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藍(lán)牙無線連接可靠性的研究和實(shí)現(xiàn)論文
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。
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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)，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(huì)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(jì)。
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(dòng)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(shí)（或干擾低時(shí)）發(fā)送，故避免干擾更容易一些。若采用時(shí)間避免干擾法，當(dāng)遇到時(shí)域脈沖干擾時(shí)，發(fā)送的信號將會(huì)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(shí)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(cuò)檢測和校正、進(jìn)行數(shù)據(jù)編解碼、差錯(cuò)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(cuò)控制方案
在藍(lán)牙基帶協(xié)議中采用的差錯(cuò)控制方案有：1/3 比例前向糾錯(cuò)碼（FEC)；2/3比例前向糾錯(cuò)碼（FEC)；數(shù)據(jù)的自動(dòng)重傳請求（ARQ, Automatic Repeat Request）方案。
其中，F(xiàn)EC（前向糾錯(cuò)）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(cuò)、糾錯(cuò)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(shí)間非常重要。但是，采用FEC的缺點(diǎn)是還是會(huì)降低實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率。所以，在糾錯(cuò)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(cuò)碼保護(hù)，它含有很重要的鏈接信息，能夠容忍多位錯(cuò)誤。
3.1.1 1/3 比例前向糾錯(cuò)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(cuò)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(gè)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(cuò)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(gè)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(cuò)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(cuò)和檢測所有偶數(shù)位錯(cuò)，誤碼檢測用于數(shù)據(jù)糾錯(cuò)。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(cuò)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(cuò)碼。
3.1.3 自動(dòng)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(dòng)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(jì)時(shí)器在超時(shí)后會(huì)發(fā)出超時(shí)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(shí)）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(shí)，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(gè)分組。從單元將在主-從時(shí)隙后緊跟在從-主時(shí)隙中進(jìn)行應(yīng)答。主單元?jiǎng)t將在下一個(gè)事件中應(yīng)答，該事件將給出同一從單元地址。由于處理時(shí)間短，當(dāng)分組接收時(shí)，解碼選擇在空閑時(shí)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方案相似，但時(shí)延最小，實(shí)際上沒有由ARQ方案引起的附加時(shí)延。
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