基于藍牙跳頻技術(shù)實現(xiàn)藍牙跳頻仿真平臺的設(shè)計

藍牙（B1uetooth）無線通信技術(shù)為各種通信設(shè)備和計算機外設(shè)提供了短距離、低代價、低功耗的無線解決方案。藍牙網(wǎng)絡(luò)是一種多信道模式的拓撲網(wǎng)絡(luò)。藍牙裝置彼此之間能夠在通信范圍內(nèi)建立點對點連接，也可共享信道而形成微微網(wǎng)（Piconet），還可以同時加入多個Piconet，連成散射網(wǎng) （scatternet）。每個Piconet都使用獨立的跳頻序列，Piconet內(nèi)部設(shè)備的跳頻序列是正交的，不會產(chǎn)生干擾。但不同Pieonet問會因頻率重疊而產(chǎn)生跳頻碰撞（Hopping collision）干擾，導(dǎo)致傳送信息包的遺失，進而降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。而這種碰撞會隨著Piconet數(shù)量的增加而增加。Piconet中設(shè)備可分為主設(shè)備（Master）和從設(shè)備（Slave）。Master在偶數(shù)的時隙（Slot）開始傳送信息包給Slave，而Slave則在奇數(shù)時隙回傳信息包給Master。每個Piconet最多由8個活動設(shè)備（Actlve devlce）組成。在任一時段，只能有一個設(shè)備作為Master，其余的設(shè)備當作SIave。Master與S1dve之間的角色能夠彼此互換。 Bluetooth跳頻碰撞是由跳頻區(qū)段的重疊造成，文獻給出了一個Piconet間干擾分析模型。文獻用概率分析方法提出了藍牙網(wǎng)絡(luò)的同信道碰撞包錯誤概率上界和吞吐量下界。本文基于藍牙跳頻原理，構(gòu)建了藍牙跳頻仿真平臺，分別就不同信息包長度和不同的Piconet的組合，以及Pieonet間跳頻區(qū)段重疊數(shù)進行了吞吐量分析。證實了吞吐量下降是由Piconet間跳頻區(qū)段重疊造成的，但時隙長度對吞吐量的影響較小，當微微網(wǎng)數(shù)大于10時，頻率利用率低于50％。本研究對構(gòu)建低碰撞、高吞吐量的藍牙Scattemet提供了重要研究價值。根據(jù)分析結(jié)果研究低碰撞Pieonet網(wǎng)絡(luò)選擇算法。

1 藍牙跳頻原理與碰撞分析

1.1 頻率選擇原理

Bluetooth 有五種型態(tài)的跳頻序列（Hopping sequence），包括：尋呼跳頻序列（Page hopping sequence）、尋呼響應(yīng)序列（Page response sequence）、詢問序列（Inquiry sequence）、詢問響應(yīng)序列（Inqmry response sequence）和信道跳頻序列（Channel hopping sequenee）。其中前四項主要用于Bluetooth設(shè)備間如何建立聯(lián)機的階段，而信道跳頻序列則是用于Bluettmth設(shè)備間聯(lián)機后的操作狀態(tài)。

跳頻選擇原理的框圖如圖1所示。該選擇過程由二個程序來完成：首先選擇一個序列，再將該序列對應(yīng)（Mapping）到跳頻索引。而Master的藍牙設(shè)備地址（BD_ADDR）用于決定跳頻序列，Master的CLK用于決定跳頻序列的相位（Phase），再將序列的跳頻序號對應(yīng)到79-hops寄存器的通道。在聯(lián)機的操作狀態(tài)下，跳頻選擇的原理具體過程是：先決定目前跳頻的區(qū)段，每個區(qū)段中有32個連續(xù)的信道，而以不同的信道為此區(qū)段的起始信道，共可分為79個跳頻系統(tǒng)區(qū)段；將該區(qū)段中的32個信道重新安排，形成一個跳頻的序列。每32個Master時隙后，會跳到下一個區(qū)段，而連續(xù)兩個區(qū)段間則位移 16個信道，也就是前一個區(qū)段之后16個信道與下一個區(qū)段之前16個信道是重疊的。而在同一時隙內(nèi)，Master與Slave傳送所使用的區(qū)段則位移32 個信道，亦即Master與Slave傳送所使用的區(qū)段是沒有重疊的。重復(fù)如此的位移，經(jīng)過79次的位移，亦即經(jīng)過79×32Master時隙后又回到原先的跳頻區(qū)段。

