Bluetooth跳頻網(wǎng)絡Piconet聞干擾分析研究

藍牙(B1ueteoth)無線通信技術(shù)為各種通信設備和計算機外設提供了短距離、低代價、低功耗的無線解決方案。藍牙網(wǎng)絡是一種多信道模式的拓撲網(wǎng)絡。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，導致傳送信息包的遺失，進而降低網(wǎng)絡的吞吐量。而這種碰撞會隨著Piconet數(shù)量的增加而增加。Piconet中設備可分為主設備(Master)和從設備(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個活動設備(Actlve devlce)組成。在任一時段，只能有一個設備作為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(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)、詢問序列(Inquiry sequence)、詢問響應序列(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。該選擇過程由二個程序來完成：首先選擇一個序列，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。