藍牙無線連接可靠性的研究與實現(xiàn)
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1 引言
藍牙（Bluetooth ）是一種低成本、短距離的無線連接技術標準。它是由愛立信（Ericsson ) ，國際商用機器（IBM ) ，英特爾( Intel ) ，諾基亞（Nokia ）和東芝（Toshiba ) 5 家公司共同倡導的一種全球無線技術標準。其目的就是將智能移動電話與筆記本電腦、掌上電腦以及各種數(shù)字信息的外部設備用無線方式連接起來。目前，無線連接飛速普及、大受歡迎，藍牙技術的廣泛應用對無線移動數(shù)據(jù)通信將起到巨大的促進作用。
2藍牙無線頻段的選擇和抗干擾
藍牙技術采用2400～2483.5MHz 的ISM （工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻段，這是因為：
( l ）該頻段內(nèi)沒有其它系統(tǒng)的信號干擾，同時頻段向公眾開放，無須特許；
( 2 ）該頻段在全球范圍內(nèi)有效。
此時，抗干擾問題便變得非常重要。因為2400～2483.5MHz ISM 頻段為開放頻段，使用其中的任何頻段都會遇到不可預測的干擾源（如某些家用電器、無繩電話和汽車開門器等），此外，對外部干擾源和其它藍牙設備的干擾也應作充分估計。
抗干擾方法分為避免干擾和抑制干擾。避免干擾可通過降低各通信單元的信號發(fā)射電平來達到；抑制干擾則通過編碼或直接序列擴頻來實現(xiàn)。然而，在不同的無線環(huán)境下，專用系統(tǒng)的干擾和有用信號的動態(tài)范圍變化極大。在超過50dB 的遠近比和不同環(huán)境功率差異的情況下，要達到1Mb/s 以上速率，僅靠編碼和處理增益是不夠的。相反，由于信號可在沒有干擾時（或干擾低時）發(fā)送，故避免干擾更容易一些。若采用時間避免干擾法，當遇到時域脈沖干擾時，發(fā)送的信號將會中止。另一方面，大部分無線系統(tǒng)是帶寬受限的，而在2.45 GHZ 頻段上，系統(tǒng)帶寬為80MHz，可找到一段無明顯干擾的頻譜，同時利用頻域濾波器對無線頻帶其余頻譜進行抑制，以達到理想效果。因此，以頻域避免干擾法更為可行。
3藍牙基帶協(xié)議中的可靠性措施
藍牙基帶協(xié)議把保證藍牙無線連接的可靠性放在了至關重要的位置上，確保匹克網(wǎng)內(nèi)各藍牙設備之間由射頻構成可靠的物理連接。實際上，為了提高藍牙無線連接的可靠性，以較小的開銷有效地降低誤碼率、切實提高藍牙無線連接的可靠性，藍牙基帶協(xié)議中定義了一系列提高藍牙無線連接可靠性的措施，主要包括：差錯檢測和校正、進行數(shù)據(jù)編解碼、差錯控制、數(shù)據(jù)加噪等。下面，我們對這些可靠性措施一一進行闡述：
3.1 藍牙基帶協(xié)議中的差錯控制方案
在藍牙基帶協(xié)議中采用的差錯控制方案有：1/3 比例前向糾錯碼（FEC)；2/3比例前向糾錯碼（FEC)；數(shù)據(jù)的自動重傳請求（ARQ, Automatic Repeat Request）方案。
其中，F(xiàn)EC（前向糾錯）的目的是為了減少數(shù)據(jù)載荷重發(fā)的次數(shù)，使用FEC碼，檢錯、糾錯以及編解碼的過程變得簡單迅速，這對RX 和TX 間的有限處理時間非常重要。但是，采用FEC的缺點是還是會降低實際數(shù)據(jù)傳輸速率。所以，在糾錯要求不高的環(huán)境中，可以不采用FEC。藍牙規(guī)范基帶協(xié)議中的分組的定義對于在有效載荷中是否采用FEC 給出了相當?shù)撵`活度，由此而定義了ACL鏈接中使用的DM 和DH分組以及SCO鏈接中使用的HV分組。分組頭通常采用1/3比例前向糾錯碼保護，它含有很重要的鏈接信息，能夠容忍多位錯誤。
3.1.1 1/3 比例前向糾錯碼（FEC)
