基于蜂窝网辅助的低功耗蓝牙微微网之间干扰抑制技术研究

基于蜂窝网辅助的低功耗蓝牙微微网之间干扰抑制技术研究 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发或撰写过的研究成果，也不包含为获得玄傲六彳或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名: 胡埋 签字日期:夕。肛 年口乡月,,日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解玄徽久学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权霞徽犬轳以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名: 朗耋 导师签名:多号’,签字日期:力彬年,,月,日 签字日期: ,,年,月，,日 ,学位论文作者毕业去向:工作单位: 电话:通讯地址: 邮编: 摘要 摘要 蓝牙是一种能够提供个人手机、电脑以及其它设备之间无线连接的短距离、低成本与低能耗的通信技术。目前，随着蓝牙标准化历程的不断完善，低能耗蓝牙(,,,,)技术得到了迅速的发展与应用。与此同时，使用该技术的设备也逐渐增多，同一区域内多个,,,,微微网(,,;,,,,)同时存在的场景增多，如机场、校园、超市等。尽管每个,,,, ,,;,,,,都采用自适应跳频技术来克服干扰，但由于缺乏集中的管理器来统一管理这些,,,, ,,;,,,,，多个,,;,,,,由于同时跳到同一信道造成的,,;,,,,之间的分组冲突也非常严重。因此，研究合理的,,,, ,,;,,,,之间干扰抑制方案具有十分重要的意义。 本文首先对蓝牙的组网结构、原理及自适应跳频技术进行了介绍，并重点对蓝牙中,,;,,,,之间干扰问题进行了深入的。针对这个问题，本文首先引出蜂窝网与,,,,网络融合的架构，并提出两个基于蜂窝网辅助的,,,,,,;,,,,之间干扰抑制方案: (,)(在蜂窝网与,,,,融合的场景下，通过蜂窝基站(,,)集中式的对某个区域中所有,,,, ,,;,,,,的跳频序列进行计算与比较，计算,,,,系统的信道冲突概率，并获得冲突概率较大的信道标号;通过在计算的过程中将这些信道从某些,,;,,,,的可用信道列表里排除从而减少其对整个系统的影响;,,反复的执行以上的计算过程直到系统冲突概率降低到一定的程度。在实现阶段，,,将预测的坏信道通过,,通知相应的,,;,,,,。 (,)(在融合的场景下，通过蜂窝网的基站(,,)集中式的对某个区域中,,,,,,,,,,,的跳频序列进行计算与比较，计算系统的信道冲突概率，并获得对系统影响较大的一些,,;,,,,标号;通过在计算的过程中将这些,,;,,,,的跳频序列进行转换从而将,,,,系统的冲突概率降低到一定程度;,,反复地执行以上的计算过程直到系统冲突概率降低到一定的程度。在实现阶段，,,将被转换的,,;,,,,的序列转换功能通过,,通知相应的,,;,,,,。 (,)(本文使用,,,,,,仿真器对所提出的坏信道预测方案及跳频序列转换方案进行仿真验证，并分别对仿真结果进行分析与比较。关键字:蜂窝网;低功耗蓝牙;微微网;干扰;跳频序列 ,,,,,,;, ,,,,,,;, ,,,,,,,,, ,, , ,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,,，,,,?悖?,,,,,,,, ,,,,,—,,,,,，,,,,;,,, ,,, ,,, ,,,,, ;,,,,,,,, ,, ;,,,,,,;,,,,, ,,,,, ,,,, ,,,,;,, ,,;, ,,,,,，,,,,,, ;,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,,,,;,,(,, ,,, ,,,,,,,，,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,(,,,,),,;,,,,,,, ,;,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,;,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,(，, ,,,, ,,,,, ,,,;,, ,,;, ,, ,,,,,,,,，,,,,,,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,，,, ,,,,, ,,, ,,,, ,, ,,,,;,, ,？,,,,,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,;,,，,,,,, ,,,,,, ,,,, ,, ,,,, ,,;,,,,,(,,,,,,,, ,,;, ,,,, ,,;,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,？,,,;,,,,,,,, ,,;,,,,,,, ,, ,,,,, ,,;,,, ,,,,,,,,,,;,，,,, ,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,;,,, , ,,;, ,,,,, ,,,, ,,,,, ,,, ,,,, ,,,？,,,;, ,, ,,, ,,,, ,,,,(,, ,,,,, ,, ,,;,,,,,, ;,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,;,,,,, ,, ,,, ,,,, ,,;,,,,,，,,, ,,,,,, ,,;,,,;, ,, ,,,,,,,,, ,,;,,,,, ,,,,,,,, ;,,,,, ;,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,(,,，,,, ,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,;, ,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,, ,, ,, ,,,,,, ,,,,,,, ,,,, ,, ,,,,,,,,;,,, ,,, ,,,,,,( ,,,,,,,，,,, ,,,,,,,,,, ,,;,,,,;,,,,，,,,,,;,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,？