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藍(lán)牙無線連接可靠性的研究與實(shí)現(xiàn)
摘要:本文敘述了藍(lán)牙無線連接在封頻、基帶協(xié)議、鏈路管理協(xié)議(LMP)中采用的可靠性措施。特別對提高藍(lán)牙文件傳拾的可靠性做了深入的研究,在藍(lán)牙RFCOMM 協(xié)議的基礎(chǔ)之上建立了本文所描述的藍(lán)牙的文件傳輸協(xié)議,稱之為RBTFT,其中,創(chuàng)造性地提出了支持文件斷點(diǎn)續(xù)傳的辦法。并得到了實(shí)現(xiàn),從而在應(yīng)用層有效地提高了藍(lán)牙無線連接的可靠性。關(guān)鍵詞:藍(lán)牙,無線,可靠性,研究與實(shí)現(xiàn)
1 引言
藍(lán)牙(Bluetooth )是一種低成本、短距離的無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它是由愛立信(Ericsson ) ,國際商用機(jī)器(IBM ) ,英特爾( Intel ) ,諾基亞(Nokia )和東芝(Toshiba ) 5 家公司共同倡導(dǎo)的一種全球無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其目的就是將智能移動電話與筆記本電腦、掌上電腦以及各種數(shù)字信息的外部設(shè)備用無線方式連接起來。目前,無線連接飛速普及、大受歡迎,藍(lán)牙技術(shù)的廣泛應(yīng)用對無線移動數(shù)據(jù)通信將起到巨大的促進(jìn)作用。
2藍(lán)牙無線頻段的選擇和抗干擾
藍(lán)牙技術(shù)采用2400~2483.5MHz 的ISM (工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段,這是因?yàn)椋?/P>
( l )該頻段內(nèi)沒有其它系統(tǒng)的信號干擾,同時頻段向公眾開放,無須特許;
( 2 )該頻段在全球范圍內(nèi)有效。
此時,抗干擾問題便變得非常重要。因?yàn)?400~2483.5MHz ISM 頻段為開放頻段,使用其中的任何頻段都會遇到不可預(yù)測的干擾源(如某些家用電器、無繩電話和汽車開門器等),此外,對外部干擾源和其它藍(lán)牙設(shè)備的干擾也應(yīng)作充分估計。
抗干擾方法分為避免干擾和抑制干擾。避免干擾可通過降低各通信單元的信號發(fā)射電平來達(dá)到;抑制干擾則通過編碼或直接序列擴(kuò)頻來實(shí)現(xiàn)。然而,在不同的無線環(huán)境下,專用系統(tǒng)的干擾和有用信號的動態(tài)范圍變化極大。在超過50dB 的遠(yuǎn)近比和不同環(huán)境功率差異的情況下,要達(dá)到1Mb/s 以上速率,僅靠編碼和處理增益是不夠的。相反,由于信號可在沒有干擾時(或干擾低時)發(fā)送,故避免干擾更容易一些。若采用時間避免干擾法,當(dāng)遇到時域脈沖干擾時,發(fā)送的信號將會中止。另一方面,大部分無線系統(tǒng)是帶寬受限的,而在2.45 GHZ 頻段上,系統(tǒng)帶寬為80MHz,可找到一段無明顯干擾的頻譜,同時利用頻域?yàn)V波器對無線頻帶其余頻譜進(jìn)行抑制,以達(dá)到理想效果。因此,以頻域避免干擾法更為可行。
3藍(lán)牙基帶協(xié)議中的可靠性措施
藍(lán)牙基帶協(xié)議把保證藍(lán)牙無線連接的可靠性放在了至關(guān)重要的位置上,確保匹克網(wǎng)內(nèi)各藍(lán)牙設(shè)備之間由射頻構(gòu)成可靠的物理連接。實(shí)際上,為了提高藍(lán)牙無線連接的可靠性,以較小的開銷有效地降低誤碼率、切實(shí)提高藍(lán)牙無線連接的可靠性,藍(lán)牙基帶協(xié)議中定義了一系列提高藍(lán)牙無線連接可靠性的措施,主要包括:差錯檢測和校正、進(jìn)行數(shù)據(jù)編解碼、差錯控制、數(shù)據(jù)加噪等。下面,我們對這些可靠性措施一一進(jìn)行闡述:
3.1 藍(lán)牙基帶協(xié)議中的差錯控制方案
在藍(lán)牙基帶協(xié)議中采用的差錯控制方案有:1/3 比例前向糾錯碼(FEC);2/3比例前向糾錯碼(FEC);數(shù)據(jù)的自動重傳請求(ARQ, Automatic Repeat Request)方案。
