藍牙無線接入系統

　　 
　　Abstract The article introduces the concept and the background of Bluetooth wireless aclearcase/" target="_blank" >ccess system and its basic technology for the private system. Factors to be necessarily considered at the design stage are also discussed.

　　 Keywords wireless personal area network Bluetooth technology wireless access piconet
　　 個人通信是人類通信的最高目標，它利用各種可能的網絡技術，實現人與人之間任何時間、任何地點、任何種類的通信。在近距離通信中，藍牙（Bluetooth）無線接入技術使無線單元間的通信變得十分容易，將計算機技術與通信技術更緊密地結合在一起，人們可隨時隨地進行信息的交換與傳輸。除此之外，藍牙技術還可為數字網絡和外設提供通用接口，以組建遠離固定網絡的個人特別連接設備群。
　　 1. 無線頻段的選擇和抗干擾
　　 藍牙技術采用2400~2483.5MHz的ISM（工業、科學和醫學）頻段，這是因為該頻段內沒有其它系統的信號干擾，同時頻段向公眾開放，無須特許；頻段在全球范圍內有效。世界各國、各地區的相關法規不同，一般只規定信號的傳輸范圍和最大傳輸功率。對于一個在全球范圍內運營的系統，其選用的頻段必須同時滿足所有規定，使任何用戶都可接入，因此必須將所需要素最小化。在滿足規則的情況下，可自由接入無線頻段，此時，抗干擾問題便變得非常重要。因為2.45GHz　ISM頻段為開放頻段，使用其中的任何頻段都會遇到不可預測的干擾源（如某些家用電器、無繩電話和汽車開門器等），此外，對外部和其它藍牙用戶的干擾源也應作充分估計。
　　 　　抗干擾方法分為避免干擾和抑制干擾。避免干擾可通過降低各通信單元的信號發射電平來達到；抑制干擾則通過編碼或直接序列擴頻來實現。然而，在不同的無線環境下，專用系統的干擾和有用信號的動態范圍變化極大。在超過50dB的遠近比和不同環境功率差異的情況下，要達到1Mb/s以上速率，僅靠編碼和處理增益是不夠的。相反，由于信號在頻率（或時間）沒有干擾時（或干擾低時）發送，故避免干擾更容易一些。若采用時間避免干擾法，當遇到時域脈沖干擾時，發送的信號將會中止。大部分無線系統是帶限的，而在2145GHz頻段上，系統帶寬為80MHz，可找到一段無明顯干擾的頻譜，同時利用頻域濾波器對無線頻帶其余頻譜進行抑制，以達到理想效果。因此，以頻域避免干擾法更為可行。
　　 2. 多址接入體系和調制方式
　　 選擇專用系統多址接入體系，是因為在ISM頻段內尚無統一的規定。頻分多址（FDMA）的優勢在于信道的正交性僅依賴發射端晶振的準確性，結合自適應或動態信道分配結構，可免除干擾，但單一的FDMA無法滿足ISM頻段內的擴頻需求。時分多址（TDMA）的信道正交化需要嚴格的時鐘同步，在多用戶專用系統連接中，保持共同的定時參考十分困難。碼分多址（CDMA）可實現擴頻，應用于非對稱系統，可使專用系統達到最佳性能。直接序列（DS）CDMA因遠近效應，需要一致的功率控制或額外的增益，與TDMA相同，其信道正交化也需共同的定時參考，隨著使用數目的增加，將需要更高的芯片速度、更寬的帶寬（抗干擾）和更多的電路消耗。跳頻（FH）CDMA結合了專用無線系統中的各種優點，信號可擴頻至很寬的范圍，因而使窄帶干擾的影響變得很小。跳頻載波為正交，通過濾波，鄰近跳頻干擾可得到有效抑制，而對窄帶和用戶間干擾造成的通信中斷，可依賴高層協議來解決。在ISM頻段上，FH系統的信號帶寬限制在1MHz以內。為了提高系統的魯棒性，選擇二進制調制結構。由于受帶寬限制，其數據速率低于1Mb/s。為了支持突發數據傳輸，最佳的方式是采用非相干解調檢測。藍牙技術采用高斯型頻移鍵控（GFSK）調制，調制系數為0.3。邏輯“1”發送正頻偏，邏輯“0”發送負頻偏。解調可通過帶限FM鑒頻器完成。
　　 3. 媒體接入控制（MAC）
　　 藍牙系統可實現同一區域內大量的非對稱通信。與其它專用系統實行一定范圍內的單元共享同一信道不同，藍牙系統設計為允許大量獨立信道存在，每一信道僅為有限的用戶服務。從調制方式可看出，在ISM頻段上，一條FH信道所支持的比特率為1Mb/s。理論上，79條載波頻譜支持79Mb/s，由于跳頻序列非正交化，理論容量79Mb/s不可能達到，但可遠遠超過1Mb/s。
