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藍牙技術如何從不可靠的無線電通信中創造可靠

2020-11-23 來源:EEWORLD

本文編譯自bluetooth.com官方博客


具有藍牙功能的設備即使在最具復雜的情況下也能夠實現高度可靠的通信。藍牙技術在每一層設計時都考慮了可靠性,并采用了多種技術來降低遭受干擾的可能性。 


最近,藍牙特殊興趣小組(SIG)的開發人員關系經理Martin Woolley發表了一篇探討藍牙技術可靠性的論文。在對藍牙可靠性的深入探討中,Woolley解釋了盡管無線電固有的不可靠特性,藍牙技術通過什么技術建立可靠的連接。  


以下是論文摘要


從不可靠的基礎創建可靠性


藍牙技術使用無線電,并且無線電不可靠,但是藍牙通信效果很好,那么如何解釋這種明顯的矛盾呢?答案在于藍牙通信系統設計的各個方面,包括其無線電的使用及其協議。 


藍牙技術是一種模塊化系統,并且可能有多個堆棧配置。


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圖:支持藍牙網格的堆棧配置


智能手機和可連接的外圍設備將包括帶有主機組件的低功耗藍牙(LE)控制器,該主機組件支持通用訪問配置文件(GAP)和通用屬性配置文件(GATT)以及諸如屬性協議(ATT)和安全管理器協議(SMP)。


藍牙Mesh網絡還將包含藍牙LE控制器,但主機部分將包含藍牙Mesh網絡堆棧的各層。


無論堆棧配置如何,每一層都有明確定義的職責以及將數據傳遞到上方和下方相鄰層的方法。藍牙技術的特征緩解或減少了某些類型的潛在可靠性問題的可能性,這些特征存在于堆棧的各個部分。一些此類機制適用于藍牙技術的所有可能使用,而其中某些機制僅適用于特定情況。


一般適用的特征和緩解技術


我們將首先預覽通常適用于所有情況的藍牙技術的可靠性增強功能。圖示為藍牙空中接口分組。


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包含ATT PDU的藍牙數據包示例


藍牙調制方案


藍牙技術的可靠性始于最根本的問題,涉及如何將無線電用作數字數據載體。在藍牙堆棧中,這些問題在物理(PHY)層中處理。 


物理層必須處理的主要問題之一是能夠識別藍牙無線電傳輸并正確提取編碼為信號的數據。這是邁向可靠性之路的絕對基礎。


無線電是一種模擬的物理現象。物理學家通常根據電波來模擬無線電信號。無線電波具有電磁能,并且具有一系列基本特性,包括振幅,波長和頻率。以某種方式使用波的基本屬性來編碼信息的策略稱為調制方案。有許多調制方案,有些使用信號幅度的變化;有些則使用變化的幅度;有些使用無線電相位編碼信息;有些使用頻率變化。


當可靠性是無線電通信系統的重要設計目標時,某些調制方案要優于其他方案。基于幅度的調制方案在某種程度上容易受到噪聲引起的干擾,而基于頻率的方案則在這方面較不易受到影響。


基本波特性


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頻率特性


藍牙技術使用一種特殊的二進制頻移鍵控調制方案,稱為高斯頻移鍵控(GFSK)。這是一種二進制調制方案,因為每個符號僅代表一個值為零或一的位。 


二進制頻移鍵控通過選擇一個稱為載波的中心頻率,然后將其上移給定的頻率偏差以表示1或將其下移相同的頻率偏差以表示0,從而對數字數據進行編碼。藍牙核心規范中指定了允許的許可數量,具體取決于所選的符號率,即藍牙LE中的1或2兆符號每秒(Msym / s)。對于1 Msym / s的符號率,指定的最小頻率偏差為185 kHz,而對于更快的符號率,則指定的最小頻率偏差為370 kHz。仔細選擇這些值可以幫助可靠地識別編碼的1和0。  


根據定義,頻移鍵控(FSK)調制方案在每次符號值更改時都涉及頻率更改。頻率的突然變化會產生噪聲及干擾。此外,在實際電路中,存在頻譜泄漏的可能性,其中信號會無意中溢出到其他頻率,這使得在接收機處對其進行解碼更加困難。