在這種3位重復方案中，分組頭中的每一位都重復三次。主要用來屏蔽頭中的錯誤，因為分組頭中包含有重要的連接信息。實際上在整個分組頭里都采用了三位重復碼。在這種3 位重復方案中，重復碼大部分在接收端判決，既可用于數(shù)據(jù)包頭，也可用于SCO鏈接的分組。例如，在SCO鏈接中使用的HV1分組里的話音段中也采用了這種編碼格式。
3.1.2 2/3比例前向糾錯碼（FEC)
在這一方案中，采用了一種（15, 10）精簡的（縮短的）漢明碼表示方式。每10個信息位被編碼為15位的碼字，生成多項式為：g（D）= (D+1) (D4+D+1)。此類錯誤校正方法主要用來以最可靠的方式來發(fā)送數(shù)據(jù)分組。該方案能夠在各代碼字中糾正所有奇數(shù)位錯和檢測所有偶數(shù)位錯，誤碼檢測用于數(shù)據(jù)糾錯。它既可用于SCO鏈接的同步分組，也可用于ACL 鏈接的異步分組。具體而言，2/3比例前向糾錯碼可用于DM分組、DV分組中的數(shù)據(jù)段、FHS 分組以及SCO鏈接中使用的HV2分組中。由于編碼器采用長度為10 的信息段，所以值為O的尾位可附加在CRC位之后。而所有需要編碼的位數(shù)（即：有效載荷頭、用戶數(shù)據(jù)、CRC和尾部數(shù)位）必須是10 的整倍數(shù)。通常是用線性反饋移位寄存器LFSR來生成2/3比例前向糾錯碼。
3.1.3 自動重傳請求（ARQ）
在藍牙無線連接中，為了保證可靠傳送，常用做法是采用自動重傳請求（ARQ）方案，由接收方發(fā)回特殊的控制幀，作為對輸人肯定或否定性的確認（ACK/NACK)。如果出現(xiàn)丟幀或丟掉確認消息的情況，則計時器在超時后會發(fā)出超時信號，提醒發(fā)送方可能出現(xiàn)了問題，必須重傳此幀。而且收方必須能夠辨別收到的是重復幀還是新幀。
在藍牙采用的ARQ方案中，藍牙的DM、DH和DV分組的數(shù)據(jù)段可以進行傳輸或重發(fā)，直到收端返回成功接收確認信息（或超時）為止。該確認信息包含在返回分組頭里，即捎帶( Piggy backing) 。為了確定有效載荷正確與否，循環(huán)冗余校驗碼應該加載于有效載荷中。ARQ方案只工作在分組的有效載荷上（僅針對具有CRC的有效載荷）。分組頭和話音有效載荷不受ARQ 保護。
藍牙使用快速、無編號確認方案。為了應答前次接收分組，應返回ACK (ARQN=1）或NAK (ARQN=0)。在返回分組的分組頭里，生成ACK / NACK 域，同時，接收分組的分組頭中的ACK / NACK域可表明前面的負載是否正確接收，決定是否需要重發(fā)或發(fā)送下一個分組。從單元將在主-從時隙后緊跟在從-主時隙中進行應答。主單元則將在下一個事件中應答，該事件將給出同一從單元地址。由于處理時間短，當分組接收時，解碼選擇在空閑時間進行，并要簡化FEC編碼結(jié)構，以加快處理速度?？焖貯RQ方案與停止等待ARQ方案相似，但時延最小，實際上沒有由ARQ方案引起的附加時延。該結(jié)構比退后n幀ARQ更有效，并與選擇重傳ARQ 效率相同，但由于只有失效的分組被重發(fā)，可減少開銷。
在快速ARQ方案中，收方為了辨別是重復幀還是新幀（即過濾重傳數(shù)據(jù)），頭部將附加SEQN位。通常，每次新的CRC數(shù)據(jù)有效載荷傳輸，SEQN位將交替變化。而在重傳中，SEQN位不發(fā)生變化。這樣，通過辨認SEQN位是否發(fā)生變化，收方即可辨別出是重復幀還是新幀。
3.2 藍牙基帶協(xié)議中的錯誤校驗
在藍牙無線連接中，至少應該對HEC進行分組頭校驗。另外，必要時其有效載荷也必須進行CRC校驗。使用分組頭HEC信息和有效載荷中的CRC信息，可以檢測分組錯誤和傳輸錯誤。
3.2.1 分組頭HEC檢測
