藍(lán)牙傳輸性能研究的主要問(wèn)題與現(xiàn)狀

招遠(yuǎn)廣播電視臺(tái) 劉新梅 李洪光

藍(lán)牙（Bluetooth）是一種低功耗的無(wú)線技術(shù)，目的是取代現(xiàn)有的PC、打印機(jī)、傳真機(jī)和移動(dòng)電話等設(shè)備上的有線接口。主要優(yōu)點(diǎn)是：可以隨時(shí)隨地用無(wú)線接口來(lái)代替有線電纜連接；具有很強(qiáng)的移植性，可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合，如WAP，GSM，DECT等，引入身份識(shí)別后可以靈活實(shí)現(xiàn)漫游；低功耗，對(duì)人體危害??；藍(lán)牙集成電路應(yīng)用簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)現(xiàn)容易，易于推廣。藍(lán)牙技術(shù)提供低成本、近距離的無(wú)線通信，構(gòu)成固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境中的個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，使得近距離內(nèi)各鐘信息設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫資源共享。

藍(lán)牙技術(shù)自提出以來(lái)，在短短幾年的時(shí)間里己風(fēng)靡全球。目前，全球己有2000多家企業(yè)推出了藍(lán)牙芯片、藍(lán)牙平臺(tái)、應(yīng)用程序、測(cè)試設(shè)備等新產(chǎn)品?？陀^地說(shuō)，藍(lán)牙采用的技術(shù)中有些并非是當(dāng)前該領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)。藍(lán)牙的目標(biāo)是全球通用、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊，因此它并不強(qiáng)調(diào)技術(shù)的先進(jìn)性。比如糾錯(cuò)編碼方式，藍(lán)牙采用的是1/3率的重復(fù)碼、2/3率的漢明碼，而沒(méi)有采用相同編碼速率的卷積碼、Turbo碼或其他更先進(jìn)的編碼方式。作為用戶，總希望使用的產(chǎn)品所采用的技術(shù)越先進(jìn)越好，而對(duì)規(guī)范實(shí)現(xiàn)者和產(chǎn)品生產(chǎn)商而言，總希望產(chǎn)品的制造成本越低越好。

本文研究的就是藍(lán)牙在實(shí)際應(yīng)用中的傳輸性能及相關(guān)的問(wèn)題。

一、藍(lán)牙的安全問(wèn)題

目前對(duì)藍(lán)牙安全方面存在問(wèn)題已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，指出了藍(lán)牙在安全方面存在的隱患。這些隱患主要包括：

1.認(rèn)證（Authentication）問(wèn)題。藍(lán)牙的認(rèn)證機(jī)制是基于設(shè)備而不是基于用戶，這就意味著當(dāng)設(shè)備丟失或被竊時(shí)仍然可以通信，可能會(huì)對(duì)用戶造成某種損失。另外，藍(lán)牙也沒(méi)有定義對(duì)服務(wù)的獨(dú)立認(rèn)證。Lan Nguyen等對(duì)此提出了改進(jìn)的藍(lán)牙安全協(xié)議。

2.PIN碼的長(zhǎng)度問(wèn)題。短的PIN碼倍數(shù)容易受到攻擊，長(zhǎng)的則不便于記憶。Yaniv Shaked等對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并給出了攻擊手段。

3.藍(lán)牙的設(shè)備配對(duì)（（Pairing）問(wèn)題。Serge Vaudenay等分析了不安全的原因，并提出采用對(duì)稱密鑰的修補(bǔ)方案。Ford-long Wong等也提出了不同的修補(bǔ)方案。

4.安全協(xié)議在散射網(wǎng)中的使用問(wèn)題。造成藍(lán)牙諸多不安全因素的原因之一在于藍(lán)牙采用的是對(duì)稱密鑰算法。Pushpa.R等針對(duì)藍(lán)牙的配對(duì)和認(rèn)證過(guò)程指出采用對(duì)稱密鑰算法不安全的原因，并建議采用非對(duì)稱的公鑰算法來(lái)增強(qiáng)藍(lán)牙的安全性。

