藍牙通信中誤碼率改進的算法設(shè)計

潘 宏，晏 華

(1.瀘州醫(yī)學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，四川瀘州 646000;2.電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610000)

當(dāng)前將私人計算機、家用照明及智能電器、智能水電煤表、報警系統(tǒng)連接而形成的系統(tǒng)稱為家庭網(wǎng)絡(luò)［1］。家庭網(wǎng)絡(luò)不僅能在自己的家里形成智能聯(lián)網(wǎng)，還能連接到智能小區(qū)里的網(wǎng)絡(luò)，同時也能聯(lián)網(wǎng)。隨著科技的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)一定會是家庭網(wǎng)絡(luò)的最終表現(xiàn)形式［2－3］。而在家庭網(wǎng)絡(luò)中，藍牙較其他多種無線通信方式來說，是最合適的選擇。藍牙由于自身穩(wěn)定的系統(tǒng)、簡單易操作、造價低廉、開放性等特點，可以廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域［4－7］。所以，研究使用藍牙作為通信方式的家庭網(wǎng)絡(luò)是一項非常具有實際意義的課題，關(guān)系著提升整個居民的生活品質(zhì)［8］。藍牙采用了全球通用的2.4 GHz ISM頻段，而這一頻段全部的無線電系統(tǒng)都已開發(fā)，所以藍牙在此頻段工作時，會遭受較大的干擾。為了使鏈路不受干擾，能夠平穩(wěn)地工作，且能夠盡可能地抵抗外界的干擾，藍牙采取了快速跳頻以及短包技術(shù)［9］。假如有來自外界的干擾頻率與此刻的跳頻頻率恰好相等，那么會產(chǎn)生很大的干擾，而如今的跳頻不能夠自動地避開干擾。如果系統(tǒng)可以察覺出有干擾，同時還能夠調(diào)整載波頻率，該系統(tǒng)才能夠避免干擾。筆者基于這一背景，進行了藍牙通信中誤碼率改進算法內(nèi)核的設(shè)計及性能對比研究，這一研究在保持了跳頻序列較強功能的基礎(chǔ)上顯著降低了誤碼率，具有較強的實用及理論價值。

1 誤碼率改進算法內(nèi)核的設(shè)計

1.1 內(nèi)核系統(tǒng)的改進

由于藍牙跳頻算法的構(gòu)架簡單、功能強、能夠生成較為均勻的跳頻序列，很大程度上改善了藍牙系統(tǒng)的干擾抵抗性。然而，在2.4 GHz頻段中會有很多無法預(yù)估的干擾源出現(xiàn)，跳頻頻率會受到影響。想要提升藍牙抵抗以及避開干擾的能力，下文對跳頻算法做了優(yōu)化，且具有自適應(yīng)功能。

圖1 算法內(nèi)核改進方案

未優(yōu)化算法采用圖1中上半部分方案，即首先進行5位X與5位A的相加運算，并進行模32操作;然后將得到的數(shù)據(jù)與4位B進行異或運算;接著進行排列處理，排列處理由多層的蝶型運算組成，按照控制字的方法進行處理;最后將排列處理的結(jié)果加上一個常數(shù)，并且取模79，能夠得到0～78的7位數(shù)fout，再把fout尋址存儲在79跳頻的寄存器組里。

本文的優(yōu)化處理方法要盡量避免干擾頻率，需要在未優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上添加新模塊。經(jīng)過優(yōu)化后算法的主要思想是:首先要把7位寄存器的初值賦零;通過跳頻算法計算得出目前的跳頻頻率，記為f'out;然后把7位寄存器與fout進行加法運算，得到的結(jié)果xout即為此刻時隙最終數(shù)據(jù)結(jié)果，并且把其映射到79跳頻列表里。在進行對比的模塊里，這里的干擾頻率記為G，按照7位二進制的方式進行表達。假如不存在干擾頻率，將開關(guān)置1，此時無需進行比較操作，把7位寄存器的值全部清除。假如存在干擾頻率，把開關(guān)置2，對與G作比較運算。當(dāng)f'out與G的值相同時，寄存器賦值m，即前文所述偏移值，在文中設(shè)定m=32。當(dāng)與G的值不同時，把寄存器值清空。下一個時隙出現(xiàn)時，同樣可以得到當(dāng)前時刻的跳頻頻率fout和下一時隙跳頻頻率。這個過程與之前的時隙是相同的，第一步也是把fout和寄存器中的值進行加法運算，若寄存器值是m，可表明前個時隙里已知fout受到干擾頻率的干擾，把fout進行m的加法或者減法，使其避開該頻段，把xout映射跳頻列表里;然后把下一與G作對比，按照對比得出的結(jié)果進行設(shè)定寄存器值。干擾頻率會出現(xiàn)2個或2個以上的情況，那么就應(yīng)進行多次對比，由于時間的限制，要在下組出現(xiàn)之前完成，以確保時隙的一致性。

