蓝牙技术如何利用自适应跳频克服数据包干扰?

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干扰是任何无线技术提供可靠数据通信时所遇到的最大挑战之一。由于蓝牙、Wi-Fi和802.15.4等无线技术设备共享一个传输介质,如果一个正在传输的数据包与另一个正在传输的数据包在完全相同的时间和相同的通道上发生冲突,数据包就有可能损坏或丢失。

为了克服干扰并找到一条避免数据包冲突的清晰传输路径,蓝牙技术使用一种被称为自适应跳频(AFH,adaptive frequency hopping)的跳频扩频(FHSS,frequency-hopping spread spectrum)形式。蓝牙将频段划分为较小的通道(如低功耗蓝牙为40个通道),并在传输数据包时在这些通道之间快速跳转。为了进一步降低干扰概率,蓝牙会调整其跳转顺序。在发送数据包时,嘈杂和繁忙的通道会被随时追踪并避开。

近日,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)的开发者关系经理Martin Woolley发布了一篇专题文章:理解蓝牙技术的可靠性。在这篇深入剖析蓝牙可靠性的文章中,Woolley解释了蓝牙技术如何利用自适应跳频降低冲突概率并减少不可避免的丢包。

下文摘自Woolley此篇文章。

自适应跳频 (AFH)

无线电通信的主要挑战之一是冲突(collisions),在繁忙的无线电环境中,冲突问题尤为严重。之前我们探讨了冲突,并解释了当两台或以上设备在重叠时间段内在同一无线电通道上传输数据时,就会发生冲突。如果不同的无线电技术(如蓝牙和Wi-Fi)同时使用一个无线电频谱,就会相互干扰。

蓝牙技术通过使用扩频技术(spread spectrum)来降低冲突的风险。当两个设备连接时,需要一种称为自适应跳频(adaptive frequency hopping)的特定技术。

在每个连接事件中,一对连接设备可以使用它们的无线电以精确的时间间隔交换数据包。但除此之外,在每次连接事件开始时,都会发生跳频,使用通道选择算法(channel selection algorithm)从可用通道集合中确定一个无线电通道。然后,所连接的每个设备将切换到选定的通道。随着时间的推移和一系列连接事件的发生,通信将通过频繁变化的一系列不同通道进行,这些通道分布在2.4 GHz频段上,从而大大降低了发生冲突的概率。

在低功耗蓝牙使用的40个通道中,有37个通道(称为通用通道,general purpose channels)可在连接通信时使用。

跳频对互联设备之间的通信可靠性做出了很大的贡献,而蓝牙则更进一步提高了通信可靠性。

在特定环境中,一些蓝牙无线电通道可能无法正常工作,这可能是因为它们受到了干扰的影响,而其他通道能够可靠地工作。随着环境中无线通信设备的增加和删除,可靠的通道和不可靠的通道可能会逐渐改变。

连接的主设备产生一个通道图(channel map),该图将每个工作良好的通道分类为“已使用”或“未使用”。可使用链路层程序将通道图与第二台设备共享,以便它们能够共享关于哪些通道将被使用和哪些通道将不被使用的信息。

设备使用特定实施技术监测每个通道的运行情况。当确定一个或多个之前工作的通道不再适用时,通道图就会被更新。反之,如果发现之前运行状况不佳的通道现在运行良好,该通道状态也会在通道图中更新。之后,通道地图更新将与第二个设备共享。通过这种方式,蓝牙可以确保它只使用已知的好通道,避开有问题的通道,并保持通道图的更新,使其始终反映正在使用的最佳通道子集。这就是蓝牙自适应跳频系统的自适应能力。

自适应跳频在各通道上分配通信量
图10 - 自适应跳频在各通道上分配通信量

图10显示了测试过程中两个连接设备使用蓝牙通道的方式以及将无线电使用分配到ISM 2.4 GHz频谱中的高效方式。在图表的底部,可以看到以MHz为单位的通道指数和频率。通道指数(channel index)是间接引用一个无线电通道的方式。

文章转载自:蓝牙技术联盟

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