藍牙傳輸性能研究的主要問題與現狀

招遠廣播電視臺 劉新梅 李洪光

藍牙（Bluetooth）是一種低功耗的無線技術，目的是取代現有的PC、打印機、傳真機和移動電話等設備上的有線接口。主要優點是：可以隨時隨地用無線接口來代替有線電纜連接；具有很強的移植性，可應用于多種通信場合，如WAP，GSM，DECT等，引入身份識別后可以靈活實現漫游；低功耗，對人體危害??；藍牙集成電路應用簡單，成本低廉，實現容易，易于推廣。藍牙技術提供低成本、近距離的無線通信，構成固定與移動設備通信環境中的個人網絡，使得近距離內各鐘信息設備能夠實現無縫資源共享。

藍牙技術自提出以來，在短短幾年的時間里己風靡全球。目前，全球己有2000多家企業推出了藍牙芯片、藍牙平臺、應用程序、測試設備等新產品?？陀^地說，藍牙采用的技術中有些并非是當前該領域最先進的技術。藍牙的目標是全球通用、價格低廉、結構緊湊，因此它并不強調技術的先進性。比如糾錯編碼方式，藍牙采用的是1/3率的重復碼、2/3率的漢明碼，而沒有采用相同編碼速率的卷積碼、Turbo碼或其他更先進的編碼方式。作為用戶，總希望使用的產品所采用的技術越先進越好，而對規范實現者和產品生產商而言，總希望產品的制造成本越低越好。

本文研究的就是藍牙在實際應用中的傳輸性能及相關的問題。

一、藍牙的安全問題

目前對藍牙安全方面存在問題已經進行了大量的研究，指出了藍牙在安全方面存在的隱患。這些隱患主要包括：

1.認證（Authentication）問題。藍牙的認證機制是基于設備而不是基于用戶，這就意味著當設備丟失或被竊時仍然可以通信，可能會對用戶造成某種損失。另外，藍牙也沒有定義對服務的獨立認證。Lan Nguyen等對此提出了改進的藍牙安全協議。

2.PIN碼的長度問題。短的PIN碼倍數容易受到攻擊，長的則不便于記憶。Yaniv Shaked等對此進行了詳細的分析，并給出了攻擊手段。

3.藍牙的設備配對（（Pairing）問題。Serge Vaudenay等分析了不安全的原因，并提出采用對稱密鑰的修補方案。Ford-long Wong等也提出了不同的修補方案。

4.安全協議在散射網中的使用問題。造成藍牙諸多不安全因素的原因之一在于藍牙采用的是對稱密鑰算法。Pushpa.R等針對藍牙的配對和認證過程指出采用對稱密鑰算法不安全的原因，并建議采用非對稱的公鑰算法來增強藍牙的安全性。

二、藍牙微微網的服務質量問題

藍牙微微網是藍牙組網的基本形式。藍牙主設備可連接一個到最多七個活動的從設備，這已經可以應用到大多數的場合中。影響藍牙微微網服務質量的主要問題有：

1.微微網的抗干擾問題

在藍牙微微網的抗干擾分析方面，Valentl等最早研究了在加性高斯白噪聲（AWGN）與瑞利（Rayleigh）衰落信道下分組重傳概率與藍牙鏈路吞吐量的數學模型。J.H.Kleinschmidt等研究了在Nakagami-m信道下藍牙的傳輸性能。Pasolinit等研究了平均接收信噪比與分組錯誤率間的關系。Kleinschmidt等提出了在Nakagami-m信道下利用信道狀態信息估計的藍牙微微網調度算法。Sarkar等提出了在假設信道狀態已知的情況下求解吞吐量最大值的數字方法。Andre Stranne等研究了藍牙數據包長度對藍牙數據傳輸吞吐量的影響。N.0Golmie等對藍牙設備與802.11設備共存時的互干擾情況進行了詳細的分析并提出了解決方法。這些研究都是對藍牙的數據傳輸性能在不同方面進行了分析，并且也給出了一些改進的思路。在抗干擾方式的改進方面，Valenti，M.C等人提出采用Turbo碼來增強藍牙的抗千擾能力。但是Turbo碼的譯碼比較復雜，需要很大的計算量。要發揮Turb。碼的優勢還需要一定的交織深度，這并不適合像藍牙這樣的短數據包格式。

