Bluetooth跳頻網(wǎng)絡(luò )Piconet聞干擾分析研究

藍牙(B1ueteoth)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為各種通信設備和計算機外設提供了短距離、低代價(jià)、低功耗的無(wú)線(xiàn)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建立點(diǎn)對點(diǎn)連接，也可共享信道而形成微微網(wǎng)(Piconet)，還可以同時(shí)加入多個(gè)Piconet，連成散射網(wǎng)(scatternet)。每個(gè)Piconet都使用獨立的跳頻序列，Piconet內部設備的跳頻序列是正交的，不會(huì )產(chǎn)生干擾。但不同Pieonet問(wèn)會(huì )因頻率重疊而產(chǎn)生跳頻碰撞(Hopping collision)干擾，導致傳送信息包的遺失，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò )的吞吐量。而這種碰撞會(huì )隨著(zhù)Piconet數量的增加而增加。Piconet中設備可分為主設備(Master)和從設備(Slave)。Master在偶數的時(shí)隙(Slot)開(kāi)始傳送信息包給Slave，而Slave則在奇數時(shí)隙回傳信息包給Master。每個(gè)Piconet最多由8個(gè)活動(dòng)設備(Actlve devlce)組成。在任一時(shí)段，只能有一個(gè)設備作為Master，其余的設備當作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段的重疊造成，文獻給出了一個(gè)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，構建了藍牙跳頻仿真平臺，分別就不同信息包長(cháng)度和不同的Piconet的組合，以及Pieonet間跳頻區段重疊數進(jìn)行了吞吐量分析。證實(shí)了吞吐量下降是由Piconet間跳頻區段重疊造成的，但時(shí)隙長(cháng)度對吞吐量的影響較小，當微微網(wǎng)數大于10時(shí)，頻率利用率低于50％。本研究對構建低碰撞、高吞吐量的藍牙Scattemet提供了重要研究?jì)r(jià)值。根據分析結果研究低碰撞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)、尋呼響應序列(Page response sequence)、詢(xún)問(wèn)序列(Inquiry sequence)、詢(xún)問(wèn)響應序列(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設備間聯(lián)機后的操作狀態(tài)。

跳頻選擇原理的框圖如圖l所示。該選擇過(guò)程由二個(gè)程序來(lái)完成：首先選擇一個(gè)序列，再將該序列對應(Mapping)到跳頻索引。而Master的藍牙設備地址(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(guò)程是：先決定目前跳頻的區段，每個(gè)區段中有32個(gè)連續的信道，而以不同的信道為此區段的起始信道，共可分為79個(gè)跳頻系統區段；將該區段中的32個(gè)信道重新安排，形成一個(gè)跳頻的序列。每32個(gè)Master時(shí)隙后，會(huì )跳到下一個(gè)區段，而連續兩個(gè)區段間則位移16個(gè)信道，也就是前一個(gè)區段之后16個(gè)信道與下一個(gè)區段之前16個(gè)信道是重疊的。而在同一時(shí)隙內，Master與Slave傳送所使用的區段則位移32個(gè)信道，亦即Master與Slave傳送所使用的區段是沒(méi)有重疊的。重復如此的位移，經(jīng)過(guò)79次的位移，亦即經(jīng)過(guò)79×32Master時(shí)隙后又回到原先的跳頻區段。

1.2 藍牙跳頻碰撞分析
1.2.1 跳頻碰撞重疊數算法
在Bluetooth網(wǎng)絡(luò )內，可以同時(shí)有兩個(gè)以上Piconet存在。由于每個(gè)Piconet有自己的跳頻區段，且其跳頻序列是獨立的，所以Piconet內部設備不會(huì )發(fā)生碰撞。但Piconet都使用相同的頻率范圍，當兩個(gè)Piconet跳到相同的跳頻序號時(shí)，跳頻頻率就會(huì )碰撞而產(chǎn)生干擾。Piconet間區段重疊示意圖如圖2所示。兩個(gè)Piconet之間的跳頻區段重疊數越大，其相互之間的碰撞干擾次數的概率越大；反之，如果跳頻區段沒(méi)有重疊時(shí)，則不會(huì )發(fā)生跳頻碰撞。