藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸分析

藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
微微網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線通信的最基本方式。每個(gè)微微網(wǎng)只有一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)主設(shè)備最多可以同時(shí)與七個(gè)從設(shè)備同時(shí)進(jìn)行通信，多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備組成微微網(wǎng)如圖1所示。
散射網(wǎng)是多個(gè)微微網(wǎng)相互連接所形成的比微微網(wǎng)覆蓋范圍更大的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是不同的微微網(wǎng)之間有互聯(lián)的藍(lán)牙設(shè)備，如圖2所示。

雖然每個(gè)微微網(wǎng)只有一個(gè)主設(shè)備，但從設(shè)備可以基于時(shí)分復(fù)用機(jī)制加入不同的微微網(wǎng)，而且一個(gè)微微網(wǎng)的主設(shè)備可以成為另外一個(gè)微微網(wǎng)的從設(shè)備。每個(gè)微微網(wǎng)都有其獨(dú)立的跳頻序列，它們之間并不跳頻同步，由此避免了同頻干擾。

藍(lán)牙物理層鏈路
藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范規(guī)定在主設(shè)備和從設(shè)備之間，可以建立兩種不同類型鏈路：同步鏈路(Synchronous Connection-Orientation，SCO)和異步鏈路(Asynchronous
Connection-Less，ACL)。
SCO鏈路是主設(shè)備與從設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，主設(shè)備通過(guò)使用規(guī)則間隔的保留時(shí)隙運(yùn)行SCO鏈路，其傳輸速率為64 kb/s，用于支持話音通訊。每個(gè)主設(shè)備最多同時(shí)支持三路SCO鏈路。
ACL鏈路是指在非SCO保留時(shí)隙，主設(shè)備以時(shí)隙為單位與從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分組交換。主設(shè)備與一個(gè)從設(shè)備之間只能存在一條ACL鏈路，每個(gè)主設(shè)備最多同時(shí)支持七個(gè)從設(shè)備。對(duì)于多數(shù)ACL分組，采用分組重傳保障數(shù)據(jù)完整性和正確性。ACL鏈路建立后，主設(shè)備和從設(shè)備以時(shí)分復(fù)用方式，交替?zhèn)鬏敺纸M。主設(shè)備僅在偶數(shù)時(shí)隙開(kāi)始傳輸分組，從設(shè)備僅在奇數(shù)時(shí)隙開(kāi)始傳輸分組。由主設(shè)備或從設(shè)備分組傳輸可選1個(gè)時(shí)隙、3個(gè)時(shí)隙、5個(gè)時(shí)隙的傳輸方式。

藍(lán)牙ACL分組傳輸

藍(lán)牙ACL分組數(shù)據(jù)包分為中數(shù)據(jù)速率類型(Data Medium，DM)和高數(shù)據(jù)速率類型(Data High，DH)。DH包使用較少的錯(cuò)誤糾正來(lái)獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸率。

在一個(gè)單時(shí)隙包內(nèi)，需要傳送72 b微微網(wǎng)訪問(wèn)碼以及54 b數(shù)據(jù)包報(bào)頭，以及包與包之間需要一個(gè)220 μs的防護(hù)頻帶，因此，在實(shí)際傳輸?shù)臒o(wú)線接口上所獲得的數(shù)據(jù)傳輸率遠(yuǎn)小于最大的原始數(shù)據(jù)傳輸率1 Mb/s[5]。
在不同的時(shí)隙傳輸方式(DH1、DH2、DH3)中，藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的有效載荷比例如表1所示[5]。
表1 數(shù)據(jù)包有效載荷比
每數(shù)據(jù)包時(shí)隙數(shù)
1個(gè)時(shí)隙
3個(gè)時(shí)隙
5個(gè)時(shí)隙
有效載荷比例
1/3
7/9
13/15
由此可見(jiàn)，盡可能采用大時(shí)隙方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以通過(guò)較高的有效載荷，達(dá)到提高藍(lán)牙網(wǎng)整體通訊性能的效果。
2 基于BER模式的數(shù)據(jù)傳輸算法
在藍(lán)牙應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸中采用比特誤碼率(Bit Error Rate ，BER)進(jìn)行描述傳輸?shù)馁|(zhì)量，BER值越大表示通訊過(guò)程中誤碼率越高。當(dāng)前藍(lán)牙應(yīng)用中采用的數(shù)據(jù)傳輸算法，為簡(jiǎn)化藍(lán)牙網(wǎng)的連接管理，未考慮具體通訊鏈路中BER的變化，在整個(gè)傳輸過(guò)程中均采用單一鏈路幀方式，導(dǎo)致傳輸效率不高。
在實(shí)際通訊過(guò)程中由于周邊環(huán)境的噪聲影響，使得采用單一時(shí)隙模式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊得到的效果并非最優(yōu)。若采用BER參數(shù)描述當(dāng)外界環(huán)境變化，并根據(jù)BER參數(shù)動(dòng)態(tài)選用不同類型的數(shù)據(jù)包，可改善在環(huán)境變化劇烈時(shí)造成數(shù)據(jù)傳輸大幅下降的情況。
在藍(lán)牙協(xié)議中[5]，通過(guò)調(diào)用Get_Link_ Quality 函數(shù)可以獲取當(dāng)前鏈路通訊質(zhì)量信息，其值范圍在0～255之間，值越大表示信道質(zhì)量越好，并允許自定義衡量鏈路質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)將它映射到0～255之間的數(shù)值上。
基于文獻(xiàn)[6]的CSR芯片數(shù)據(jù)模擬結(jié)果，可以將BER模式劃分成為四個(gè)區(qū)分段，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通過(guò)對(duì)鏈路通訊質(zhì)量的實(shí)時(shí)偵測(cè)，根據(jù)累計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的鏈路通訊質(zhì)量狀況選用較好的幀模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
根據(jù)上述分析，為改善藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的數(shù)傳效率，本文所提出的一種基于BER模式的自適應(yīng)數(shù)傳算法描述如下：
(1) 采用Get_Link_Quality( )函數(shù)獲取BER當(dāng)前狀態(tài)值。
(2) 統(tǒng)計(jì)該段時(shí)間內(nèi)的平均BER狀況。

(3) 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析，并調(diào)整傳輸方式：
若BER < 0.000 152 9，則選用DH5方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
若0.000 152 9 ≤ BER < 0.006 079 5，則選用DH3方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
若0.006 079 5 ≤ BER < 0.015 781 3，則選用DH1方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
若0.015 781 3 ≤ BER，則選用DM1方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
(4) 返回(1)，繼續(xù)下一次計(jì)時(shí)統(tǒng)計(jì)與調(diào)整傳輸模式。
在算法中當(dāng)出現(xiàn)最糟糕情況時(shí)，則采用DM1方式帶FEC糾錯(cuò)的最短時(shí)隙數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其余采用高速無(wú)FEC糾錯(cuò)的DH1、DH3、DH5方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

算法的效率實(shí)驗(yàn)與分析
在本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，采用P41.8 G的PC機(jī)安裝Redhat Linux9.0 作為藍(lán)牙網(wǎng)主設(shè)備，通過(guò)安裝Bluetake BT007X USB Adapter的七臺(tái)便攜式電腦作為從設(shè)備，另有25臺(tái)帶藍(lán)牙設(shè)備的PDA和掌上電腦共同組成藍(lán)牙ACL分組數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)網(wǎng)。