為了檢測藍牙分組頭，每個分組頭的最高8位定義為HEC ( Header-Error-Check，頭部錯誤檢測）信息。HEC由多項式647（八進制數(shù)）生成，在生成HEC之前，HEC生成器用一個8 位值來初始化。在初始化后，對分組頭的其它10位進行計算，得到8位的HEC值。另外，在接收方校驗HEC之前，也必須先進行適當?shù)某跏蓟?。在接收分組時，首先校驗的是訪問碼，由于在信道訪問碼中的64位同步字來源于24位主單元的低地址部分（LAP)，這樣就可以校驗LAP是否正確，并可以防止接收方接收來自其它匹克網(wǎng)的分組。
3.2.2 有效載荷的CRC校驗
CRC校驗即循環(huán)冗余碼校驗，是一種常用的檢錯編碼，而且已經(jīng)有相應的國際標準,如CRC-CCITT。在藍牙無線連接中，發(fā)送方按照國際標準CRC-CCITT ，即g (D) = ( D + 1 ) ( D7 +D4+D3+D2+D+1)，并用線性反饋移位寄存器LFSR硬件電路生成有效載荷（數(shù)據(jù)信息）的CRC校驗碼，附加在數(shù)據(jù)信息后面構成完整的數(shù)據(jù)幀，由接收方在接收時檢查。若出錯，返回NAK，發(fā)送方收到NAK 后重發(fā)該數(shù)據(jù)幀。
3.3 藍牙基帶協(xié)議中的其它可靠性措施
3.3.1 教據(jù)加噪
所有的分組頭和載荷信息在發(fā)送前都要利用數(shù)據(jù)加噪字進行加噪處理。這主要是為了避免在傳輸過程中出現(xiàn)過長的連續(xù)0或1的位流模式。基帶處理器需要從接收到的模擬數(shù)據(jù)信號中判斷數(shù)據(jù)是0還是1，但過長的連續(xù)0或1位流會造成問題。因為在接收到的模擬數(shù)據(jù)信號中并不存在象直流信號中那樣的參考點，因此必須依靠接收到的最后幾個傳輸信號進行校正。任何連續(xù)的0或1的長序列位流串都可能導致校正失敗。因此需要采用數(shù)據(jù)加噪技術對信號進行擾碼處理，以大大降低出現(xiàn)長序列0或1位流串的可能性。
在藍牙無線連接的發(fā)送方，這種加噪過程先于FEC編碼完成。在接收端，接收數(shù)據(jù)使用相同的數(shù)據(jù)加噪字進行還原處理，該還原處理在FEC解碼后完成。
3.3.2 鏈路監(jiān)測
在無線連接中，有很多原因能夠引起連接中斷，比如，設備關閉、設備移出了藍牙通信范圍。而且在連接中斷發(fā)生時，通常不會有任何提前報警，所以，在藍牙主、從單元兩端對鏈路進行監(jiān)測是非常必要的。
為此，在藍牙主、從單元均使用鏈路監(jiān)測定時器。一旦收到經(jīng)過HEC校驗的分組和正確的藍牙活動成員地址（AMADDR)，定時器就復位。如果在連接狀態(tài)的任何時刻，定時器達到閾值（該閾值可協(xié)商），則連接復位。SCO和ACL 連接使用同一閾值。這樣，就能夠在藍牙主、從單元兩端對鏈路進行監(jiān)測了。
4 藍牙鏈路管理層（LM）中的可靠性措施
類似地，在藍牙鏈路管理層（LM ）中，也定義有保證可靠的無線連接的措施。
在藍牙接收和發(fā)送設備的鏈路管理層之間是通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）來相互通信的。PDU 由操作碼、事件ID和內(nèi)容參數(shù)組成，其中，7 位操作碼用來標識不同類型的PDU。
如果鏈路管理器收到不能識別操作碼的PDU，就用LMP no accepted協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）應答，并且LMP no accepted PDU中含有原因碼unknown LMP PDU。而且返回的操作碼參數(shù)同樣也是不能夠識別的操作碼。如果鏈路管理器收到含有無效參數(shù)的PDU，就用LMP no accepted PDU應答，并且LMP no accepted PDU中含有原因碼invalid LMP PDU（無效LMP 參數(shù)）.
