Bluetooth跳頻網絡Piconet聞干擾分析研究

摘要：分析了藍牙微微網間不同跳頰區(qū)段工作原理，以及不同區(qū)段跳頻碰撞數(shù)對實際吞吐量的影響，提出了不同微微網問跳頻區(qū)段重疊數(shù)的推算方法及網絡吞吐量計算公式。仿真結果表明微微網區(qū)段重疊數(shù)是影響吞吐量的主要因素。
關鍵詞：藍牙微微網吞吐量跳頻碰撞 
 

藍牙(B1ueteoth)無線通信技術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。藍牙網絡是一種多信道模式的拓撲網絡。藍牙裝置彼此之間能夠在通信范圍內建立點對點連接，也可共享信道而形成微微網(Piconet)，還可以同時加入多個Piconet，連成散射網(scatternet)。每個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，不會產生干擾。但不同Pieonet問會因頻率重疊而產生跳頻碰撞(Hopping collision)干擾，導致傳送信息包的遺失，進而降低網絡的吞吐量。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，當微微網數(shù)大于10時，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提供了重要研究價值。根據(jù)分析結果研究低碰撞Pieonet網絡選擇算法。

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，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，經過79次的位移，亦即經過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網絡內，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n個設備問的兩兩重疊組合數(shù)為：Cn2=n(n-1)/2。而兩個設備間的跳頻區(qū)段重疊數(shù)最大為32，因此，n個設備的最大總重疊數(shù)為32Cn2。

(2)3個以上設備間跳頻區(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個設備最小總重疊數(shù)為：

2 藍牙跳頻網絡吞吐量算法
當產生跳頻頻率碰撞時，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構造仿真平臺，假設整個藍牙網絡是同步的，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)與吞吐量的關系。圖4給出了3個設備且重疊數(shù)為17～96時碰撞數(shù)與吞吐量關系。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，網絡系統(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。此外，可以看出當Piconet數(shù)在10以內時，Seattemet網絡頻寬有效利用率達到50％以上，但在最小重疊區(qū)段時，網絡吞吐量可達80％以上。

本文分析了藍牙跳頻微網間碰撞和區(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，跳頻區(qū)段重疊數(shù)愈大，Bluetooth跳頻碰撞的概率越高，網絡吞吐量越小，但信息包大小對吞吐量貢獻較小。要提高藍牙同絡吞吐量必須減少跳頻區(qū)段的重疊數(shù)。所以，當Bluetooth網絡設備數(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)，提高網絡吞吐量。