藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸綜述

錢志鴻，劉丹

（1. 吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，吉林 長春130025；2. 大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連116023）

1 引言

藍(lán)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(shè)備的通信環(huán)境提供特別連接的通信技術(shù)。由于藍(lán)牙技術(shù)具有可以方便快速地建立無線連接、移植性較強(qiáng)、安全性較高且藍(lán)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(shè)計(jì)開發(fā)簡單等優(yōu)點(diǎn)[1]，藍(lán)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(shí)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(diǎn)是傳輸速度快、安全性高以及實(shí)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(yán)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。由于無線傳輸技術(shù)自身的特點(diǎn)，可以有效解決有線傳輸帶來的不便，使現(xiàn)有的數(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(lán)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(yīng)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(diǎn)，并且在很大程度上與藍(lán)牙技術(shù)相互補(bǔ)充。藍(lán)牙技術(shù)由于成本低、功耗低和組網(wǎng)容易等特點(diǎn)，在無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，對于藍(lán)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(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯栴}，給出了改進(jìn)的拓?fù)錁?gòu)成算法，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可拓展性[3,4]。HAGER和BANDYOPADHYAY等對藍(lán)牙技術(shù)安全方面存在的問題進(jìn)行了大量的分析，指出藍(lán)牙技術(shù)在安全方面仍存在不足，包括藍(lán)牙技術(shù)的認(rèn)證、PIN碼的安全以及匹配問題等[5～7]。GOLMIE等對藍(lán)牙設(shè)備與802.11設(shè)備共存時(shí)的相互干擾情況進(jìn)行了詳細(xì)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(cuò)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(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?，指出了各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)構(gòu)想和今后的研究展望。

2 藍(lán)牙協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)难葸M(jìn)過程

自從完成了第1版藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的制定以來，藍(lán)牙特別興趣小組(SIG, special interesting group)仍然持續(xù)不斷地對藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行修正與改版的工作，目的是期望藍(lán)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(lán)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(jìn)的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)版本，對于整體藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展帶來了至關(guān)重要的影響。

藍(lán)牙規(guī)范1.0版本主要是針對點(diǎn)對點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸，給出了標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)對點(diǎn)擴(kuò)展為點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，并修正了前一版本中錯(cuò)誤和模糊的概念。藍(lán)牙技術(shù) 1.1版本規(guī)定的傳輸速率峰值為1Mbit/s，而實(shí)際應(yīng)用中是723kbit/s。藍(lán)牙技術(shù)1.2版本的傳輸速率與1.1版本相同，但實(shí)現(xiàn)了設(shè)備識別的高速化，增強(qiáng)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(lán)牙協(xié)議規(guī)范1.2版本中有以下的改進(jìn)和增強(qiáng)：更加快速地連接、自適應(yīng)跳頻(AFH, adaptive frequency hopping)、擴(kuò)展的同步面向連接鏈路、增強(qiáng)的錯(cuò)誤檢測與信息流、增強(qiáng)的同步能力、增強(qiáng)的流規(guī)范等[11]。這些改進(jìn)可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性和可靠性，為其實(shí)時(shí)傳輸提供了有力支撐。

從藍(lán)牙2.0版本開始，增加了增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率(EDR, enhanced data rate)協(xié)議，大大提高了藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋Ｋ闹饕攸c(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1.2版本傳輸速率的3倍(在某些情況下可高達(dá)10倍)，各版本的數(shù)據(jù)傳輸速率比較如圖1所示。

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(fù)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(lán)牙規(guī)范兼容，降低了比特誤差率[12]。藍(lán)牙 2.1+EDR標(biāo)準(zhǔn)在2.0版本的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芗右愿纳疲哂?個(gè)主要特征：改善裝置配對流程、節(jié)約能源和增強(qiáng)安全性等[13]。

目前，較新的版本是藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟在2009年4月頒布的藍(lán)牙 3.0+HS高速核心規(guī)范和在 2009年12月頒布的藍(lán)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(yīng)層，使藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸速率提高至24Mbit/s。此外，藍(lán)牙3.0+HS還增加了單播無連接數(shù)據(jù)傳輸模式和增強(qiáng)功率控制等新功能[14]。藍(lán)牙規(guī)范4.0可以說是藍(lán)牙3.0+HS規(guī)范的補(bǔ)充，降低了藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎腫15]，這個(gè)版本主要應(yīng)用在醫(yī)療保健、運(yùn)動與健身、安全及家庭娛樂等全新的市場。

