎng)間的干擾藍牙系統(tǒng)采用跳頻技術(shù)，發(fā)射頻率在 79個跳頻頻點之間偽隨機地選擇，并且各 個皮可網(wǎng)的跳頻序列是相互獨立的33。所 以在皮可網(wǎng)密集的地方，某個皮可網(wǎng)很有可 能和相鄰的皮可網(wǎng)跳到相同 （相鄰）的頻點, 從而產(chǎn)生同頻（鄰頻）干擾，影響藍牙設備之 間正常的數(shù)據(jù)傳送。當今藍牙產(chǎn)品使用非常 廣泛，幾乎每一部手機中都含有藍牙功能， 因此藍牙同頻干擾問題亟待解決。從藍牙技術(shù)誕生至今，研究人員不斷地 對藍牙皮可網(wǎng)間的同頻干擾問題進

30、行研究。研究工作主要集中在：1）對干擾情況下的藍 牙系統(tǒng)進行性能分析，包括數(shù)據(jù)分組類型、 同步異步、跳頻保護間隔、網(wǎng)間距離以及無線傳輸環(huán)境等因素對存在干擾的同類34,3或異類36,37皮可網(wǎng)的吞吐量和分組錯誤率的影響；2）對抗同頻干擾方法的研究，主 要包括速率自適應控制算法38、正交跳頻序列方法39、時間同步方法40、沖突解決 增強型接收機41、雙信道傳輸方法42,43 等。以上文獻從不同角度、針對不同因素對藍牙皮可網(wǎng)間的同頻干擾問題進行了研究， 但是在同頻干擾情況下，對藍牙網(wǎng)絡性能的 分析還存在以下需要解決的問題：目前的研 究大都假設皮可網(wǎng)之間同頻就會產(chǎn)生干擾， 并沒有分析皮可網(wǎng)在同頻情況下

31、的載干比； 文獻中分析的分組錯誤率實際上是藍牙皮 可網(wǎng)間同頻的概率， 并沒有考慮返回分組是 否發(fā)送成功；現(xiàn)有的干擾抑制方法也是基于 同頻就會產(chǎn)生干擾的假設而分析的。為了更好地抑制藍牙皮可網(wǎng)之間的同頻干擾，本文提出了一種基于信道轉(zhuǎn)換與MSK調(diào)制的同頻干擾抑制方法， 該方法在藍 牙皮可網(wǎng)重傳時進行信道轉(zhuǎn)換，并采用MSK調(diào)制方式代替高斯頻移鍵控調(diào)制方式。為了使網(wǎng)絡性能的分析更加完善，該方法根據(jù)載干比值判斷皮可網(wǎng)是否受到同頻干擾，并且分析了多個藍牙皮可網(wǎng)之間的同頻概率，在同頻概率分析過程中考慮了返回分組、跳頻保護間隔、滿載與非滿載、3種時隙數(shù)據(jù)分 組共存等多種情況。網(wǎng)絡數(shù)量N取不同值時，干擾抑制前、

32、后參考網(wǎng)不受同頻干擾時主從設備之間的 最大距離Dmax如表2所示?？梢姡捎眯?道轉(zhuǎn)換與MSK調(diào)制相結(jié)合的干擾抑制方法 后，Dmax值明顯增大，尤其在網(wǎng)絡數(shù)量小于 10時更加明顯。Jfc 2 戟干比疋沖)大于時第者網(wǎng)主軌設骼間最大距蠱司擾曲別血時的住磧氓加i干找悴制躬C7>lldB時的址nJ"血S.D】口.03YQ.Q45 J53J5.187百433 17467 234.4白.494.23.7ID4.0202.7加TO1 471 012干擾抑制前，當網(wǎng)絡數(shù)量大于20時,參考網(wǎng)在各種比例混合的傳輸方式下吞吐量都在100kbit/s 以下，可知參考網(wǎng)吞吐量 受同頻干擾的影響很嚴重。

33、干擾抑制后，參考網(wǎng)吞吐量得到了很大程度的改善，尤其在14W N< 57區(qū)間內(nèi)，皮可網(wǎng)吞吐量最大可增TS 至-M*K*«圖4干擾抑制前后參考網(wǎng)吞吐量最大 值的比較因此，本文提出的基于信道轉(zhuǎn)換與MSK調(diào)制的同頻干擾抑制方法能夠有效地提高 參考網(wǎng)的載干比和吞吐量，使主從設備間不 受同頻干擾的最大傳輸距離有所增加，很大程度上減少了同頻干擾的范圍。3.3藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸安全問題藍牙標準定義了一系列安全機制，為短距離無線數(shù)據(jù)傳輸提供了基本的保護44。現(xiàn)有藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珯C制主要存在2個問題：一個是單元密鑰的使用容易受到外 界的針對性攻擊45問題；另一個是藍牙單 元提供的個人識別碼的不安全

34、問題。解決這些問題的關(guān)鍵在于如何采用更為強健的加 密算法以及較為完善的訪問控制機制。藍牙作為一種短距離無線通信技術(shù)，與其他網(wǎng)絡技術(shù)一樣存在著數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N 安全隱患，近些年來很多研究人員致力于這 方面的研究，提出了一些行之有效的安全算 法和控制訪問方法。郁濱等針對于藍牙協(xié)議 的基帶層加密方案中密鑰容易受攻擊的問 題，根據(jù)藍牙的特點提出了一種基于主機控 制器接口的加密方案44;譚永亮等在分析 了藍牙加密算法的基礎(chǔ)上，提出了一種以IDEA(i nternatio naldataen crypti onalgorithm)為基礎(chǔ)的藍牙加密算法 46;徐 向東等通過分析藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)安全加密算 法的不足