1.2 藍牙跳頻碰撞分析

1.2.1 跳頻碰撞重疊數(shù)算法

在Bluetooth網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可以同時有兩個以上Piconet存在。由于每個Piconet有自己的跳頻區(qū)段，且其跳頻序列是獨立的，所以 Piconet內(nèi)部設(shè)備不會發(fā)生碰撞。但Piconet都使用相同的頻率范圍，當兩個Piconet跳到相同的跳頻序號時，跳頻頻率就會碰撞而產(chǎn)生干擾。 Piconet間區(qū)段重疊示意圖如圖2所示。兩個Piconet之間的跳頻區(qū)段重疊數(shù)越大，其相互之間的碰撞干擾次數(shù)的概率越大；反之，如果跳頻區(qū)段沒有重疊時，則不會發(fā)生跳頻碰撞。

設(shè)d表示區(qū)段位移距離，IA表示Piconet A的起始索引號，IB表示Piconet B的起始索引號，Os表示2個Piconet間重疊數(shù)，mod M表示模M運算。則兩個Piconet間跳頻區(qū)段的重迭數(shù)的計算方法為：

1.2.2 跳頻區(qū)段總重疊數(shù)算法

（1）跳頻區(qū)段最大總重疊數(shù)算法

設(shè)n個設(shè)備問的兩兩重疊組合數(shù)為：Cn2=n（n-1）/2。而兩個設(shè)備間的跳頻區(qū)段重疊數(shù)最大為32，因此，n個設(shè)備的最大總重疊數(shù)為32Cn2。

（2）3個以上設(shè)備間跳頻區(qū)段最小重疊數(shù)算法

由于每個跳頻區(qū)段有32個信道，因此n個設(shè)備總信道數(shù)為32n，跳頻總信道數(shù)為79。令Rn=32nmod 79，yn=［32n／79］，［x］表示對x取整運算。則n個設(shè)備最小總重疊數(shù)為：

2 藍牙跳頻網(wǎng)絡(luò)吞吐量算法

當產(chǎn)生跳頻頻率碰撞時，將發(fā)生時隙損失，從而造成吞吐量下降。設(shè)mct表示Master時隙碰撞次數(shù)；sct表示Slave時隙碰撞次數(shù)；K（i）表示設(shè)備數(shù)；M表示跳頻執(zhí)行次數(shù)；Slotn表示藍牙包占用時隙長度，則：

3 仿真實驗與分析

使用Simulink構(gòu)造仿真平臺，假設(shè)整個藍牙網(wǎng)絡(luò)是同步的，對每個重疊數(shù)做100種組合仿真，每種組合跳頻執(zhí)行2×106時隙。圖3給出，2個設(shè)備跳頻區(qū)段重疊數(shù)是O～32時，碰撞次數(shù)與吞吐量的關(guān)系。圖4給出了3個設(shè)備且重疊數(shù)為17～96時碰撞數(shù)與吞吐量關(guān)系。兩者都說明Piconets間跳頻區(qū)段重疊數(shù)越大，跳頻碰撞次數(shù)也越多，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量也隨之下降。

圖5給出了信息包長度分別為1 slot、3 slots、5 slots，在最小跳頻區(qū)段重疊數(shù)和最大跳頻區(qū)段重疊數(shù)時，Piconet數(shù)和吞吐量的仿真曲線圖。結(jié)果表明：（1）在同樣的信息包長度下，最小重疊數(shù)的吞吐量要大于最大重疊數(shù)的吞吐量，且隨著Piconet的增多，表現(xiàn)更為明顯；（2）Piconet數(shù)越少，吞吐量越高；（3）最小跳頻區(qū)段重疊或最大跳頻區(qū)段重疊時的系統(tǒng)吞吐量與信息包長度幾乎無關(guān)。此外，可以看出當Piconet數(shù)在10以內(nèi)時，Seattemet網(wǎng)絡(luò)頻寬有效利用率達到50％以上，但在最小重疊區(qū)段時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量可達80％以上。

本文分析了藍牙跳頻微網(wǎng)間碰撞和區(qū)段選擇原理，發(fā)現(xiàn)當2個Piconets的區(qū)段有重疊時，將可能產(chǎn)生跳頻頻率碰撞。而跳頻碰撞與跳頻區(qū)段重疊數(shù)大小有關(guān)，跳頻區(qū)段重疊數(shù)愈大，Bluetooth跳頻碰撞的概率越高，網(wǎng)絡(luò)吞吐量越小，但信息包大小對吞吐量貢獻較小。要提高藍牙同絡(luò)吞吐量必須減少跳頻區(qū)段的重疊數(shù)。所以，當Bluetooth網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)增加時，必須采用合適的區(qū)段重疊選擇算法，以減少區(qū)段重疊數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

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