3 藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?/h2>

現(xiàn)有關(guān)于藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯恐饕性谝韵聨讉€(gè)方面：數(shù)據(jù)分組的選擇對于傳輸性能的影響、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(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸性能分析

基于藍(lán)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(fù)責(zé)藍(lán)牙設(shè)備間對方位置的確認(rèn)，以及建立和管理藍(lán)牙設(shè)備之間的物理與邏輯鏈路。除此之外傳輸協(xié)議又可細(xì)分為底層傳輸協(xié)議和高層傳輸協(xié)議2個(gè)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?shí)現(xiàn)，主要包括射頻、基帶和鏈路管理協(xié)議3個(gè)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(jī)控制器接口，其主要功能包括：為高層應(yīng)用程序屏蔽諸如跳頻序列選擇等底層傳輸操作；為高層應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)提供更加有效和易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分組格式。

3.1.1 藍(lán)牙技術(shù)底層數(shù)據(jù)傳輸分組選擇

通信設(shè)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(lán)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(lán)牙皮可網(wǎng)采用分組形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，基帶層給出了2種分組格式：一種是藍(lán)牙協(xié)議1.0中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙協(xié)議 2.0+EDR版本提出的增強(qiáng)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(gè)部分，保留了原有的接入碼和分組頭 2個(gè)部分，數(shù)據(jù)部分采用相移鍵控(PSK,phase shift keying)調(diào)制方式，并在數(shù)據(jù)分組中引入了保護(hù)周期。

藍(lán)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(lán)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。

現(xiàn)有的關(guān)于藍(lán)牙技術(shù)底層數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯恐饕性跀?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(cuò)機(jī)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)外的研究人員均已取得了一定的進(jìn)展。SARKAR等在假設(shè)信道狀態(tài)已知的情況下，利用所建立的數(shù)學(xué)模型求出吞吐量最大時(shí)數(shù)據(jù)分組大小的最優(yōu)值，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的整體性能[16]。楊帆等分析了藍(lán)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 Gaussian noise)信道下的位錯(cuò)誤率與平均接收信噪比的關(guān)系，根據(jù)不同分組的特性，提出了在AWGN信道下的自適應(yīng)分組選擇策略[17]。徐飛等在原有的藍(lán)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(lán)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藍(lán)牙自適應(yīng)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(jìn)行傳輸，給出了進(jìn)行分組類型切換時(shí)信噪比的門限值，改善了在信道狀態(tài)不佳時(shí)的系統(tǒng)性能[19]。

JU等提出了一種基于信道估計(jì)的藍(lán)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(lán)牙數(shù)據(jù)分組的特點(diǎn)，提高了原有系統(tǒng)的吞吐量。這種自適應(yīng)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(gè)域網(wǎng)的信息擁塞問題[20]。

因此，不同誤碼率和數(shù)據(jù)分組對于系統(tǒng)吞吐量的影響是有差異的。當(dāng)系統(tǒng)不存在干擾或者干擾很小的時(shí)候，小時(shí)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(shí)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(cuò)重傳的概率。以上的參考文獻(xiàn)雖然給出了自適應(yīng)分組選擇策略，但在不改變藍(lán)牙硬件的基礎(chǔ)上，得到或者準(zhǔn)確估計(jì)和跟蹤信道質(zhì)量是比較困難的，所以分組選擇的難點(diǎn)在于如何估計(jì)或者判斷信道質(zhì)量。

基于以上問題，王雪等提出把不同誤碼率下的最佳分組按照其吞吐量進(jìn)行分級，并計(jì)算出分組吞吐量臨界點(diǎn)的重傳次數(shù)，同時(shí)與每個(gè)分組的平均重傳次數(shù)比較，調(diào)整分組區(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(shí)時(shí)跟蹤信道質(zhì)量，做出相應(yīng)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)分組選擇雖然可以有效改善藍(lán)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(cuò)控制機(jī)制，當(dāng)信道環(huán)境較差時(shí)，會嚴(yán)重影響藍(lán)牙數(shù)據(jù)分組的傳輸性能。針對這個(gè)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(jī)發(fā)生的比特錯(cuò)誤，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)分組的重傳次數(shù)，提高藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋，F(xiàn)有的糾錯(cuò)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(fù)雜度和糾錯(cuò)能力都存在差異，所以可根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇適合藍(lán)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。