藍牙技術通過使用高級FSK調制方案來減少干擾。GFSK的高斯方面通過包括一個濾波器來修改標準的FSK方法,該濾波器可使頻率轉換更平滑,從而使噪聲更小,頻譜寬度更窄,從而減少了對其他頻率的干擾。


前導


在所有藍牙的第一個LE數據包被稱為前導。它是8位長,包含二進制1和0的交替模式。其目的是為接收器提供可用于查找在分組其余部分中用于編碼數字1和0的頻率的信息。無線電的自動增益控制也可以使用它來優化信號強度。準確建立信號中使用的頻率并將無線電參數設置為最佳狀態是確保可靠接收數據包的第一步。 


訪問地址


當藍牙控制器正在偵聽數據的信道,它將接收由該信道定義的頻率范圍內的所有無線電信號。收到的信號可能是: 

 

發送到此設備的藍牙數據包

不適用于此設備的藍牙數據包

與其他無線通信技術有關的數據包,它們在相同的ISM頻帶中運行并且使用當前正在掃描的藍牙無線電信道中的頻率


背景噪音


藍牙控制器必須能夠區分準確信號,并準確挑選出對發送到該設備的藍牙數據包進行編碼的信號。其他任何事情都必須忽略。


所有藍牙數據包都包含一個32位訪問地址,該地址幾乎可以肯定地允許藍牙信號在最早的機會被快速拾取,而其他信號則被立即丟棄。  


訪問地址有兩種類型。廣告鏈訪問地址是0x8E89BED6的固定值,其中大部分被數據包使用。選擇該值是因為它具有良好的關聯。關聯是用于識別信號中特定模式的數學過程。   


在兩個連接的設備之間進行通信期間交換的數據包包含一個訪問地址,該地址由鏈路層分配,該值唯一地標識與該連接有關的所有數據包。這些生成的訪問地址值在很大程度上是隨機的,但要遵守其他規則,這些規則旨在提高正確識別訪問地址的可靠性。

  

與不同的周期性廣告鏈和不同的B路播同步流(BIS)相關的數據包均具有唯一的訪問地址。訪問地址允許選擇與接收設備有關的信號。藍牙協議棧的鏈路層負責檢查訪問地址。

       

由于訪問地址的32位長度,將隨機的背景電磁噪聲誤認為是藍牙信號的可能性非常小。萬一隨機背景噪聲的模式與與接收器相關的訪問地址匹配,則進一步的位流處理將迅速確定它不是有效的藍牙數據包。


快速選擇相關信號并丟棄其他信號是藍牙接收器操作的另一個關鍵步驟,有助于可靠的通信。


循環冗余校驗(CRC)


所有藍牙數據包均包含循環冗余校驗(CRC)字段,該字段顯示在數據包末尾或附近。CRC是一種常用的機制,用于檢測由于沖突等問題而意外更改了傳輸數據的情況。  


當鏈路層制定新的數據包時,通過將CRC算法應用于數據包中的其他位來計算CRC值。然后將所得的24位值添加到數據包中。接收到數據包后,接收設備中的鏈路層會重新計算CRC,并將結果與接收到的數據包中包含的CRC值進行比較。如果兩個值不相同,則得出結論,所發送的分組中的一個或多個比特已被改變并且該分組被丟棄。


應當指出,CRC不是安全機制,因為可以故意更改數據包并且很容易重新計算CRC。


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圖 具有MIC字段的加密的藍牙LE數據包


消息完整性代碼(MIC)


藍牙 LE數據包要進行加密。所有加密的數據包都包含一個稱為消息完整性檢查(MIC)的字段。實際上,MIC是消息驗證碼,但是由于首字母縮寫詞MAC在通信領域還有其他用途,因此在藍牙規范中,使用了MIC 。    

  

MIC本身不是可靠性功能。這是一種安全功能,其目的是能夠檢測到故意篡改數據包內容的企圖。但是,由于我們對可靠性的非正式定義的一部分是,傳輸的數據應該是接收到的數據,并且我們承認更改可能是無意的或有意的,因此出于完整性考慮,在此將其包括在內。


