蓝牙数据传输增强技术研究及其基带芯片设计实现

摘要

蓝牙作为一种短距离无线通信技术，用于实现移动设备与固定设备间的无线数据连接，具有低功耗、低成本、组网简单和适于语音通信等诸多优点，是近年来发展最快的无线通信技术之一。本文以蓝牙技术为研究对象，针对其无线数据传输、组网性能、基带 SoC 系统设计等关键技术和设计方法进行了深入的分析与研究，提出了蓝牙的数据传输增强型方案；分析了蓝牙微微网数据传输性能并提出了改善措施；研究了蓝牙与其他无线设备共存时的数据传输性能；提出了改善蓝牙微微网调度性能的创新算法；最后进行了蓝牙基带芯片的设计。通过对蓝牙无线通信技术从底层芯片级IC设计到上层标准协议实现，以及应用层软件的开发与实现，对全面掌握以蓝牙为代表的无线通信技术提供了有益的参考。
为了提高蓝牙的数据传输性能，在研究现有数据传输性能的基础上，提出了一系列增强型的改进措施。提出了在蓝牙2.0+EDR规范中加入DM数据分组形式，以提高蓝牙数据传输抗干扰能力并增强其数据传输速率；推导出了新增的DM数据分组的分组特性；进而推导出了蓝牙2.0+EDR规范原有的2-DH、3-DH数据分组形式以及新增的2-DM和3-DM数据分组形式在不同信噪比情况下的数据传输速率。
另外，提出了在蓝牙2.0+EDR新规范中加入采用BCH编码的数据分组，以有效地提高蓝牙的数据传输速率以及抗干扰能力；根据蓝牙标准协议对数据包的定义方式推导出了新增的数据分组特性；分析了在AWGN信道下原有的DH分组和新采用 BCH 编码数据分组的数据重传概率与平均接收信噪比之间的关系，并且计算出了各个数据分组在不同信噪比情况下的数据传输吞吐量。通过仿真结果发现，在蓝牙2.0+EDR新规范中采用BCH编码方式，明显地改善了数据传输的抗干扰能力、有效地提高了蓝牙在噪声信道下的数据传输吞吐量。
为了更全面地研究蓝牙的数据传输性能，以瑞利（Rayleigh）准静态衰落信道为信道模型，对蓝牙2.0+EDR规范规定的12种ACL数据分组进行了详细的研究，分析了在瑞利准静态衰落信道下数据分组重传概率与位错误率之间的关系，推导出了蓝牙2.0+EDR规范用到的GFSK、π/4-DQPSK、8DPSK三种调制方式的位错误率(BER)与不同信噪比间的关系，进而推导出了蓝牙2.0+EDR规范12种ACL数据分组形式在不同信噪比情况下的数据传输速率，最后给出了仿真计算结果，为相关领域的研究提供了有益的参考。
对蓝牙的数据广播性能进行了分析和研究。为了提高蓝牙在噪声环境下的广播性能，提出了一种自适应的数据分组选择策略，通过在不同的信噪比下选择相应的数据分组类型进行广播从而获得最大的广播传输吞吐量，同时给出了不同分组类型切换的信噪比门限值。另外，提出了对蓝牙广播数据分组采用 BCH 码进行纠错编码的方法。根据蓝牙广播数据分组重传概率与平均接收信噪比的关系，分别推导出了采用 BCH 纠错编码的广播数据分组和蓝牙原有的广播数据分组在噪声信道下的自适应分组选择策略，即通过在不同的信噪比情况下选择相应的数据分组类型进行传输以得到最少的广播重传次数和最大的传输吞吐量。通过比较结果表明采用BCH纠错编码方法的广播性能要明显优于蓝牙原有数据分组的广播性能。
在实际的数据传输应用中，经常会有几个蓝牙微微网共存的情况，论文研究了分组长度对蓝牙微微网数据传输性能的影响，建立了相应的数学模型对其进行仿真分析，从仿真结果可以发现，并非载荷越长就能实现越高的传输吞吐量，因为在一定的信噪比条件下，数据分组载荷越长，重传就越容易发生，从而降低系统传输吞吐量。只有针对不同的信噪比，选择合适长度的数据载荷，才能达到最高的系统传输吞吐量。
工作在ISM频段，蓝牙设备经常受到其他工作在相同频段的无线通信设备的干扰，特别是与Wi-Fi设备的共存已经成为常态。本文建立了IEEE802.11b(Wi-Fi)对蓝牙数据传输干扰的数学模型，通过分析蓝牙与Wi-Fi设备在时间和频率上的冲突，计算了Wi-Fi直接序列扩频对蓝牙跳频系统的干扰概率。在分析蓝牙数据分组特性的基础上，提出了在Wi-Fi干扰情况下蓝牙数据分组重传概率的数学模型，推导出蓝牙与Wi-Fi共存时的数据传输性能，包括数据传输吞吐量和延时等。
蓝牙微微网调度采用纯循环轮询的方案，但是这种方案只保证了公平，却忽视了效率。论文提出了一种基于记忆的动态轮询方案调度算法，与纯循环轮询方案（PRR）、限制循环轮询方案（LRR）和限制加权循环轮询方案（LWRR）在系统传输吞吐量和平均延时性能两个方面进行了对比，仿真结果表明本论文提出的方案在提高系统吞吐量的同时，降低了延时；提高了调度效率，同时兼顾了公平性，明显优于其它调度方案。
最后，在分析蓝牙基带协议的基础上，进行了蓝牙基带芯片的IP设计，并在综合了课题组其他成员基带IP设计成果的基础上，完成了蓝牙基带SoC系统的设计和集成；通过软硬件联合仿真平台，验证了蓝牙 SoC 系统的设备查询、ACL 和SCO链路建立等业务功能；搭建了蓝牙SoC系统验证平台，对标准蓝牙基带设计进行了实测，结果表明所设计的蓝牙基带 SoC 系统正确实现了标准蓝牙数据通信功能。