針對 EDR格式分組本身存在抗干擾能力差的問題，本文為 EDR格式分組引入了擴(kuò)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(kuò)展戈萊編碼(24,12)，該編碼可以糾正隨機(jī)的3bit錯(cuò)誤，在低信噪比或環(huán)境質(zhì)量較差的情況下有效降低藍(lán)牙 EDR分組出錯(cuò)的概率，提高藍(lán)牙數(shù)據(jù)分組的吞吐量。與此同時(shí)，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(lán)牙數(shù)據(jù)分組的傳輸性能。從藍(lán)牙2.0+EDR版本開始，數(shù)據(jù)載荷部分分別采用8DPSK(differential phase shift keying)和 π/4-DQPSK (differential quadrature reference phase shift keying)2種調(diào)制方式。

如果引入最小頻移鍵控(MSK, minimum shift keying)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(kuò)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(lán)牙數(shù)據(jù)分組的抗干擾能力。改進(jìn)后的新增DH分組在信噪比為3dB時(shí)，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(kuò)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(jìn)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(jìn)一步提高數(shù)據(jù)分組的抗干擾性能和吞吐量。

圖2 3種調(diào)制方式誤比特率比較

圖3 采用MSK調(diào)制方法與擴(kuò)展戈萊編碼后DH分組性能的改善

3.1.2 藍(lán)牙技術(shù)高層數(shù)據(jù)傳輸重傳機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)高層應(yīng)用，高層傳輸協(xié)議提供了更加有效和易于實(shí)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(fù)責(zé)將基帶層的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)換為便于高層應(yīng)用的數(shù)據(jù)分組格式，并提供協(xié)議復(fù)用和服務(wù)質(zhì)量交換等功能。

藍(lán)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(lán)牙服務(wù)搜索協(xié)議、串口仿真協(xié)議和電話控制等其他通信協(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(gè)信道表示的是2個(gè)L2CAP實(shí)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?shù)男枰?。例如基?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(gè)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(wù)復(fù)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(jī)制，引入的S-幀和I-幀負(fù)責(zé)L2CAP實(shí)體間信息的監(jiān)控和傳輸。

現(xiàn)有的關(guān)于藍(lán)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(jī)制上。傳統(tǒng)的重傳機(jī)制有3種：停等式ARQ機(jī)制、回退N幀 ARQ機(jī)制和選擇重傳ARQ[24]機(jī)制，其性能比較如表1所示。

表1 3種重傳機(jī)制性能比較

停等式 ARQ機(jī)制，實(shí)現(xiàn)簡單，但其信道利用率較低；回退N幀ARQ機(jī)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(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝?；選擇重傳ARQ機(jī)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。由以上分析可知，合理地選擇重傳機(jī)制有利于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。近幾年，對于?shù)據(jù)重傳機(jī)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(lán)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(yīng) ARQ機(jī)制，通過對發(fā)送緩存器剩余空間的監(jiān)測，運(yùn)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(jī)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(jìn)行了比較分析，給出了引入BCH錯(cuò)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(cuò)碼對于系統(tǒng)時(shí)延的影響[27]。

L2CAP層所采用的是回退 N幀的 ARQ[28]機(jī)制，該機(jī)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(shí)又必須把原來已正確傳送過的數(shù)據(jù)幀重復(fù)傳送，因此又降低了傳送效率。為了進(jìn)一步提高信道的利用率，可以設(shè)法只重傳出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀或者定時(shí)器超時(shí)的數(shù)據(jù)幀。所以結(jié)合 L2CAP層的特點(diǎn)，在不改變協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用選擇重傳ARQ機(jī)制，進(jìn)而改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。藍(lán)牙 L2CAP層可以支持多個(gè)邏輯信道，這與基帶層只支持一條 ACL鏈路不同，通過信道標(biāo)識可以區(qū)分不同的邏輯信道，這為采用選擇重傳 ARQ[29]機(jī)制提供了可能。但需要考慮的是如何連接邏輯信道，為一個(gè)數(shù)據(jù)流建立2個(gè)邏輯信道：數(shù)據(jù)L2CAP信道和重傳L2CAP信道。選擇重傳ARQ[30]機(jī)制只傳送錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀，這樣就降低了采用回退 N幀ARQ[31]機(jī)制引入的傳輸延遲，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，該方法可以?yīng)用在現(xiàn)有的藍(lán)牙系統(tǒng)中。