某一方在等待對方響應時，如果發(fā)現(xiàn)超過了最大響應時間或者檢測到鏈路丟失，等待應答的一方就可以認為該過程已經(jīng)終止。
信道出錯或發(fā)送方系統(tǒng)出錯都會引起發(fā)送錯誤的消息。為了檢測后一種情況，LM應監(jiān)測錯誤消息數(shù)量，一旦超過閾值就將其斷開，該閾值可根據(jù)實際情況進行設置。
由于無法實時地截獲PDU，在鏈路兩端的LM都對同一過程進行初始化而且都沒有成功時，很可能會發(fā)生沖突。這時，主單元將通過發(fā)送含有原因碼“LMP Error Transaction Collision ”的LMP no accepted PDU，中止從單元的初始化過程，從而保證主單元的初始化過程能夠順利進行。
5 藍牙應用層中可采用的可靠性措施
5.1 穩(wěn)定、可靠的藍牙文件傳輸協(xié)議：RBTFT
藍牙的文件傳輸是通過RFCOMM協(xié)議建立一條端到端的連接。所以在藍牙RFCOMM協(xié)議的基礎之上建立了本文所描述的藍牙的文件傳輸協(xié)議，稱之為RBTFT（表示為Reliable Bluetooth File Transfer)，其主要目標是在藍牙設備之間建立一條可靠的無線連接通道，進行可靠的文件傳輸。該協(xié)議目前的開發(fā)是采用VC+ +，應用平臺為WIN98/2000/NT，但作為RBTFT 協(xié)議的本身不受具體編程語言及操作系統(tǒng)所限制。
RBTFT 協(xié)議支持一次傳輸多個文件、斷點續(xù)傳和CRC校驗。其設計思想是基于幀傳輸方式，即在發(fā)送數(shù)據(jù)時是一幀一幀地發(fā)送，為保證可靠的傳輸，RBTFT協(xié)議對RBTFT幀進行了精心的定義，RBTFT 幀由報頭、數(shù)據(jù)子包組成，報頭指明幀類型（有些幀是不帶數(shù)據(jù)的命令幀、信息幀，如BTFNAK ) ，還攜帶CRC校驗信息。而數(shù)據(jù)子包還有不同的子包結(jié)束符，指明后面是否有后續(xù)包等。在進行數(shù)據(jù)傳輸時，采用發(fā)送/應答／握手／失敗方式，即發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，一個應答，若應答沒收到，重新進行協(xié)商握手，握手失敗則向應用程序報告錯誤。
在利用RBTFT 協(xié)議進行實際的文件傳輸時，首先第一步是進行串口初始化操作，在串口初始化成功時，通過異步消息RBTFT C0NNECT向應用程序報告，表示一條通信鏈路建立完畢。開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，應用程序根據(jù)內(nèi)部緩沖區(qū)的大小決定每次真正可發(fā)送的數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)將被存儲在內(nèi)部緩沖區(qū)內(nèi)，按照RBTFT協(xié)議，內(nèi)部緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)分割成一幀一幀并加人幀信息和CRC校驗信息，每一幀將調(diào)用內(nèi)部線程發(fā)送數(shù)據(jù)，當內(nèi)部緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢（即內(nèi)部緩沖區(qū)為空）時，則向應用程序發(fā)送消息表示內(nèi)部緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢，應用程序?qū)⒖衫^續(xù)發(fā)送其余的數(shù)據(jù)。