1.2 跳頻序列算法

在全球通用技術(shù)標準中，藍牙一共有10種可供選擇的跳頻。其中，有5種是應(yīng)用在79跳頻系統(tǒng)里，而剩下的5種應(yīng)用在23跳頻系統(tǒng)里。在這里，研究的是79跳頻在連通之后形成的信道跳頻序列，并且是基于藍牙的跳頻算法。藍牙系統(tǒng)是把ISM頻段按79個帶寬以及載頻間距均為1 MHz進行區(qū)分。藍牙所用的信道是以跳頻或時分聯(lián)合的方式進行的。其信道分成的時隙為625 μs，一般跳頻是每秒1 600跳，并且任意的一個時隙都對應(yīng)不一樣的頻道。主設(shè)備的信息參數(shù)影響著跳頻序列在匹克網(wǎng)信道上的關(guān)鍵因素。通常情況下，主設(shè)備所用的時鐘是以28位數(shù)示意，藍牙的時鐘是取312.5 μs，即一個時隙的一半為其最小單位。藍牙主設(shè)備的地址低28位和時鐘地址高27位影響著跳頻序列。跳頻算法的基本原理圖見圖2。

圖2 跳頻算法

這里論述處理一個信道跳頻序列的方式。首先從主設(shè)備79跳頻以及地址高22位的時鐘地址中選擇不間斷的32跳頻段;然后將所有的27位時鐘以及設(shè)備標識形成一個5位序號，取32跳頻段里的其中一個，隨意訪問這些跳頻點。依照偏移量在跳頻段里選擇其他的32跳頻段，以此類推。跳頻列表是寄存器，其中放置79個跳頻頻率的標號。首先把跳頻列表里放置的全部偶數(shù)頻率進行排序，再把全部的奇數(shù)頻率按照順序進行排序，最終得到的列表見圖3。這樣一來，32位的一跳頻頻段就可以把64 MHz的頻帶全部囊括，可以涵蓋79 MHz帶寬的80%以上。依照這種方式，能夠劃分228個跳頻序列，是一個非常龐大的數(shù)據(jù)。完整的一跳頻序列維持的時間有227×625 μs，約23 h。所以若幾個匹克網(wǎng)都在同一區(qū)間里，那么跳頻序列之間能夠產(chǎn)生頻率相撞的概率降低了很多，這樣就能夠達到藍牙系統(tǒng)需要滿足序列相關(guān)性的條件。需要對藍牙設(shè)備標識以及時鐘轉(zhuǎn)換的時候，跳頻序列會馬上進行轉(zhuǎn)換，十分簡便快捷。

2 新舊系統(tǒng)對比仿真及性能分析

2.1 未改進系統(tǒng)算法內(nèi)核的抗干擾性能

圖3 連接狀態(tài)時的跳頻選擇方案

第一步進行定頻干擾下系統(tǒng)仿真，假如在任何時間系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾頻率與幅度都是相同的，設(shè)定干擾頻率與幅度分別為20與15，對系統(tǒng)進行105步跳變，其中每一步跳變需要一個跳頻時隙時間，仿真結(jié)果見圖4。

圖4 定頻干擾

圖4a表示對系統(tǒng)可能會造成的干擾源，也就是Scope1波形圖其中的一部分;圖4b表示對系統(tǒng)造成的實際干擾，也就是Scope2波形圖中的一部分，如果輸入、輸出信號差值為0，則表示這個時隙的干擾信號對系統(tǒng)沒有干擾，同理，如果不為0，則情況相反。因此在定頻干擾下，一般干擾都會影響到系統(tǒng)信號的傳輸，系統(tǒng)本身的抗干擾性除外。誤碼率可達到0.005 901，通過誤碼率計算器可以看到這個系統(tǒng)10 000步跳變下的誤碼率，同樣可以獲得下文中所涉及的誤碼率。接下來進行隨機頻率及幅度干擾下的系統(tǒng)仿真，假如在任何時間系統(tǒng)可隨機產(chǎn)生79個跳頻頻率的干擾頻率與幅度，對系統(tǒng)進行105步跳變，圖5為仿真結(jié)果圖。

