藍(lán)牙跳頻算法的研究與仿真

黃 祥，劉曉東

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢 430027；2.武漢虹旭信息技術(shù)有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430027）

藍(lán)牙跳頻算法的研究與仿真

黃 祥1，2，劉曉東1，2

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢 430027；2.武漢虹旭信息技術(shù)有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430027）

為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙跳頻方案，本文采用了研究相關(guān)原理并且著重分析藍(lán)牙Basic Hop Selection Kernel與Adapted Hop Selection Kernel這兩種選頻方案以及使用C語言代碼進(jìn)行軟件仿真的方法，結(jié)合藍(lán)牙協(xié)議4.0版本中提供的Sample Data數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出最終的軟件仿真結(jié)果是正確的結(jié)論。

藍(lán)牙；選頻；算法；C

藍(lán)牙，是一種短距離無線通信技術(shù)，它的工作頻段處于世界開放的ISM頻段。在藍(lán)牙通信過程中，跳頻技術(shù)作為藍(lán)牙的關(guān)鍵技術(shù)，主要目的就是為了用來增強(qiáng)藍(lán)牙通信的抗干擾能力。其頻率均勻分布在2.4～2.483 5 GHz這個頻段內(nèi)，總共包含79個頻點(diǎn)［1］。跳頻技術(shù)通過兩個方面來提高藍(lán)牙通信的抗干擾能力：首先，將傳統(tǒng)的窄帶通信擴(kuò)頻到一個很寬的頻帶上，這就使得信號不容易受到其他信號的干擾；其次，跳頻技術(shù)使兩藍(lán)牙設(shè)備在通信的過程中使用的頻點(diǎn)不斷的發(fā)生跳變，并不是一直使用一個頻點(diǎn)通信，這樣一來，一旦哪一個頻點(diǎn)受到干擾，就可以馬上跳到另外一個頻點(diǎn)上，這樣就避免了由于頻點(diǎn)干擾帶來的差錯。在BR/EDR版本的藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范中，總共包括兩種選頻方案，分別為 Basic Hop Selection Kernel與Adapted Hop Selection Kernel這兩種［2］。本文就是在研究了這兩種選頻方案的基礎(chǔ)上，使用C語言代碼軟件仿真出這兩種選頻方案。

1 藍(lán)牙跳頻算法的研究

跳頻的工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照相同的規(guī)律進(jìn)行不斷變化來通信的通信方式。也就是說，收發(fā)雙方所采用的載波頻率是一起同步變化。從時域上來看，是一個多頻率的頻移鍵控通信，從頻域來看，是在一個很寬的頻帶上以不等的間隔隨機(jī)的進(jìn)行跳變。

1.1 藍(lán)牙跳頻序列標(biāo)準(zhǔn)

我國采用的是79跳的系統(tǒng)，這里就只介紹79跳系統(tǒng)對跳頻序列的標(biāo)準(zhǔn)定義。信道跳頻序列具有較長的周期，一段時間內(nèi)跳頻圖案不出現(xiàn)重復(fù)，并且均勻的分布在79 MHz的范圍內(nèi)［3］。

1.2 Basic Hop Selection選頻方案

藍(lán)牙選頻方案包括兩大部分：一是通過一定的跳頻算法得到一個跳頻序列，二是將跳頻序列映射到具體的頻點(diǎn)上。整個過程是在選頻內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)現(xiàn)選頻算法的時候，跳頻算法的初始條件包括兩部分：時鐘值與輸入地址。這兩個初始條件對于不同的狀態(tài)所選取的具體值是不一樣的。本文中是為了實(shí)現(xiàn)Basic Hop Selection Kernel與Adapted Hop Selection Kernel這兩種選頻方案，而這兩種選頻方案只是在連接狀態(tài)才會有區(qū)別，所以，選頻初始條件中，所選擇的時鐘值與地址輸入是在主從設(shè)備已經(jīng)建立連接的狀態(tài)下。在連接狀態(tài)，選頻內(nèi)核輸入的時鐘是主設(shè)備的時鐘，輸入的地址是主設(shè)備的地址，具體的相應(yīng)位會在后面介紹。下圖是Basic Hop Selection Kernel選頻內(nèi)核的方框圖［4］：