二、藍(lán)牙微微網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題

藍(lán)牙微微網(wǎng)是藍(lán)牙組網(wǎng)的基本形式。藍(lán)牙主設(shè)備可連接一個(gè)到最多七個(gè)活動(dòng)的從設(shè)備，這已經(jīng)可以應(yīng)用到大多數(shù)的場(chǎng)合中。影響藍(lán)牙微微網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的主要問(wèn)題有：

1.微微網(wǎng)的抗干擾問(wèn)題

在藍(lán)牙微微網(wǎng)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(lán)牙鏈路吞吐量的數(shù)學(xué)模型。J.H.Kleinschmidt等研究了在Nakagami-m信道下藍(lán)牙的傳輸性能。Pasolinit等研究了平均接收信噪比與分組錯(cuò)誤率間的關(guān)系。Kleinschmidt等提出了在Nakagami-m信道下利用信道狀態(tài)信息估計(jì)的藍(lán)牙微微網(wǎng)調(diào)度算法。Sarkar等提出了在假設(shè)信道狀態(tài)已知的情況下求解吞吐量最大值的數(shù)字方法。Andre Stranne等研究了藍(lán)牙數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度對(duì)藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸吞吐量的影響。N.0Golmie等對(duì)藍(lán)牙設(shè)備與802.11設(shè)備共存時(shí)的互干擾情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析并提出了解決方法。這些研究都是對(duì)藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸性能在不同方面進(jìn)行了分析，并且也給出了一些改進(jìn)的思路。在抗干擾方式的改進(jìn)方面，Valenti，M.C等人提出采用Turbo碼來(lái)增強(qiáng)藍(lán)牙的抗千擾能力。但是Turbo碼的譯碼比較復(fù)雜，需要很大的計(jì)算量。要發(fā)揮Turb。碼的優(yōu)勢(shì)還需要一定的交織深度，這并不適合像藍(lán)牙這樣的短數(shù)據(jù)包格式。

2.基于信道質(zhì)量的自適應(yīng)分組策略

M.C.Ju等最早提出了根據(jù)信噪比的自適應(yīng)數(shù)據(jù)分組策略。Jung-Ho Yoon等提出在藍(lán)牙協(xié)議中增加4PSK和8PSK調(diào)制方式，并進(jìn)一步給出了基于新藍(lán)牙協(xié)議的自適應(yīng)分組策略。國(guó)內(nèi)的楊帆等人則具體給出了藍(lán)牙2.0協(xié)議下基于信噪比的自適應(yīng)分組策略和在一定的信噪比下的最大平均吞吐量。但實(shí)際上，在不改變藍(lán)牙硬件的基礎(chǔ)上，想得到或準(zhǔn)確估計(jì)和跟蹤信道質(zhì)量（信噪比）是比較困難的。所以自適應(yīng)策略的主要的難點(diǎn)在于如何估計(jì)或判斷信道的質(zhì)量。可采用的方法包括BER（位錯(cuò)誤率）統(tǒng)計(jì)和PER（丟包率）統(tǒng)計(jì)等。Jung-Ho Yoon等提出利用發(fā)送DM1分組簡(jiǎn)單地測(cè)量BER的方法。從結(jié)果來(lái)看，在BER在 10-2_10-3之間時(shí)測(cè)量只需幾個(gè)分組即可，但在BER低于10一3時(shí)，需要400多個(gè)DM1分組。采用PER統(tǒng)計(jì)的方法是根據(jù)以住分組的丟包率估計(jì)BER。對(duì)于藍(lán)牙來(lái)說(shuō)，最大的難度在于藍(lán)牙定義的很多種的數(shù)據(jù)分組類(lèi)型。Ki Won Sung等引入了一種叫“mini-packet”機(jī)制，采用最大似然函數(shù)來(lái)選擇藍(lán)牙數(shù)據(jù)分組的最佳時(shí)隙長(zhǎng)度。但忽略了藍(lán)牙的調(diào)制方式和抗干擾方式，結(jié)論并不實(shí)用。