　　 一個FH藍牙信道與一微微網相連。微微網信道由一主單元標識（提供跳頻序列）和系統時鐘（提供跳頻相位）定義，其它為從單元。每一藍牙無線系統有一本地時鐘，沒有通常的定時參考。當一微微網建立后，從單元進行時鐘補償，使之與主單元同步，微微網釋放后，補償亦取消，但可存儲起來以便再用。不同信道有不同的主單元，因而存在不同的跳頻序列和相位。一條普通信道的單元數量為8（1主7從），可保證單元間有效尋址和大容量通信。藍牙系統建立在對等通信基礎上，主從任務僅在微微網生存期內有效，當微微網取消后，主從任務隨即取消。每一單元皆可為主/從單元，可定義建立微微網的單元為主單元。除定義微微網外，主單元還控制微微網的信息流量，并管理接入。接入為非自由競爭，625μs的駐留時間僅允許發送一個數據包?；诟偁幍慕尤敕绞叫栎^多開銷，效率較低。在藍牙系統中，實行主單元集中控制，通信僅存在于主單元與一個或多個從單元之間。主從單元間通信時，時隙交替使用。在進行主單元傳輸時，主單元確定一個欲通信的從單元地址，為了防止信道中從單元發送沖突，采用輪流檢測技術，即對每個從到主時隙，由主單元決定允許哪個從單元進行發送。這一判定是以前一時隙發送的信息為基礎實施的，且僅有恰為前一主到從被選中的從地址可進行發送。若主單元向一具體從單元發送了信息，則此從單元被檢測，可發送信息。若主單元未發送信息，它將發送一檢測包來標明從單元的檢測情況。主單元的信息流體系包含上行和下行鏈路，目前已有考慮從單元特征的智能體系算法。主單元控制可有效阻止微微網中的單元沖突。當互相獨立的微微網單元使用同一跳頻時，可能發生干擾。系統利用ALOHA技術，當信息傳送時，不檢測載波是否空載（無偵聽），若信息接收不正確，將進行重發（僅有數據）。由于駐留期短，FH系統不宜采用避免沖突結構，對每一跳頻，會遇到不同的競爭單元，后退（backoff）機制效率不高。
　　 4.基于包的通信
　　 藍牙系統采用基于包的傳輸：將信息流分片（組）打包，在每一時隙內只發送一個數據包。所有數據包格式均相同，開始為一接入碼，接下來是包頭，最后是負載。
　　 接入碼具有偽隨機性質，在某些接入操作中，可使用直接序列編碼。接入碼包括微微網主單元標志，在該信道上，所有包交換都使用該主單元標志進行標識，只有接入碼與接入微微網主單元的接入碼相匹配時，才能被接收，從而防止一個微微網的數據包被恰好加載到相同跳頻載波的另一微微網單元所接收。在接入端，接入碼與一滑動相關器內要求的編碼匹配，相關器提供直接序列處理增益。包頭包含從地址連接控制信息3bit,以區分微微微網中的從單元；用于標明是否需要自動查詢方式（ARQ）的響應/非響應1bit；包編碼類型4bit，定義16種不同負載類型；頭差錯檢測編碼（HEC）8bit，采用循環冗余檢測編碼（CRC）檢查頭錯誤。為了限制開銷，數據包頭只用18bit，包頭采用1/3率前向糾錯編碼（FEC）進一步保護。
　　 藍牙系統定義了4種控制包：
　　 ID控制包，僅包含接入碼，用于信令；空（NULL）包，僅有接入碼和包頭，必須在包頭傳送連接信息時使用；檢測（POLL）包，與空包相似，用于主單元迫使從單元返回一響應；FHS包，即FH同步包，用于在單元間交換實時時鐘和標志信息（包括兩單元跳頻同步所需的所有信息）。其余12種編碼類型用于定義包的同步或異步業務。
　　 在時隙信道中，定義了同步和異步連接。目前，異步連接對有無2/3率FEC編碼方式的負載都支持，還可進行單時隙、3時隙、5時隙的數據包。異步連接最大用戶速率為723.2kb/s，這時，反向連接速率可達57.6kb/s。通過交換包長度和依賴于連接條件的FEC編碼，自適應連接可用于異步鏈，依賴有效的用戶數據，負載長度可變。然而，最大長度受限于RX和TX之間最少交換時間（200μs）。對于同步連接，僅定義了單時隙數據包傳輸，負載長度固定，可以有1/3率、2/3率或無FEC。同步連接支持全雙工，用戶速率雙向均為64kb/s。
　　 5.以物理連接類型建立連接
　　 　　藍牙技術支持同步業務（如話音信息）和異步業務（如突發數據流），定義了兩種物理連接類型：同步面向連接的連接（SCO）和異步無連接的連接（ACL）。SCO為主單元與從單元的點對點連接，通過在常規時間間隔內預留雙工時隙建立起來。ACL是微微網中主單元到所有從單元的點到多點連接，可使用SCO連接未用的所有空余時隙，由主單元安排ACL連接的流量。微微網的時隙結構允許有效地混合利用異步和同步連接。
　　 專用系統設計中的關鍵問題是如何在單元間找到對方，并建立連接。在藍牙系統中，建立連接分為掃描、呼叫和查詢三步。在空閑模式下，一單元保持休眠狀態，以節省能量，但為了允許建立連接，該單元必須經常偵聽是否有其它單元欲建立連接。在實際的專用系統中，沒有通用的控制信道（一個單元為偵聽呼叫信息而鎖定），這在常規蜂窩無線系統中是很普遍的。而在藍牙系統中，一單元為偵聽其標志而周期性被喚醒，當一藍牙單元被喚醒時，便開始掃描，打開與從自身標志得到的接入碼相匹配的滑動相關器。掃描窗稍微超過10ms，每次單元被喚醒，掃描不同的跳頻（規則要求不允許設固定的喚醒頻率，可免除干擾）。藍牙的喚醒跳頻序列的數量僅為32跳，循環使用，覆蓋整個80MHz帶寬中的64MHz。序列是偽隨機的，在每一藍牙設備中都是唯一的。序列從單元標志中得到，序列的相位由單元中的自行時鐘決定。在空載模式下，要注意功率消耗和響應時間的折中選擇：增加休眠時間可降低功耗，但會延長接入時間，由于不知道空閑單元在哪一頻率上何時被喚醒，想要連接的單元必須解決時頻不定問題。無線單元大部分時間處于

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