在接收方，每到達一幀時，接收方就判讀幀信息、對到達的數(shù)據(jù)進行接收并進行CRC校驗，若發(fā)生錯誤則通過RBTFT協(xié)議所定義的方式進行重發(fā)或協(xié)商，當通信能繼續(xù)則不向應用程序發(fā)送任何消息，繼續(xù)保持鏈路，若通信不能繼續(xù)，則放棄此鏈路，并且向應用程序發(fā)送RBTFT ERROR的消息，應用程序?qū)⒅匦聫臀淮随溌坊蜻M行其它相應的處理。另外，當有任何一方斷開鏈接，應用程序?qū)⒔邮盏絉BTFT CLOSE消息，表示此鏈路已經(jīng)斷開。在接收端，所接收到的分幀的數(shù)據(jù)被去掉幀頭重新歸到接收緩沖區(qū)流，重新拼裝為所傳輸?shù)奈募?。然后，再進行下一個文件的傳輸，直至傳輸完所有的文件。
對于在應用層提高藍牙無線連接的可靠性而言，最為可貴的是RBTFT協(xié)議支持斷點續(xù)傳。我們目前所實現(xiàn)的也就是將RBTFT文件傳輸協(xié)議嵌人到藍牙無線文件傳輸?shù)膽弥校@樣，即便出現(xiàn)文件傳輸中斷的情況，也可以進行斷點續(xù)傳。這對于大文件無線傳輸尤為有意義。
RBTFT協(xié)議支持斷點續(xù)傳的原理在于RBTFT數(shù)據(jù)幀在報頭中攜帶有指明文件數(shù)據(jù)在文件具體某個位置開始的偏移量。當發(fā)生錯誤或連接中斷時，接收方發(fā)送一個帶有偏移量的信息幀，說明它希望發(fā)送方從該位置重新開始傳輸。這樣就無需重傳整個文件，從而實現(xiàn)了斷點續(xù)傳。
5.2 藍牙文件傳翰RBTFT協(xié)議發(fā)送文件的詳細過程
以下是藍牙文件傳輸RBTFT 協(xié)議發(fā)送單個文件的詳細過程：
n =0； //初始化重試次數(shù)計數(shù)器，收發(fā)雙方建立連接；
file = fopen (filename,“rb ”）； 設置并發(fā)送包含文件名、文件長度的報頭；
for ( ； ；) {
message =所讀取接收方發(fā)來的響應報頭信息；
switch (message) {
case 接收方返回“已經(jīng)準備接收”:
發(fā)送第一個數(shù)據(jù)子包，并以子包結(jié)束符指明后面有后續(xù)包；
Continue ；
case 接收方拒絕接收：
fclose (file)；
return OK；
case 接收方返回確認信息：
發(fā)下一個包；
Continue；
case 超時：n=n+l；
if (n>20）//重試20 次，若還不能恢復連接，則放棄
{return ERROR;}
else if
｛重新建立連接；
請求接收方發(fā)送帶有偏移量的信息幀；
接收該信息幀；
從指定偏移量處開始繼續(xù)傳送；
Continue;}
case 接收方放棄傳輸：
return ERROR;
case 文件傳輸完畢：
輸出“文件傳輸完畢”的屏幕提示信息；
return OK；
}
6 結(jié)論
本文敘述了藍牙無線連接在射頻、基帶協(xié)議、鏈路管理協(xié)議（LMP）中采用的可靠性措施，包括：差錯檢測和校正、進行數(shù)據(jù)編解碼、差錯控制、數(shù)據(jù)加噪等。為了進一步在無線連接中提高藍牙文件傳輸?shù)目煽啃?，在藍牙RFCOMM協(xié)議的基礎之上建立了本文所描述的藍牙的文件傳輸協(xié)議，稱之為RBTFT，其中，創(chuàng)造性地提出了支持文件斷點續(xù)傳的辦法，并得到了實現(xiàn)，從而在應用層有效地提高了藍牙無線連接的可靠性。我們相信，在切實提高了藍牙無線連接的可靠性之后，藍牙技術將會得到更加廣泛的應用。
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