蓝牙无线接入系统

南京邮电学院电子工程系　　刘峥嵘　　彭江龙　　孙曙光
　　个人通信是人类通信的最高目标，它利用各种可能的网络技术，实现人与人之间任何时间、任何地点、任何种类的通信。在近距离通信中，蓝牙（Bluetooth）无线接入技术使无线单元间的通信变得十分容易，将计算机技术与通信技术更紧密地结合在一起，人们可随时随地进行信息的交换与传输。除此之外，蓝牙技术还可为数字网络和外设提供通用接口，以组建远离固定网络的个人特别连接设备群。

1. 无线频段的选择和抗干扰

　　蓝牙技术采用2400~2483.5MHz的ISM（工业、科学和医学）频段，这是因为该频段内没有其它系统的信号干扰，同时频段向公众开放，无须特许；频段在全球范围内有效。世界各国、各地区的相关法规不同，一般只规定信号的传输范围和最大传输功率。对于一个在全球范围内运营的系统，其选用的频段必须同时满足所有规定，使任何用户都可接入，因此必须将所需要素最小化。在满足规则的情况下，可自由接入无线频段，此时，抗干扰问题便变得非常重要。因为2.45GHz　ISM频段为开放频段，使用其中的任何频段都会遇到不可预测的干扰源（如某些家用电器、无绳电话和汽车开门器等），此外，对外部和其它蓝牙用户的干扰源也应作充分估计。

　　抗干扰方法分为避免干扰和抑制干扰。避免干扰可通过降低各通信单元的信号发射电平来达到；抑制干扰则通过编码或直接序列扩频来实现。然而，在不同的无线环境下，专用系统的干扰和有用信号的动态范围变化极大。在超过50dB的远近比和不同环境功率差异的情况下，要达到1Mb/s以上速率，仅靠编码和处理增益是不够的。相反，由于信号在频率（或时间）没有干扰时（或干扰低时）发送，故避免干扰更容易一些。若采用时间避免干扰法，当遇到时域脉冲干扰时，发送的信号将会中止。大部分无线系统是带限的，而在2145GHz频段上，系统带宽为80MHz，可找到一段无明显干扰的频谱，同时利用频域滤波器对无线频带其余频谱进行抑制，以达到理想效果。因此，以频域避免干扰法更为可行。

2. 多址接入体系和调制方式

　　选择专用系统多址接入体系，是因为在ISM频段内尚无统一的规定。频分多址（FDMA）的优势在于信道的正交性仅依赖发射端晶振的准确性，结合自适应或动态信道分配结构，可免除干扰，但单一的FDMA无法满足ISM频段内的扩频需求。时分多址（TDMA）的信道正交化需要严格的时钟同步，在多用户专用系统连接中，保持共同的定时参考十分困难。码分多址（CDMA）可实现扩频，应用于非对称系统，可使专用系统达到最佳性能。直接序列（DS）CDMA因远近效应，需要一致的功率控制或额外的增益，与TDMA相同，其信道正交化也需共同的定时参考，随着使用数目的增加，将需要更高的芯片速度、更宽的带宽（抗干扰）和更多的电路消耗。跳频（FH）CDMA结合了专用无线系统中的各种优点，信号可扩频至很宽的范围，因而使窄带干扰的影响变得很小。跳频载波为正交，通过滤波，邻近跳频干扰可得到有效抑制，而对窄带和用户间干扰造成的通信中断，可依赖高层协议来解决。在ISM频段上，FH系统的信号带宽限制在1MHz以内。为了提高系统的鲁棒性，选择二进制调制结构。由于受带宽限制，其数据速率低于1Mb/s。为了支持突发数据传输，最佳的方式是采用非相干解调检测。蓝牙技术采用高斯型频移键控（GFSK）调制，调制系数为0.3。逻辑“1”发送正频偏，逻辑“0”发送负频偏。解调可通过带限FM鉴频器完成。

3. 媒体接入控制（MAC）

　　蓝牙系统可实现同一区域内大量的非对称通信。与其它专用系统实行一定范围内的单元共享同一信道不同，蓝牙系统设计为允许大量独立信道存在，每一信道仅为有限的用户服务。从调制方式可看出，在ISM频段上，一条FH信道所支持的比特率为1Mb/s。理论上，79条载波频谱支持79Mb/s，由于跳频序列非正交化，理论容量79Mb/s不可能达到，但可远远超过1Mb/s。