35、，提出了將 DES(data en cryption standard)加密算法用于藍牙技術(shù)中，從而 替代原有E0加密算法47。針對數(shù)據(jù)訪問 控制問題，郁濱等基于不同協(xié)議層的控制特 點，提出一種藍牙訪問控制方案，實現(xiàn)了三層協(xié)議聯(lián)合訪問控制的目的，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?8;盧小亮等針對藍牙 訪問控制存在的設備授權(quán)不靈活、無用戶授權(quán)、資源完整性保護不足等問題，提出一種基于角色的訪問控制方案，實現(xiàn)了用戶的安 全訪問以及提高了數(shù)據(jù)交換的安全性49。雖然針對藍牙數(shù)據(jù)傳輸安全方面的研 究已經(jīng)取得了一定的進展，但仍有一些問題 有待進一步解決，例如如何保證初始字的復 雜度，藍牙技術(shù)單元字方案的可行性和

36、藍牙 設備地址的安全性等。 研究人員可以考慮將 現(xiàn)有的多種安全加密算法相結(jié)合或者采用 可靠性更高的訪問控制機制，對其加以改 進。4結(jié)束語由于無線數(shù)據(jù)傳輸自身的特點，在采用無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，難免會遇到安全、干擾以及傳輸性能等方面的問題。 本文針對藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸本身存在的問 題，從數(shù)據(jù)分組選擇、重傳機制、數(shù)據(jù)間的 干擾和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩葞讉€方面進行了 深入研究。首先討論了藍牙協(xié)議的各個演進 版本對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，給出了各協(xié)議傳輸速率的變化；然后對藍牙數(shù)據(jù)傳輸性能進行 了研究，針對分組選擇和重傳機制的研究現(xiàn) 狀，分析了已有算法的優(yōu)缺點，并提出了引 入擴展戈萊編碼方法和采用恒定包絡連續(xù)

37、相位調(diào)制方式等相應改善數(shù)據(jù)傳輸性能的 方案；最后分別從數(shù)據(jù)干擾和安全2個方面，對藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸存在的問題以及現(xiàn) 有的解決方案進行了分析，同時首次深入地研究了多個皮可網(wǎng)的同頻干擾概率和干擾 信號的功率等問題，并提出了基于信道轉(zhuǎn)換 與MSK調(diào)制的同頻干擾抑制方法，減小了 皮可網(wǎng)間的同頻概率和分組錯誤率。近幾年，藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯渴且?個迅速發(fā)展的領(lǐng)域，總體來說，還有以下幾 個方面需要深入研究。1）進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，降低傳輸?shù)哪芎摹Ｋ{牙技術(shù)組網(wǎng)節(jié)點本身電池能量 有限，而且還要參與網(wǎng)絡中的設備配對和數(shù) 據(jù)交換。因此，數(shù)據(jù)傳輸過程不應占用過多 的能量資源，否則將影響整個系統(tǒng)的正常運 行。設

38、計和采用一些節(jié)能算法，同時簡化藍 牙設備間的配對過程，降低其能量的消耗。2）增強網(wǎng)絡的可擴展性。有些藍牙拓撲算法在節(jié)點數(shù)目較少時，性能優(yōu)越，但是 當節(jié)點數(shù)目增加時，系統(tǒng)的性能就會明顯下 降。如藍牙網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)目增多時，配對和 維護過程的花費將會明顯增加，而且有些算 法還會出現(xiàn)節(jié)點負載過重的現(xiàn)象，成為系統(tǒng)的瓶頸。所以對于整個系統(tǒng)來說，具有可擴 展性的算法是今后研究的一個方向。3）降低藍牙設備的連接時間。藍牙技術(shù)采用的是快速跳頻方式進行通信，這意味著藍牙必須通過跳頻同步才能通信。在沒有通信的情況下，設備的連接將消耗很多時 間，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，所以應采用一些開銷小的方法來解決這些問題，例如減少

39、配對過程中的回退時間，改變藍牙查詢的跳頻序列或者采用改進的藍牙協(xié)議等。在藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯款I(lǐng)域中， 除 了本文論述的幾個主要研究方面， 還有一些 領(lǐng)域有待于進一步拓展。1）藍牙皮可網(wǎng)的調(diào)度算法50。由藍牙 設備組成的網(wǎng)絡中，采用何種輪詢方式與多 個從設備進行通信，以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，提高傳輸效率。2）藍牙散射網(wǎng)的吞吐量研究。當設備節(jié)點數(shù)量很大時，單個皮可網(wǎng)是不能滿足數(shù) 據(jù)傳輸需要的，可以同時將幾個皮可網(wǎng)組成 更為復雜的散射網(wǎng)，進行數(shù)據(jù)交換。因此散 射網(wǎng)的吞吐量是值得考慮的重要問題，進而使整體性能達到最優(yōu)。參考文獻：1 錢志鴻，楊帆，周求湛.藍牙技術(shù)原理開發(fā)與應用M.北京：北京航空航天大學

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