畢竟,不安全的溝通不可以被認為是可靠的。


擴頻


藍牙技術使用2.4GHz ISM無線電頻段。2.4 GHz ISM并未定義單個頻率,而是定義了一個頻率范圍,在這種情況下,頻率范圍始于2400 MHz,結束于2483.5 MHz。與藍牙LE一起使用時,此頻率范圍分為40個通道,每個通道2 MHz寬。藍牙BR / EDR將其分為80個1 MHz寬度的通道。 


從通道零開始,對每個通道進行編號。頻道零的中心頻率為2402 MHz,在界定頻道零的最低頻率與ISM 2.4 GHz頻帶的起點之間留有1 MHz的間隔。通道39的中心頻率為2480 MHz,與ISM 2.4 GHz頻帶的末端之間留有2.5 MHz的間隙。


下圖描繪了將ISM頻段劃分為藍牙LE使用的無線電信道。請注意,通道號始終以從0到39的連續順序遞增,通道索引則以略有不同的方式分配給ISM通道集。   


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圖 ISM 2.4 GHz頻段內的藍牙LE通道


藍牙數據通信使用多個無線電信道,使用多個無線電信道使藍牙通信在可能發生沖突和干擾的繁忙無線電環境中高度可靠。


以這種方式使用多個頻率稱為擴頻技術,在不同情況下,如何使用擴頻技術的細節各不相同。

  

解決共存和并置問題


許多不同的無線電技術同時使用相同的無線電頻段帶來了潛在的挑戰。一種技術可能會干擾另一種技術的傳輸,這些問題統稱為共存問題。藍牙技術,Wi-Fi,無繩DECT電話甚至微波爐都在2.4 GHz ISM頻段內運行,因此這些技術和設備類型之間可能存在共存問題。

    

共存問題主要通過使用擴頻技術在藍牙中解決。通過在這種情況下在藍牙中使用擴頻技術的特定方式連接兩個設備時,可以實現更高的可靠性。 


并置是一個術語,用于描述同一設備內存在多個無線電,每個無線電都支持不同的通信技術或一組技術。設備中不同無線電之間存在一定的干擾范圍。在4G移動電話系統中使用的長期演進(LTE)無線電可以在與2.4 GHz ISM頻帶相鄰的頻帶中運行,這引起了潛在的問題,例如阻止一個無線電接收而另一個無線電接收,傳輸。大多數搭配問題不在藍牙核心規范本身的范圍之內,但向實施者提供了建議。緩解措施包括使用濾波器,以減少無線電之間的干擾以及建議實施者適應的無線電時隙調度注意事項。  

 

無線電時隙調度是一個復雜的問題,與確定無線電何時可用和不可用有關。調度的某些方面屬于藍牙核心規范的范圍。與其他無線電設備并置以及其他考慮因素和約束(例如操作系統可能施加的那些因素)有關的問題不會出現。但是,定義了一種稱為插槽可用性掩碼(SAM)的功能,該功能使兩個藍牙設備可以相互提供有關哪些時隙可以使用的信息,并通過考慮這些信息來確定每個設備使用的調度為了避免可能使用與配置相關的干擾的時隙,可以對時隙進行優化。

  

LE編碼的PHY


藍牙 LE提供了使用無線電的三種不同的方式。這三種選擇是物理層的一部分,每一種都以縮寫PHY表示。定義的三個PHY是:  

 

LE 1M – 1 Msym / s符號率

LE 2M – 2 Msym / s符號率

LE編碼–具有前向糾錯(FEC)的1 Msym / s符號率


LE編碼PHY提高了接收器的靈敏度,因此與LE 1M PHY相比,直到接收器與發射器之間的距離更大時,才遇到0.1%的BER。LE編碼與名為S的參數設置為2或8一起使用。當S = 2時,LE編碼大約使通信可靠范圍加倍。當S = 8時,范圍約為四倍。


LE編碼PHY可以在更長的范圍內實現可靠的通信,而不會通過在每個數據包中包含額外的數據來增加傳輸功率,從而可以使用稱為前向糾錯的數學技術來檢測和糾正錯誤。范圍的增加伴隨著數據速率的降低,但是,S = 2產生500 Kb / s,S = 8產生125 Kb / s。


LE編碼PHY的主要目的是增加范圍,但這是通過降低較低信號強度下的誤碼率來實現的,從而使較長范圍內的通信足夠可靠。

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