Bluetooth：藍牙中的自適應跳頻技術

2019-11-05 02:39:56

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

　　藍牙是工作在2．4 GHz（2．40～2．48 GHz）ISM頻段的短距離無線通信技術，能組成小型無線個人區域網（PAN），在辦公室和建筑物中代替有線電纜，低功耗、低成本及靈活組網的特點，有著廣泛的應用前景。2．4 GHz頻段中還有802．11b，HomeRF及微波爐、無繩電話等電子設備，為了與這些設備兼容，藍牙采用了AFH（Adaptive Frequency Hopping），LBT（Listen Before Talk）、功率控制等一系列獨特的措施克服干擾，避免沖突。隨著無線電通信技術的發展，頻率資源日益緊張，研究藍牙技術所采用的頻率兼容技術對有效利用頻譜、防止通信設備之間相互干擾，將有十分重要的作用。
　　
　　1　自適應跳頻技術
　　自適應跳頻技術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。他能使跳頻通信過程自動避開被干擾的跳頻頻點，并以最小的發射功率、最低的被截獲概率，達到在無干擾的跳頻信道上長時間保持優質通信的目的。所謂頻率自適應控制是在跳頻通信過程中，拒絕使用那些曾經用過但是傳輸不成功的跳頻頻率集中的頻點，即實時去除跳頻頻率集中被干擾的頻點，使跳頻通信在無干擾的可使用的頻點上進行，從而大大提高跳頻通信中接收信號的質量，如圖1所示。
　　　 Bluetooth：藍牙中的自適應跳頻技術（圖一）

　　藍牙和802．11b都工作在2．4 GHz的ISM頻段，藍牙SIG（SpecialInteresting Group）和IEEE802．15．2的Coexistence Task Group都在關注二者的共存問題。許多成員都提交了自適應跳頻的提案。提案中建議采用AFH技術，以便能動態地改變跳頻序列，使系統干擾最小。藍牙采用AFH對干擾進行檢測并分類，通過編輯跳頻算法來避免干擾，把分配變化告知網絡中的其他成員，并周期性地維護跳頻集。
　　
　　其中，Bijan Treister［1］等人提出的AFH共存機制具有一定的普遍性。在這種自適應跳頻中，在不增加發射功率的情況下，利用干擾躲避來提高系統的抗干擾能力。
　　
　　2　藍牙AFH的步驟
　　由設備識別、信道分類、分類信息交換、自適應跳頻4部分組成。其框圖如圖2所示。
　　　 Bluetooth：藍牙中的自適應跳頻技術（圖二）

　　2．1　設備識別
　　
　　當一個從設備接入微微網時，在進行通信之前，首先由鏈路治理協議（LMP）交換信息，以確定通信雙方的設備是否支持AFH模式。LMP信息中包含了二者通信應使用的最小信道數。主機按LMP協議先詢問從設備是否支持AFH，當從設備回答后，再進行AFH通信。
　　
　　2．2　信道分類
　　
　　根據某一準則，按傳輸質量對信道進行分類。按LMP的格式形成一個分類表，在主設備和從設備之間交換信息后，以此分類表為依據進行自適應跳頻。分類方法采用時分的形式，以保證抗瞬間的干擾。按信道的質量，把信道分成“好”信道與“壞”信道。
　　
　　可以用以下方法對信道的質量進行評估：首先接收設備對包損率PLRs（Packet Loss Ratios）、有效載荷的CRC，HEC，FEC誤差等參數進行測量。在測量PLR時，假如PLR超過了系統定義的門限，則公布此信道為壞信道。從設備測量CRC時，也會自動檢測此包的有效載荷的CRC，假如校驗碼正確，則說明接收正確的包，否則公布包丟失。
　　
　　2．3　信道信息交換
　　
　　通過LMP命令通知網絡中的成員，交換AFH的消息。主設備通過分類，把信道分為好信道、壞信道、未用信道，然后把信道分類情況通知從設備。同時，從設備把自己的情況通知主設備。主從設備之間建立聯系，確定哪些信道可用，哪些不可用，為下一步自適應頻率的產生做預備。
　　
　　2．4　執行AFH
　　
　　先進行跳頻編輯，以選擇合適的跳頻頻率。
　　
　　由于微微網中經常有新的通信建立或撤消，信道在不斷變化，所以必須進行信道維護，周期性地重新對信道進行估計，及時發現不能用的信道。當微微網中工作設備較少時，還能自動調整功率，節省能量。
　　
　　3　藍牙AFH的結構
　　藍牙AFH結構如圖3所示，在頻率同步器和跳頻序列發生器中加入了一個分組映射器，此映射器實際上是一個自適應頻率選擇器。
　　
　　分組映射器結構如圖4所示。他從所需分組中選擇一個信道，通過PN映射設備，從原始跳頻序列中選擇信道映射到分組序列中。每個信道表按升序列舉分組信道的內容。
　　　 Bluetooth：藍牙中的自適應跳頻技術（圖三）

　　在分組映射后，平均移位信號使信道的利用得到均衡。這些移位信號是一系列的計數器，每一個計數器表示一個分組，第j個分組在｛0，1，2，…，Nj－1｝范圍內周期計數，Nj是第j個分組中的信道數。被選擇分組的計數器對下一個值進行計數，并把他作為移位信號的值輸出。
　　
　　藍牙中，信道被動態地分成2類信道：好信道NG和壞信道NB＝79－NG，定義Nmin為藍牙設備通信所需的最少頻率數。根據Nmin，NG和NB的關系，可以分為H，L兩種模式： 3．1　L模式
　　
　　適用于Nmin小于NG的情形，此時跳頻頻點全部在好的信道中選擇，如圖5所示。當跳頻發生器產生的是好信道，則不重新映射。當跳頻序列中信道不好時，則重新從好信道庫中選擇一個好的信道。L模式主要工作在FCC規定的低功率狀態。 3．2　H模式
　　
　　適用于Nmin大于NG的情形，此時假如頻率選擇器輸出為壞信道，重新選擇代替壞信道的頻點中，有可能在曾經被判定為壞信道的序列中選擇跳頻序列。H模式在有壞跳的情況下，最大限度地支持通信要求?？梢酝瑫r支持SCO（面向同步的連接）和ACL（異步連接）連接模式。
　　
　　通過這2種模式，在藍牙頻率選擇器中，假如輸出的是好信道則直接使用；假如是壞信道，則在好的信道分組中重新選擇頻率。這樣頻率選擇就避免了輸出的頻率與其他有干擾的頻率相碰撞。
　　 Bluetooth：藍牙中的自適應跳頻技術（圖五）

　　4　結　語
　　藍牙采用一系列的技術來避免干擾，如LBT（Listen Before Transmission），AFH和功率控制等。其中AFH機制能保持微微網中良好的QoS，保證網絡正常的吞吐率和可靠性，減少重發，降低延時，同時減輕了對相同頻段其他無線設備的干擾，從而提高了頻率的利用率。

上一篇：我國無線接入頻率規劃和頻率使用介紹

下一篇：GPRS業務應用