圖5 隨機頻率隨機幅度干擾

隨機頻率隨機幅度干擾與定頻干擾圖差不多，圖5a表示對系統(tǒng)可能會造成的干擾，也就是Scope1波形圖其中的一部分;圖5b表示對系統(tǒng)實際造成的干擾，也就是Scope2波形圖其中的一部分，如果對應(yīng)輸入、輸出信號的差值為0，則表示這個時隙的干擾信號對系統(tǒng)沒有干擾，同理，如果不為0，則情況相反。因此在變頻干擾下，一般干擾都會影響到系統(tǒng)信號的傳輸，系統(tǒng)本身的抗干擾性除外。由仿真結(jié)果可知，變頻干擾下，舊系統(tǒng)的誤碼率最高可以達到0.006 501，故傳輸精度極差。

2.2 改進系統(tǒng)算法內(nèi)核的抗干擾性能

首先還是進行定頻干擾下系統(tǒng)仿真，假如在任何時間系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾頻率與幅度都是相同的，設(shè)定干擾頻率與幅度分別為20與15，將新舊系統(tǒng)中的定頻干擾頻率設(shè)置成一樣的，這樣可以更好地對仿真結(jié)果進行對比，對系統(tǒng)進行105步跳變，仿真結(jié)果見圖6。

圖6 定頻定幅干擾影響

圖6b所表示的是對系統(tǒng)實際造成的干擾，可以看到在5 000～10 000步之間的跳變中，輸入、輸出信號的差值都是0，這就表明在以上時隙中，干擾信號并未對系統(tǒng)造成干擾。所以在同樣的定頻干擾下，新系統(tǒng)可完全不受干擾頻率的影響，其抗干擾性有了很大的提升。接下來進行隨機頻率及幅度干擾下的系統(tǒng)仿真，仍然假如在任何時間系統(tǒng)可隨機產(chǎn)生79個跳頻頻率的干擾頻率與幅度，對系統(tǒng)進行105步跳變，圖7為仿真結(jié)果圖。

圖7 隨機頻率隨機幅度干擾影響

由仿真結(jié)果可以知道，在變頻干擾情況下，新系統(tǒng)的抗變頻干擾性能要遠遠優(yōu)于原系統(tǒng)，可以抵抗大多數(shù)的干擾，平均誤碼率比較低，只有0.002 900，與原系統(tǒng)相比，其誤碼率有了約55.4%的下降。在此，有一點需要說明:根據(jù)制定的改進方案，可通過對下一時隙的跳頻頻率加某一偏移量就可以完全不受當(dāng)前干擾頻率的影響，但是存在這樣的可能性，在下一時隙真的來臨時，而干擾頻率也正好發(fā)生改變，因為在仿真中干擾頻率及其持續(xù)的時隙均是隨機的，此時發(fā)生改變的干擾頻率可能剛好影響到跳頻頻率，在這種情況下，該改進方案也就會沒有了原有的用途。

2.3 系統(tǒng)誤碼率對比

最后再次比較兩個系統(tǒng)的誤碼率，以進一步對新系統(tǒng)的抗干擾性能進行證明。圖8為兩路解調(diào)誤碼率的曲線圖。

從圖8中可以很明顯地看到，新系統(tǒng)在定頻干擾下可脫離干擾，數(shù)據(jù)傳輸準確無誤，可消除誤碼情況。新系統(tǒng)在隨機頻率干擾下的誤碼率有了很大的降低，約為原系統(tǒng)的50%以上。

圖8 原系統(tǒng)和改進系統(tǒng)的誤碼率比較

3 小結(jié)

眾所周知，藍牙系統(tǒng)的跳頻算法構(gòu)架并不復(fù)雜，生成的跳頻具有較好的性能，符合系統(tǒng)要求，消除了系統(tǒng)工作環(huán)境出現(xiàn)的大量干擾。然而，2.4 GHz的頻段會出現(xiàn)很多不能預(yù)估的干擾源，所以很容易出現(xiàn)跳頻頻率與干擾頻率碰撞。為避免這種碰撞帶來的干擾，本文做了優(yōu)化措施以提升系統(tǒng)對干擾的抵御能力。經(jīng)過研究分析可知，經(jīng)過優(yōu)化后的跳頻序列一樣符合藍牙系統(tǒng)的要求。優(yōu)化后的系統(tǒng)和傳統(tǒng)的方法相比，誤碼率縮減了55.39%，使得系統(tǒng)的抵御干擾能力得到了很大的提升。這種方法簡單易操作，不僅能夠避免干擾，又保持了跳頻序列的較強功能，在理論上、實際中都有重要意義。

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