錢志鴻，劉丹

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

1 引言

藍牙技術是一種無線數(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，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。由于藍牙技術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[1]，藍牙技術近幾年來在眾多短距離無線通信技術中備受關注。

眾所周知，數(shù)據(jù)傳輸是實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的基礎。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。由于無線傳輸技術自身的特點，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)傳輸技術的研究有著重大的意義。

近些年，無線傳輸技術得到了迅猛發(fā)展，相繼出現(xiàn)了紅外技術、HomeRF、藍牙[2]、無線局域網(wǎng)(WLAN, wireless local area network)、ZigBee、RFID等，這些技術都有各自的優(yōu)勢和應用領域，大大改善了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸方式。

現(xiàn)有的無線通信技術各有特點，并且在很大程度上與藍牙技術相互補充。藍牙技術由于成本低、功耗低和組網(wǎng)容易等特點，在無線數(shù)據(jù)傳輸領域得到了廣泛的應用。目前，對于藍牙技術的研究，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數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡拓撲問題，給出了改進的拓撲構成算法，增強了網(wǎng)絡的可拓展性[3,4]。HAGER和BANDYOPADHYAY等對藍牙技術安全方面存在的問題進行了大量的分析，指出藍牙技術在安全方面仍存在不足，包括藍牙技術的認證、PIN碼的安全以及匹配問題等[5～7]。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)有關于藍牙技術數(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想和今后的研究展望。

2 藍牙協(xié)議標準中數(shù)據(jù)傳輸?shù)难葸M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 interesting group)仍然持續(xù)不斷地對藍牙技術進行修正與改版的工作，目的是期望藍牙技術能夠充分滿足系統(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，對于整體藍牙技術的發(fā)展帶來了至關重要的影響。

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 1.1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 frequency hopping)、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(EDR, enhanced data rate)協(xié)議，大大提高了藍牙技術數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋Ｋ闹饕攸c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。

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版本的基礎上對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芗右愿纳疲哂?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]。

目前，較新的版本是藍牙技術聯(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，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，降低了藍牙技術數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎腫15]，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 藍牙技術數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?/h2>

現(xiàn)有關于藍牙技術數(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、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 藍牙技術數(shù)據(jù)傳輸性能分析

基于藍牙技術的無線數(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 藍牙技術底層數(shù)據(jù)傳輸分組選擇

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 keying)調制方式，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。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。

現(xiàn)有的關于藍牙技術底層數(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，國內外的研究人員均已取得了一定的進展。SARKAR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種調制方式在加性高斯白噪聲(AWGN, additive white Gaussian noise)信道下的位錯誤率與平均接收信噪比的關系，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]。

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應分組選擇策略，但在不改變藍牙硬件的基礎上，得到或者準確估計和跟蹤信道質量是比較困難的，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。該方法通過實時跟蹤信道質量，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)分組選擇雖然可以有效改善藍牙技術數(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制方式存在一定的函數(shù)關系，因此調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(differential phase shift keying)和 π/4-DQPSK (differential quadrature reference phase shift keying)2種調制方式。

如果引入最小頻移鍵控(MSK, minimum shift keying)調制方式，隨著比特信噪比的增加，MSK調制方式的誤比特率要優(yōu)于以上2種調制方式，如圖2所示。因此，將擴展戈萊編碼與MSK調制方式相結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調制方式相結合的數(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)分組的抗干擾性能和吞吐量。

圖2 3種調制方式誤比特率比較

圖3 采用MSK調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)議復用和服務質量交換等功能。

藍牙協(xié)議體系結構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)幀結構，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)目煽啃裕搮f(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。

現(xiàn)有的關于藍牙 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ARQ[24]機制，其性能比較如表1所示。

表1 3種重傳機制性能比較

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)耐掏铝浚贿x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?，對于?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)時延的影響[27]。

L2CAP層所采用的是回退 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。所以結合 L2CAP層的特點，在不改變協(xié)議的基礎上，采用選擇重傳ARQ機制，進而改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。藍牙 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 ARQ[29]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L2CAP信道。選擇重傳ARQ[30]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ARQ[31]機制引入的傳輸延遲，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，例如采用回退N幀的ARQ機制和選擇重傳ARQ機制兩者技術相結合的方式，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L2CAP層數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?/p>

3.2 藍牙技術數(shù)據(jù)傳輸干擾問題

藍牙技術工作在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之間。WLAN網(wǎng)絡的主要技術包括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)對藍牙技術和IEEE 802.11b標準進行了修改，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；而自適應跳頻屬于非協(xié)作算法，它是建立在自動信道質量分析基礎上的一種頻率自適應和功率自適應控制相結合的技術，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，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[34,35]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換與 MSK調制的同頻干擾抑制方法，該方法在藍牙皮可網(wǎng)重傳時進行信道轉換，并采用 MSK調制方式代替高斯頻移鍵控調制方式。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、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?，采用信道轉換與MSK調制相結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。

表2 載干比(C/I)大于11dB時參考網(wǎng)主從設備間最大距離

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。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，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換與MSK調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問題。解決這些問題的關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，與其他網(wǎng)絡技術一樣存在著數(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上，提出了一種以IDEA(international data encryption algorithm)為基礎的藍牙加密算法[46]；徐向東等通過分析藍牙技術數(shù)據(jù)安全加密算法的不足，提出了將DES(data encryption standard)加密算法用于藍牙技術中，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訹48]；盧小亮等針對藍牙訪問控制存在的設備授權不靈活、無用戶授權、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，藍牙技術單元字方案的可行性和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)挠绊懀o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)相位調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換與MSK調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，藍牙技術數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯渴且粋€迅速發(fā)展的領域，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?。藍牙技術組網(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。

在藍牙技術數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯款I域中，除了本文論述的幾個主要研究方面，還有一些領域有待于進一步拓展。

1) 藍牙皮可網(wǎng)的調度算法[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)。

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