根據(jù)現(xiàn)有ARQ重傳機(jī)制各自的特點(diǎn)以及存在的不足，僅使用一種重傳機(jī)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(jī)制本身實(shí)現(xiàn)復(fù)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(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。單一的重傳機(jī)制很難滿足不同的需求，因此如果將多種重傳機(jī)制相結(jié)合，互補(bǔ)優(yōu)勢，可以有效地克服各種重傳機(jī)制本身存在的缺陷，例如采用回退N幀的ARQ機(jī)制和選擇重傳ARQ機(jī)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(jī)制吞吐量低的問題，另一方面還可以同時(shí)解決選擇重傳ARQ機(jī)制數(shù)據(jù)溢出的問題，從整體上提高了藍(lán)牙技術(shù)L2CAP層數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?/p>

3.2 藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸干擾問題

藍(lán)牙技術(shù)工作在2.4GHz的免費(fèi)ISM頻段，該頻段也同時(shí)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(lán)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(lán)牙設(shè)備間的干擾

目前，針對非藍(lán)牙設(shè)備對藍(lán)牙設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸干擾的研究工作主要集中在藍(lán)牙與 WLAN之間。WLAN網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)包括IEEE 802.1x系列標(biāo)準(zhǔn)，其中在與藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸干擾方面最受研究人員關(guān)注的標(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙技術(shù)和IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改，以降低相互之間的干擾?，F(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)和AWMA (alternating wireless medium access) 是2個(gè)典型的協(xié)作算法，可以減少甚至完全避免藍(lán)牙與WLAN相互通信時(shí)產(chǎn)生的干擾；而自適應(yīng)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(yīng)和功率自適應(yīng)控制相結(jié)合的技術(shù)，可以避免2種網(wǎng)絡(luò)各自通信時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)干擾。

3.2.2 藍(lán)牙皮可網(wǎng)間的干擾

藍(lán)牙系統(tǒng)采用跳頻技術(shù)，發(fā)射頻率在 79個(gè)跳頻頻點(diǎn)之間偽隨機(jī)地選擇，并且各個(gè)皮可網(wǎng)的跳頻序列是相互獨(dú)立的[33]。所以在皮可網(wǎng)密集的地方，某個(gè)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(diǎn)，從而產(chǎn)生同頻(鄰頻)干擾，影響藍(lán)牙設(shè)備之間正常的數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)今藍(lán)牙產(chǎn)品使用非常廣泛，幾乎每一部手機(jī)中都含有藍(lán)牙功能，因此藍(lán)牙同頻干擾問題亟待解決。

從藍(lán)牙技術(shù)誕生至今，研究人員不斷地對藍(lán)牙皮可網(wǎng)間的同頻干擾問題進(jìn)行研究。研究工作主要集中在：1)對干擾情況下的藍(lán)牙系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，包括數(shù)據(jù)分組類型、同步異步、跳頻保護(hù)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[34,35]或異類[36,37]皮可網(wǎng)的吞吐量和分組錯(cuò)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(yīng)控制算法[38]、正交跳頻序列方法[39]、時(shí)間同步方法[40]、沖突解決增強(qiáng)型接收機(jī)[41]、雙信道傳輸方法[42,43]等。

以上文獻(xiàn)從不同角度、針對不同因素對藍(lán)牙皮可網(wǎng)間的同頻干擾問題進(jìn)行了研究，但是在同頻干擾情況下，對藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)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(shè)皮可網(wǎng)之間同頻就會產(chǎn)生干擾，并沒有分析皮可網(wǎng)在同頻情況下的載干比；文獻(xiàn)中分析的分組錯(cuò)誤率實(shí)際上是藍(lán)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(shè)而分析的。

為了更好地抑制藍(lán)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(lán)牙皮可網(wǎng)重傳時(shí)進(jìn)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(luò)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(gè)藍(lán)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(hù)間隔、滿載與非滿載、3種時(shí)隙數(shù)據(jù)分組共存等多種情況。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)量N取不同值時(shí)，干擾抑制前、后參考網(wǎng)不受同頻干擾時(shí)主從設(shè)備之間的最大距離Dmax如表2所示?？梢姡捎眯诺擂D(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(luò)數(shù)量小于10時(shí)更加明顯。

表2 載干比(C/I)大于11dB時(shí)參考網(wǎng)主從設(shè)備間最大距離

干擾抑制前，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量大于 20時(shí)，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(yán)重。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14≤N≤57區(qū)間內(nèi)，皮可網(wǎng)吞吐量最大可增加260kbit/s，如圖4所示。

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(shè)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(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸安全問題

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列安全機(jī)制，為短距離無線數(shù)據(jù)傳輸提供了基本的保護(hù)[44]?，F(xiàn)有藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珯C(jī)制主要存在2個(gè)問題：一個(gè)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(gè)是藍(lán)牙單元提供的個(gè)人識別碼的不安全問題。解決這些問題的關(guān)鍵在于如何采用更為強(qiáng)健的加密算法以及較為完善的訪問控制機(jī)制。