　　一个FH蓝牙信道与一微微网相连。微微网信道由一主单元标识（提供跳频序列）和系统时钟（提供跳频相位）定义，其它为从单元。每一蓝牙无线系统有一本地时钟，没有通常的定时参考。当一微微网建立后，从单元进行时钟补偿，使之与主单元同步，微微网释放后，补偿亦取消，但可存储起来以便再用。不同信道有不同的主单元，因而存在不同的跳频序列和相位。一条普通信道的单元数量为8（1主7从），可保证单元间有效寻址和大容量通信。蓝牙系统建立在对等通信基础上，主从任务仅在微微网生存期内有效，当微微网取消后，主从任务随即取消。每一单元皆可为主/从单元，可定义建立微微网的单元为主单元。除定义微微网外，主单元还控制微微网的信息流量，并管理接入。接入为非自由竞争，625μs的驻留时间仅允许发送一个数据包。基于竞争的接入方式需较多开销，效率较低。在蓝牙系统中，实行主单元集中控制，通信仅存在于主单元与一个或多个从单元之间。主从单元间通信时，时隙交替使用。在进行主单元传输时，主单元确定一个欲通信的从单元地址，为了防止信道中从单元发送冲突，采用轮流检测技术，即对每个从到主时隙，由主单元决定允许哪个从单元进行发送。这一判定是以前一时隙发送的信息为基础实施的，且仅有恰为前一主到从被选中的从地址可进行发送。若主单元向一具体从单元发送了信息，则此从单元被检测，可发送信息。若主单元未发送信息，它将发送一检测包来标明从单元的检测情况。主单元的信息流体系包含上行和下行链路，目前已有考虑从单元特征的智能体系算法。主单元控制可有效阻止微微网中的单元冲突。当互相独立的微微网单元使用同一跳频时，可能发生干扰。系统利用ALOHA技术，当信息传送时，不检测载波是否空载（无侦听），若信息接收不正确，将进行重发（仅有数据）。由于驻留期短，FH系统不宜采用避免冲突结构，对每一跳频，会遇到不同的竞争单元，后退（backoff）机制效率不高。

4.基于包的通信

　　蓝牙系统采用基于包的传输：将信息流分片（组）打包，在每一时隙内只发送一个数据包。所有数据包格式均相同，开始为一接入码，接下来是包头，最后是负载。

　　接入码具有伪随机性质，在某些接入操作中，可使用直接序列编码。接入码包括微微网主单元标志，在该信道上，所有包交换都使用该主单元标志进行标识，只有接入码与接入微微网主单元的接入码相匹配时，才能被接收，从而防止一个微微网的数据包被恰好加载到相同跳频载波的另一微微网单元所接收。在接入端，接入码与一滑动相关器内要求的编码匹配，相关器提供直接序列处理增益。包头包含从地址连接控制信息3bit,以区分微微微网中的从单元；用于标明是否需要自动查询方式（ARQ）的响应/非响应1bit；包编码类型4bit，定义16种不同负载类型；头差错检测编码（HEC）8bit，采用循环冗余检测编码（CRC）检查头错误。为了限制开销，数据包头只用18bit，包头采用1/3率前向纠错编码（FEC）进一步保护。

　　蓝牙系统定义了4种控制包： ID控制包，仅包含接入码，用于信令；空（NULL）包，仅有接入码和包头，必须在包头传送连接信息时使用；检测（POLL）包，与空包相似，用于主单元迫使从单元返回一响应；FHS包，即FH同步包，用于在单元间交换实时时钟和标志信息（包括两单元跳频同步所需的所有信息）。其余12种编码类型用于定义包的同步或异步业务。

　　在时隙信道中，定义了同步和异步连接。目前，异步连接对有无2/3率FEC编码方式的负载都支持，还可进行单时隙、3时隙、5时隙的数据包。异步连接最大用户速率为723.2kb/s，这时，反向连接速率可达57.6kb/s。通过交换包长度和依赖于连接条件的FEC编码，自适应连接可用于异步链，依赖有效的用户数据，负载长度可变。然而，最大长度受限于RX和TX之间最少交换时间（200μs）。对于同步连接，仅定义了单时隙数据包传输，负载长度固定，可以有1/3率、2/3率或无FEC。同步连接支持全双工，用户速率双向均为64kb/s。