2.基于信道質量的自適應分組策略

M.C.Ju等最早提出了根據信噪比的自適應數據分組策略。Jung-Ho Yoon等提出在藍牙協議中增加4PSK和8PSK調制方式，并進一步給出了基于新藍牙協議的自適應分組策略。國內的楊帆等人則具體給出了藍牙2.0協議下基于信噪比的自適應分組策略和在一定的信噪比下的最大平均吞吐量。但實際上，在不改變藍牙硬件的基礎上，想得到或準確估計和跟蹤信道質量（信噪比）是比較困難的。所以自適應策略的主要的難點在于如何估計或判斷信道的質量。可采用的方法包括BER（位錯誤率）統計和PER（丟包率）統計等。Jung-Ho Yoon等提出利用發送DM1分組簡單地測量BER的方法。從結果來看，在BER在 10-2_10-3之間時測量只需幾個分組即可，但在BER低于10一3時，需要400多個DM1分組。采用PER統計的方法是根據以住分組的丟包率估計BER。對于藍牙來說，最大的難度在于藍牙定義的很多種的數據分組類型。Ki Won Sung等引入了一種叫“mini-packet”機制，采用最大似然函數來選擇藍牙數據分組的最佳時隙長度。但忽略了藍牙的調制方式和抗干擾方式，結論并不實用。

3.藍牙微微網的調度算法

在藍牙微微網中，為了和多個從設備進行通信，藍牙系統采用純循環輪詢（Round Robin）方案，對所有的從設備平均分配輪詢次數，從設備只在輪詢到自己時才允許發送數據，當主設備無數據發送時，則發送無數據的查詢數據包（叫做POLL包），從設備無數據發送時則發送無負載的NULL包。這個方式效率較低。Carlos Cordeiro等提出采用動態時隙分配的方法來提高微微網的總體吞吐量。他們進一步擴展了該方法，實現了藍牙從一從之間的通信。Wensheng Zhang等采用了時隙指配的方法來增強主從之間的通信。Jean等也提出了一種公平、有效的輪詢算法。

4.藍牙設備的連接時間

藍牙采用快速跳頻方式進行通信，這意味著藍牙必須跳頻同步才能通信。在彼此之前沒有通信的情況下，藍牙設備連接可能要花很長的時間，典型的開銷為5.76秒，最差時可能要花23秒。M.duflot等分析了藍牙查詢時間的概率模型，最優和最差情況以及查詢所用的平均時間和消耗的功率。Brian等詳細分析了查詢時間服從的分布和統計式。Debasish等分析了不同設備數時的查詢時間。在很多文獻中提出改變協議來加快藍牙的連接時間。主要提出的方法有：

（1）減少回退時間。Wensheng Zhang等研究了減小回退時間對查詢時間的影響。Gergely等求出了各種不同情況下回退時間的最佳值。

（2）改變藍牙查詢的跳頻序列。Xin Zhang層提出采用A組和B組序列交替使用而不是重復256次的方法來中加快查詢。J.R.Jiang提出通過改變查詢和被查詢角色的方案來加快查詢。

（3）采用全新的藍牙連接協議。Peter-son提出用多個查詢設備來加快查詢。Kardos提出了一種命名為“RECON”的新的接連協議。另外，也有人提出采用紅外和RFID來加速藍牙連接。關于這一內容的研究目前已經比較成熟。

三、藍牙散射網的吞吐量問題

最早A.El-Hoiydi提出了多個微微網下的單時隙分組（DM1分組）時的誤包率計算方法和多微微網能夠達到的總吞吐量。K.Naik也基于DM1分組給出了單時隙的一般干擾模型，并假定微微網的跳頻信道數分別為79跳、23跳以及混合方式。最后得出相對應的丟包率和網絡總吞吐量。以上兩個文獻中假定每個藍牙微微網的業務量為100%，即總有包發送和接收。Sevillano詳細給出了單時隙分組的碰撞模型，并假定新的數據分組產生服從一定的概率分布。以上的分析都是假定微微網只存在一種數據分組一DM1分組。K.Naik同時也研究了在時隙同步情況下多種數據分組的網絡吞吐量及誤包率。I.Ashra研究了多微微網下如何進行時隙同步的問題。Fredrik Floren經過復雜的數學推導給出了當微微網時隙不同步時，采用多個數據分組時的微微網的丟包率和網絡總吞吐量的上限和下限。在其他相關研究方面，Howitt中通過實驗測試了獨立藍牙微微網之間的同頻干擾對傳輸性能的影響。

四、小結

本文在充分研究現有藍牙文章的基礎上，指出了藍牙傳輸中存在的問題，即安全問題、吞吐量問題和服務質量問題。針對每一個問題，充分研究了目前已有的技術，指出了解決每一個問題的合適方法。

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