藍(lán)牙作為一種短距離無線通信技術(shù)，與其他網(wǎng)絡(luò)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(lán)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(lán)牙的特點(diǎn)提出了一種基于主機(jī)控制器接口的加密方案[44]；譚永亮等在分析了藍(lán)牙加密算法的基礎(chǔ)上，提出了一種以IDEA(international data encryption algorithm)為基礎(chǔ)的藍(lán)牙加密算法[46]；徐向東等通過分析藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)安全加密算法的不足，提出了將DES(data encryption standard)加密算法用于藍(lán)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(diǎn)，提出一種藍(lán)牙訪問控制方案，實(shí)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訹48]；盧小亮等針對藍(lán)牙訪問控制存在的設(shè)備授權(quán)不靈活、無用戶授權(quán)、資源完整性保護(hù)不足等問題，提出一種基于角色的訪問控制方案，實(shí)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(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸安全方面的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍有一些問題有待進(jìn)一步解決，例如如何保證初始字的復(fù)雜度，藍(lán)牙技術(shù)單元字方案的可行性和藍(lán)牙設(shè)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(jī)制，對其加以改進(jìn)。

4 結(jié)束語

由于無線數(shù)據(jù)傳輸自身的特點(diǎn)，在采用無線方式進(jìn)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(lán)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(jī)制、數(shù)據(jù)間的干擾和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩葞讉€(gè)方面進(jìn)行了深入研究。首先討論了藍(lán)牙協(xié)議的各個(gè)演進(jìn)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(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸性能進(jìn)行了研究，針對分組選擇和重傳機(jī)制的研究現(xiàn)狀，分析了已有算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了引入擴(kuò)展戈萊編碼方法和采用恒定包絡(luò)連續(xù)相位調(diào)制方式等相應(yīng)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(gè)方面，對藍(lán)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(jìn)行了分析，同時(shí)首次深入地研究了多個(gè)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(cuò)誤率。

近幾年，藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯渴且粋€(gè)迅速發(fā)展的領(lǐng)域，總體來說，還有以下幾個(gè)方面需要深入研究。

1) 進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，降低傳輸?shù)哪芎?。藍(lán)牙技術(shù)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)本身電池能量有限，而且還要參與網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備配對和數(shù)據(jù)交換。因此，數(shù)據(jù)傳輸過程不應(yīng)占用過多的能量資源，否則將影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)和采用一些節(jié)能算法，同時(shí)簡化藍(lán)牙設(shè)備間的配對過程，降低其能量的消耗。

2) 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。有些藍(lán)牙拓?fù)渌惴ㄔ诠?jié)點(diǎn)數(shù)目較少時(shí)，性能優(yōu)越，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加時(shí)，系統(tǒng)的性能就會明顯下降。如藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多時(shí)，配對和維護(hù)過程的花費(fèi)將會明顯增加，而且有些算法還會出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重的現(xiàn)象，成為系統(tǒng)的瓶頸。所以對于整個(gè)系統(tǒng)來說，具有可擴(kuò)展性的算法是今后研究的一個(gè)方向。

3) 降低藍(lán)牙設(shè)備的連接時(shí)間。藍(lán)牙技術(shù)采用的是快速跳頻方式進(jìn)行通信，這意味著藍(lán)牙必須通過跳頻同步才能通信。在沒有通信的情況下，設(shè)備的連接將消耗很多時(shí)間，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，所以應(yīng)采用一些開銷小的方法來解決這些問題，例如減少配對過程中的回退時(shí)間，改變藍(lán)牙查詢的跳頻序列或者采用改進(jìn)的藍(lán)牙協(xié)議等。

在藍(lán)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(gè)主要研究方面，還有一些領(lǐng)域有待于進(jìn)一步拓展。

1) 藍(lán)牙皮可網(wǎng)的調(diào)度算法[50]。由藍(lán)牙設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)中，采用何種輪詢方式與多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信，以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，提高傳輸效率。

2) 藍(lán)牙散射網(wǎng)的吞吐量研究。當(dāng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量很大時(shí)，單個(gè)皮可網(wǎng)是不能滿足數(shù)據(jù)傳輸需要的，可以同時(shí)將幾個(gè)皮可網(wǎng)組成更為復(fù)雜的散射網(wǎng)，進(jìn)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(jìn)而使整體性能達(dá)到最優(yōu)。

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