5.以物理连接类型建立连接

　　蓝牙技术支持同步业务（如话音信息）和异步业务（如突发数据流），定义了两种物理连接类型：同步面向连接的连接（SCO）和异步无连接的连接（ACL）。SCO为主单元与从单元的点对点连接，通过在常规时间间隔内预留双工时隙建立起来。ACL是微微网中主单元到所有从单元的点到多点连接，可使用SCO连接未用的所有空余时隙，由主单元安排ACL连接的流量。微微网的时隙结构允许有效地混合利用异步和同步连接。

　　专用系统设计中的关键问题是如何在单元间找到对方，并建立连接。在蓝牙系统中，建立连接分为扫描、呼叫和查询三步。在空闲模式下，一单元保持休眠状态，以节省能量，但为了允许建立连接，该单元必须经常侦听是否有其它单元欲建立连接。在实际的专用系统中，没有通用的控制信道（一个单元为侦听呼叫信息而锁定），这在常规蜂窝无线系统中是很普遍的。而在蓝牙系统中，一单元为侦听其标志而周期性被唤醒，当一蓝牙单元被唤醒时，便开始扫描，打开与从自身标志得到的接入码相匹配的滑动相关器。扫描窗稍微超过10ms，每次单元被唤醒，扫描不同的跳频（规则要求不允许设固定的唤醒频率，可免除干扰）。蓝牙的唤醒跳频序列的数量仅为32跳，循环使用，覆盖整个80MHz带宽中的64MHz。序列是伪随机的，在每一蓝牙设备中都是唯一的。序列从单元标志中得到，序列的相位由单元中的自行时钟决定。在空载模式下，要注意功率消耗和响应时间的折中选择：增加休眠时间可降低功耗，但会延长接入时间，由于不知道空闲单元在哪一频率上何时被唤醒，想要连接的单元必须解决时频不定问题。无线单元大部分时间处于空闲模式，这种不确定的任务应由呼叫单元来完成。假定呼叫单元知道欲连接单元的标志，也知道唤醒序列产生用于呼叫信息的接入码，在不同频率上，每1.25ms呼叫单元重复发送接入码，对于一次响应，需发送和监听两次接入码。

　　将连续接入码发送到不同唤醒序列所选择的跳频上。在10ms周期内，访问16个不同跳频载波，为唤醒序列的一半。在空闲单元的休眠期内，呼叫单元在16个频率上循环发送接入码，空闲单元被唤醒后，将收到接入码，并开始建立连接。然而，因为呼叫单元不知道空闲单元的相位，32个跳频唤醒序列中的其余16个频率也可能被唤醒。若呼叫单元在相应的休眠期内收不到空闲单元的响应，它将会在其余的一半跳频序列载波上重复发送接入码。因此，最大的接入码延迟为休眠时间的两倍。当空闲单元收到呼叫信息后，会返回一个提示呼叫单元的信息，即从空闲单元标志中得到的接入码。然后，呼叫单元发送一个FHS数据包给空闲单元，包含呼叫单元的全部信息（标志和时钟）。呼叫单元和空闲单元用该信息建立微微网，此时呼叫单元用其标志和时钟定义FH信道为主单元，而空闲单元成为从单元。

　　上述呼叫过程建立在呼叫单元完全不知道空闲单元时钟信息的假设上。如果两单元间建立过联系，呼叫单元会对空闲单元时钟有一估计。当单元连接时，将交换时钟信息，存储各自自由运行本地时钟间的补偿时间。这种补偿仅在建立连接时准确，当连接释放后，由于时钟漂移，补偿信息变得不可靠。补偿的可靠性与最后一次连接后的时间长度成反比。

　　建立连接时，接收标志用于决定呼叫信息和唤醒序列。若不知道该信息，欲进行连接的单元可发布一查询消息，让接收方返回其地址和时钟信息。在查询过程中，查询者可决定哪个单元在需要的范围内，特性如何。查询信息也为一接入码，但从预留标志（查询地址）得到。空闲单元根据32跳的查询序列侦听查询信息，收到查询信息的单元返回FHS包。对于返回的FHS包，采用一随机阻止机制，防止多个接收端同时发送。

　　在呼叫和查询过程中，使用了32跳载波。对于纯跳频系统，最少要使用75跳载波。然而，在呼叫和查询过程中，仅有一个接入码用于信令。接入码用作直接序列编码，得到由直接序列编码处理增益结合32跳频序列的处理增益，可满足混合DS/FH系统规定所要求的处理增益。因此，在呼叫和查询过程中，蓝牙系统是混合DS/FH系统；而在连接时，为纯FH系统。