如圖1中所示，Basic Hop Selection選擇內(nèi)核包括第一次相加、異或運(yùn)算、換位操作、第二次相加，最后輸出對寄存器操作進(jìn)行頻點(diǎn)選擇。當(dāng)然，本文中針對的是連接狀態(tài)的頻點(diǎn)選擇，所以，選頻內(nèi)核相關(guān)的輸入?yún)?shù)都是在連接狀態(tài)的。具體的輸入在協(xié)議4.0上面有詳細(xì)的描述。

圖1 藍(lán)牙Basic Hop Selection選擇內(nèi)核Fig.1 Bluetooth Basic Hop Selection select kernel

下面，對選頻內(nèi)核中主要的兩個過程加以闡述。

1.2.1 異或運(yùn)算

第一次相加再進(jìn)行mod運(yùn)算以后得到的5位數(shù)據(jù)與輸入?yún)?shù)B的4位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算得到5位的輸出數(shù)據(jù)，假設(shè)第一次相加得到的結(jié)果為Z’0到Z’4，經(jīng)過異或運(yùn)算以后輸出結(jié)果為Z0到Z4，又由于B的輸入為設(shè)備地址的19到22位，設(shè)為A22-19，那么，該異或運(yùn)算的原理圖如下［4］：

圖2 異或運(yùn)算原理圖Fig.2 The Schematic of XOR

如圖2所示，對應(yīng)的輸入與輸出的關(guān)系如下：

第一次全國水利普查主要包括河湖基本情況普查、水利工程基本情況普查、經(jīng)濟(jì)社會用水情況調(diào)查、河湖開發(fā)治理保護(hù)情況普查、水土保持情況普查及其他普查等內(nèi)容。主要是收集我國河流、湖泊、流域的水資源與水文特征，河湖的利用與保護(hù)情況，水利工程的數(shù)量、分布、規(guī)模、效益，社會經(jīng)濟(jì)用水及其水環(huán)境，水土流失與水土保持措施的特點(diǎn)、分布、數(shù)量，以及進(jìn)行水利行業(yè)能力建設(shè)情況、灌區(qū)專項(xiàng)、地下水取水井專項(xiàng)普查等。

Z0=A19 xor Z’0；

Z1=A20 xor Z’1；

Z2=A21 xor Z’2；

Z3=A22 xor Z’3；

Z4=Z’4。

1.2.2 換位操作（PERM5）

在選頻內(nèi)核中，換位操作是根據(jù)控制字P來對輸入的5位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的互換位置的操作。在選頻內(nèi)核中，D0～D8對應(yīng)控制字P0～P8，而P（i+9）對應(yīng)于選頻內(nèi)核中的Ci xor Y1，其中i為0到4。下表為相應(yīng)的控制字以及對應(yīng)的交換操作［4］：

表1 換位操作的控制Tab.1 Transposition operation control

1.2.3 頻點(diǎn)映射

在最后一步，運(yùn)用前面所有運(yùn)算的最后結(jié)果從存放頻點(diǎn)的寄存器中尋址找到計(jì)算得到的相應(yīng)頻點(diǎn)。頻點(diǎn)在寄存器中的存儲方式是偶數(shù)頻點(diǎn)放在前面，奇數(shù)頻點(diǎn)放在后面，并且都是升序的形式。

1.3 Adapted Hop Selection選頻方案

Adapted hop selection選頻 方 案 是 基 于 Basic hop selection選頻方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，產(chǎn)生頻點(diǎn)的運(yùn)算內(nèi)核是一樣的。唯一的區(qū)別在于，當(dāng)主從設(shè)備的AFH_mode的值設(shè)為1的時候，也就是說主從設(shè)備的自適應(yīng)跳頻功能都使能的時候，雙方會通過AFH_channel_map信息定義哪些信道可用，哪些信道不可用。然后，當(dāng)通過Basic hop selection選頻內(nèi)核計(jì)算出一個頻點(diǎn)后，會通過查詢前面建立的頻點(diǎn)列表，看看這個頻點(diǎn)是否可用，如果該頻點(diǎn)可用，那么直接將該頻點(diǎn)運(yùn)用到下一個時隙，如果該頻點(diǎn)不可用，那么會經(jīng)過頻點(diǎn)重定位功能模塊，將改頻點(diǎn)重新映射到可用頻點(diǎn)中去［4］。下圖是Adapted hop selection選頻方案方框圖：