3.藍(lán)牙微微網(wǎng)的調(diào)度算法

在藍(lán)牙微微網(wǎng)中，為了和多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信，藍(lán)牙系統(tǒng)采用純循環(huán)輪詢（Round Robin）方案，對(duì)所有的從設(shè)備平均分配輪詢次數(shù)，從設(shè)備只在輪詢到自己時(shí)才允許發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)主設(shè)備無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，則發(fā)送無(wú)數(shù)據(jù)的查詢數(shù)據(jù)包（叫做POLL包），從設(shè)備無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)則發(fā)送無(wú)負(fù)載的NULL包。這個(gè)方式效率較低。Carlos Cordeiro等提出采用動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的方法來(lái)提高微微網(wǎng)的總體吞吐量。他們進(jìn)一步擴(kuò)展了該方法，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙從一從之間的通信。Wensheng Zhang等采用了時(shí)隙指配的方法來(lái)增強(qiáng)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(lán)牙設(shè)備的連接時(shí)間

藍(lán)牙采用快速跳頻方式進(jìn)行通信，這意味著藍(lán)牙必須跳頻同步才能通信。在彼此之前沒(méi)有通信的情況下，藍(lán)牙設(shè)備連接可能要花很長(zhǎng)的時(shí)間，典型的開(kāi)銷(xiāo)為5.76秒，最差時(shí)可能要花23秒。M.duflot等分析了藍(lán)牙查詢時(shí)間的概率模型，最優(yōu)和最差情況以及查詢所用的平均時(shí)間和消耗的功率。Brian等詳細(xì)分析了查詢時(shí)間服從的分布和統(tǒng)計(jì)式。Debasish等分析了不同設(shè)備數(shù)時(shí)的查詢時(shí)間。在很多文獻(xiàn)中提出改變協(xié)議來(lái)加快藍(lán)牙的連接時(shí)間。主要提出的方法有：

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

（2）改變藍(lán)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(fù)256次的方法來(lái)中加快查詢。J.R.Jiang提出通過(guò)改變查詢和被查詢角色的方案來(lái)加快查詢。

（3）采用全新的藍(lán)牙連接協(xié)議。Peter-son提出用多個(gè)查詢?cè)O(shè)備來(lái)加快查詢。Kardos提出了一種命名為“RECON”的新的接連協(xié)議。另外，也有人提出采用紅外和RFID來(lái)加速藍(lán)牙連接。關(guān)于這一內(nèi)容的研究目前已經(jīng)比較成熟。

三、藍(lán)牙散射網(wǎng)的吞吐量問(wèn)題

最早A.El-Hoiydi提出了多個(gè)微微網(wǎng)下的單時(shí)隙分組（DM1分組）時(shí)的誤包率計(jì)算方法和多微微網(wǎng)能夠達(dá)到的總吞吐量。K.Naik也基于DM1分組給出了單時(shí)隙的一般干擾模型，并假定微微網(wǎng)的跳頻信道數(shù)分別為79跳、23跳以及混合方式。最后得出相對(duì)應(yīng)的丟包率和網(wǎng)絡(luò)總吞吐量。以上兩個(gè)文獻(xiàn)中假定每個(gè)藍(lán)牙微微網(wǎng)的業(yè)務(wù)量為100%，即總有包發(fā)送和接收。Sevillano詳細(xì)給出了單時(shí)隙分組的碰撞模型，并假定新的數(shù)據(jù)分組產(chǎn)生服從一定的概率分布。以上的分析都是假定微微網(wǎng)只存在一種數(shù)據(jù)分組一DM1分組。K.Naik同時(shí)也研究了在時(shí)隙同步情況下多種數(shù)據(jù)分組的網(wǎng)絡(luò)吞吐量及誤包率。I.Ashra研究了多微微網(wǎng)下如何進(jìn)行時(shí)隙同步的問(wèn)題。Fredrik Floren經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)給出了當(dāng)微微網(wǎng)時(shí)隙不同步時(shí)，采用多個(gè)數(shù)據(jù)分組時(shí)的微微網(wǎng)的丟包率和網(wǎng)絡(luò)總吞吐量的上限和下限。在其他相關(guān)研究方面，Howitt中通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了獨(dú)立藍(lán)牙微微網(wǎng)之間的同頻干擾對(duì)傳輸性能的影響。

四、小結(jié)

本文在充分研究現(xiàn)有藍(lán)牙文章的基礎(chǔ)上，指出了藍(lán)牙傳輸中存在的問(wèn)題，即安全問(wèn)題、吞吐量問(wèn)題和服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題。針對(duì)每一個(gè)問(wèn)題，充分研究了目前已有的技術(shù)，指出了解決每一個(gè)問(wèn)題的合適方法。

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