6.纠错

　　蓝牙系统的纠错机制分为FEC和包重发。FEC支持1/3率和2/3率FEC码。1/3率仅用3bit重复编码，大部分在接收端判决，既可用于数据包头，也可用于SCO连接的包负载。2/3率码使用一种缩短的汉明码，误码捕捉用于解码，它既可用于SCO连接的同步包负载，也可用于ACL连接的异步包负载。使用FEC码，编/解码过程变得简单迅速，这对RX和TX间的有限处理时间非常重要。

　　在ACL连接中，可用ARQ结构。在这种结构中，若接收方没有响应，则发端将包重发。每一负载包含有一CRC，用来检测误码。ARQ结构分为：停止等待ARQ、向后N个ARQ、重复选择ARQ和混合结构。为了减少复杂性，使开销和无效重发为最小，蓝牙执行快ARQ结构：发送端在TX时隙重发包，在RX时隙提示包接收情况。若加入2/3率FEC码，将得到I类混合ARQ结构的结果。ACK/NACK信息加载在返回包的包头里，在RX/TX的结构交换时间里，判定接收包是否正确。在返回包的包头里，生成ACK/NACK域，同时，接收包包头的ACK/NACK域可表明前面的负载是否正确接收，决定是否需要重发或发送下一个包。由于处理时间短，当包接收时，解码选择在空闲时间进行，并要简化FEC编码结构，以加快处理速度。快速ARQ结构与停止等待ARQ结构相似，但时延最小，实际上没有由ARQ结构引起的附加时延。该结构比向后N个ARQ更有效，并与重复选择ARQ效率相同，但由于只有失效的包被重发，可减少开销。在快速ARQ结构中，仅有1bit序列号就够了（为了滤除在ACK/NACK域中的错误而正确接收两次数据包）。

7.功率管理

　　在蓝牙系统的设计中，需要特别注意减少电流消耗。在空闲模式下，在T从1.28~3.84s区间内，单元仅扫描10ms,有效循环低于1％。在一个PARK下，有效循环可减少更多，但PARK模式仅在微微网建立之后使用，从单元可停下工作，即以非常低的有效循环来侦听信道。从单元仅需侦听接入码和包头来重新使时钟同步，决定是否可重新进入休眠状态。因为在时间和频率上都已确定（不工作的从单元被锁定到主单元，与无线和蜂窝电话被锁定到基站类似），所以可达到非常低的有效循环。在连接中，另一非功耗模式是SNIFF模式，在这种模式下，从单元不是每一主/从时隙内都扫描，因此扫描之间有较大的问题。

　　在连接状态下，数据仅在有效时发送，使电流消耗最小，且可防止干扰。若仅有连接控制信息要传送（ACK/NACK），则将发送一没有负载的空包。因为NACK为省缺设置，NACK的空包不一定要发送。在长静音期内，主单元隔一定时间在信道上重发一个数据包，使所有从单元对其时钟重新同步，对时间漂移进行补偿。在连接的TX/RX操作中，一单元开始扫描始于RX时隙的接入码，若未找到该接入码的某窗口，则该单元返回休眠状态，直到下一个TX时隙（对主单元）或RX时隙（对从单元）；若接入码被接收（即接收信息与要求的接入码匹配）。包头被解码。若3bit从单元地址与接收到的不匹配，进一步的接收将停止，包头用于表示包的类型和包的持续时间，由此，非接收方可决定休眠时间。

8.微微网间通信

　　蓝牙系统可优化到在同一区域中有数十个微微网运行，而没有明显的性能下降（在同一区域的多个微微网称为分散网）。蓝牙时隙连接采用基于包的通信，使不同微微网可互联。欲连接单元可加入到不同微微网中，但因无线信号只能调制到单一跳频载波上，任一时刻单元只能在一微微网中通信。通过调整微微网信道参数（即主单元标志和主单元时钟），单元可从一微微网跳到另一微微网中，并可改变任务。例如某一时刻在微微网中的主单元，另一时刻在另一微微网中为从单元。主单元参数标示了微微网的FH信道，因此一单元不可能在不同的微微网中都为主单元。跳频选择机制应设计成允许微微网间可相互通信，通过改变标志和时钟输入到选择机制，新微微网可立即选择新的跳频。为了使不同微微网间的跳频可行，数据流体系中没有保护时间，以防止不同微微网的时隙差异。在蓝牙系统中，引入了HOLD模式，允许一单元临时离开一微微网而访问另一微微网（HOLD也可在离开后无新的微微网访问期间作为一附加低功率模式）。

摘自“WLAN与蓝牙在线”