其中,F(xiàn)EC(前向糾錯)的目的是為了減少數(shù)據(jù)載荷重發(fā)的次數(shù),使用FEC碼,檢錯、糾錯以及編解碼的過程變得簡單迅速,這對RX 和TX 間的有限處理時間非常重要。但是,采用FEC的缺點(diǎn)是還是會降低實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率。所以,在糾錯要求不高的環(huán)境中,可以不采用FEC。藍(lán)牙規(guī)范基帶協(xié)議中的分組的定義對于在有效載荷中是否采用FEC 給出了相當(dāng)?shù)撵`活度,由此而定義了ACL鏈接中使用的DM 和DH分組以及SCO鏈接中使用的HV分組。分組頭通常采用1/3比例前向糾錯碼保護(hù),它含有很重要的鏈接信息,能夠容忍多位錯誤。
3.1.1 1/3 比例前向糾錯碼(FEC)
在這種3位重復(fù)方案中,分組頭中的每一位都重復(fù)三次。主要用來屏蔽頭中的錯誤,因?yàn)榉纸M頭中包含有重要的連接信息。實(shí)際上在整個分組頭里都采用了三位重復(fù)碼。在這種3 位重復(fù)方案中,重復(fù)碼大部分在接收端判決,既可用于數(shù)據(jù)包頭,也可用于SCO鏈接的分組。例如,在SCO鏈接中使用的HV1分組里的話音段中也采用了這種編碼格式。
3.1.2 2/3比例前向糾錯碼(FEC)
在這一方案中,采用了一種(15, 10)精簡的(縮短的)漢明碼表示方式。每10個信息位被編碼為15位的碼字,生成多項(xiàng)式為:g(D)= (D 1) (D4 D 1)。此類錯誤校正方法主要用來以最可靠的方式來發(fā)送數(shù)據(jù)分組。該方案能夠在各代碼字中糾正所有奇數(shù)位錯和檢測所有偶數(shù)位錯,誤碼檢測用于數(shù)據(jù)糾錯。它既可用于SCO鏈接的同步分組,也可用于ACL 鏈接的異步分組。具體而言,2/3比例前向糾錯碼可用于DM分組、DV分組中的數(shù)據(jù)段、FHS 分組以及SCO鏈接中使用的HV2分組中。由于編碼器采用長度為10 的信息段,所以值為O的尾位可附加在CRC位之后。而所有需要編碼的位數(shù)(即:有效載荷頭、用戶數(shù)據(jù)、CRC和尾部數(shù)位)必須是10 的整倍數(shù)。通常是用線性反饋移位寄存器LFSR來生成2/3比例前向糾錯碼。
3.1.3 自動重傳請求(ARQ)
在藍(lán)牙無線連接中,為了保證可靠傳送,常用做法是采用自動重傳請求(ARQ)方案,由接收方發(fā)回特殊的控制幀,作為對輸人肯定或否定性的確認(rèn)(ACK/NACK)。如果出現(xiàn)丟幀或丟掉確認(rèn)消息的情況,則計時器在超時后會發(fā)出超時信號,提醒發(fā)送方可能出現(xiàn)了問題,必須重傳此幀。而且收方必須能夠辨別收到的是重復(fù)幀還是新幀。
在藍(lán)牙采用的ARQ方案中,藍(lán)牙的DM、DH和DV分組的數(shù)據(jù)段可以進(jìn)行傳輸或重發(fā),直到收端返回成功接收確認(rèn)信息(或超時)為止。該確認(rèn)信息包含在返回分組頭里,即捎帶( Piggy backing) 。為了確定有效載荷正確與否,循環(huán)冗余校驗(yàn)碼應(yīng)該加載于有效載荷中。ARQ方案只工作在分組的有效載荷上(僅針對具有CRC的有效載荷)。分組頭和話音有效載荷不受ARQ 保護(hù)。
藍(lán)牙使用快速、無編號確認(rèn)方案。為了應(yīng)答前次接收分組,應(yīng)返回ACK (ARQN=1)或NAK (ARQN=0)。在返回分組的分組頭里,生成ACK / NACK 域,同時,接收分組的分組頭中的ACK / NACK域可表明前面的負(fù)載是否正確接收,決定是否需要重發(fā)或發(fā)送下一個分組。從單元將在主-從時隙后緊跟在從-主時隙中進(jìn)行應(yīng)答。主單元則將在下一個事件中應(yīng)答,該事件將給出同一從單元地址。由于處理時間短,當(dāng)分組接收時,解碼選擇在空閑時間進(jìn)行,并要簡化FEC編碼結(jié)構(gòu),以加快處理速度?焖貯RQ方案與停止等待ARQ方
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