圖3 Adapted hop selection選頻內(nèi)核Fig.3 Adapted hop selection frequency selection kernel

如圖3所示，Adapted hop selection選頻方案比Basic hop selection選頻方案就是多了一個Re-mapping Function的功能模塊。該模塊中，計(jì)算K’的計(jì)算公式如下：

EQ1中，F(xiàn)’的定義為主設(shè)備時鐘的7到27位對應(yīng)的值乘以16以后再與N進(jìn)行mod運(yùn)算所得到的結(jié)果；N代表的是根據(jù)AFH_channel_map信息中的值定義的可用信道的數(shù)量；其他變量的定義與Basic hop selection選頻方案中的定義完全一樣。在Re-mapping Function的功能模塊中的Mapping Table是根據(jù)FH_channel_map信息中的值定義的可用信道編號，也是按照偶數(shù)頻點(diǎn)在前，奇數(shù)頻點(diǎn)在后，并且是升序的規(guī)定進(jìn)行存儲頻點(diǎn)號的。

2 藍(lán)牙選頻算法的C語言實(shí)現(xiàn)

在使用C語言實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙選頻方案的時候，本文分別實(shí)現(xiàn)了Basic Hop Selection與Adapted Hop Selection這兩種選頻方案。并且，這兩種方案的實(shí)現(xiàn)是集合在一個實(shí)現(xiàn)代碼中，只是在分別實(shí)現(xiàn)的時候要進(jìn)行相關(guān)的選擇設(shè)置。同時，在進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證的時候，采用的對比數(shù)據(jù)是 BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.0協(xié)議中P1236頁的Sample Data提供的相關(guān)條件以及頻點(diǎn)結(jié)果［5］。

1）C語言程序流程圖

C語言程序流程圖如圖4所示。

圖4 C語言實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.4 C language implementation flow chart

圖5 AFH功能使能時選頻結(jié)果對比Fig.5 AFH selected frequency results contrast

2）代碼運(yùn)行結(jié)果與協(xié)議中提供的數(shù)據(jù)對比

如圖5所示，當(dāng)AFH功能使能的時候，C語言實(shí)現(xiàn)的頻點(diǎn)選擇與協(xié)議中提供的頻點(diǎn)結(jié)果的對照［6］?？梢?，C語言實(shí)現(xiàn)的頻點(diǎn)選擇與協(xié)議中提供的頻點(diǎn)結(jié)果是一致的［7］。

3 結(jié)束語

藍(lán)牙選頻算法在實(shí)際應(yīng)用中是通過硬件電路實(shí)現(xiàn)的，本文的設(shè)計(jì)是通過對藍(lán)牙兩種版本的選頻方案進(jìn)行分析［8］，然后通過C語言進(jìn)行軟件仿真［9］，最后得到的結(jié)果與協(xié)議中提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，每一個頻點(diǎn)都是一一對應(yīng)的。本文的研究對實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信的同步是很有指導(dǎo)意義的，并且是軟件實(shí)現(xiàn)，可移植性比較強(qiáng)。

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The study and simulation of bluetooth frequency hopping algorithm

HUANG Xiang1，2，LIU Xiao-dong1，2
（1.Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430027，China；2.Wuhan Hongxu Information Technologies co.，LTD，Wuhan 430027，China）

In order to achieve the Bluetooth frequency hopping scheme，In this paper，adopting methods to Research relevant principles and Analysis the Bluetooth Basic Hop Selection Kernel and Adapted Hop Selection Kernel Both frequency selection scheme and Use the C language code for software emulation，Combined with Bluetooth 4.0 protocol Sample Data provided experimental data，Arrive at a final software simulation results are correct conclusion.

bluetooth；frequency selection；algorithm；C

TN918.91

A

1674－6236（2016）04-0111-03

2015-04-02 稿件編號：201504014

黃 祥（1988—），男，湖北安陸人，碩士研究生。研究方向：無線通信技術(shù)。