,,,;,,,,,,,, ,,;,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,;,,(,,;,,,,,，,,,,,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,;, ,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,,, ,;,,,,, ,,, ,,,,,,,,(,, ,,,,，,,,;,,,,,,,, ,,;,,,,;,,,, ,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,, ;,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,;,,，,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,;, ,,,,,,,,,,, ,;,,,,, ,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,: ,(，, ,,, ;,,,,,,,, ,;,,,,,,，,,, ,, ;,,,,,,, ,,, ;,,;,,,,,, ,,, ,,,？,,,;,,,,,,,, ,,？,,,;,, ,, ,,, ,,, ,,,, ,,;,,,,,，,,,, ,,, ;,,,,,,, ,, ,,,;, ;,,,,,, ,,,,，,,, ,,;,,,,, ,,,, ,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,;,,,,(,, ,,,,,,, ,,, ;,,;,,,,,,, ,,,;,,, ,,,,,,,, ,,,,,, ;,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,,,, ,, ,, , ,,,,,,,,,(,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,，,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,,;,,,,, ,, ,,, ,,, ;,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,( ,( ，, ,,, ;,,,,,,,, ,;,,,,,,，,,, ,, ;,,,,,,, ,,, ;,,;,,,,,, ,,, ,,,？,,,;,,,,,,,, ,,？,,,;,, ,, ,,, ,,, ,,,, ,,;,,,,,，,,,, ,,, ,,;,,,,, ,,,;, ;,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,, ,,;,,,,,，,,, ,,,, ,,,,, ,,,？,,,;, ,,,,,,, ,,？,,,;,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,, ，， ,,,,,,;,,,,,,,, ,,,,,;,,,,(,, ,,,,,,, ,,, ;,,;,,,,,,, ,,,;,,, ,,,,, ,,, ,,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,, , ,,,,,,,,,(,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,，,, ,, ,,, ,,？,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,;,,,,, ,,,;, ,,,,,,,,, ,,,;,,,,, ,, ,,, ,,( ,(,,, ,,,,,,(,,,,,, ,,,,,,,,,,),,,,,,,, ,,,, ,, ,,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,;, ,, ,,, ,,, ;,,,,,, ,,,,,;,,,, ,;,,,, ,, , ,,,？,,,;, ,,,,,,, ,,？,,,;,,,,,,,,,,,;,,,,，,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,, ;,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,(,,,,,,,,:,,,,,,,, ,,,,,,,;,,,,;,,;,,,,;，,,,,,,,,,;,;,,,？,,,;, ,,,,,,, ,,？,,,;,( ，，， 目录摘要…………………………(………………………………………(……………………………………………,,,,,,,; ,…………(……………………………………………………………………………………………(，，符号说 明…………………………………………………………………………………………。?第一章绪 论……………………………………………………………………………………………, ,(,蓝牙概述……………………………………………………………………(, ,(,(,蓝牙标准的发展历程…………………………………………………, ,(,(,蓝牙技术的优势………………………………………………………, ,(,(,蓝牙的网络结构及关键技术…………………………………………, ,(,(,蓝牙的具体应用………………………………………………………, ,(,本文的选题与意义……………………………………………………………, ,(,本文的内容及架构…………………………………………………………(, , ,(,本章小结……………………………………………………………………,,第二章蓝牙,,;,,,,之间干扰抑制机制…………………………………………………,, ,(,蓝牙网络中存在的干扰……………………………………………………,, ,(,蓝牙,,;,,,,之间干扰的理论分 析………………………………………(, , ,(,(,基于同类簇的分组干扰分析…………………………………………,, ,(,(,基于混合簇的分组干扰分析………………………………………(, , ,(,蓝牙,,;,,,,之间白干扰抑制方案………………………………………, , ,(,(,跳频保护间隔的引入………………………………………………(,, ,(,(,确认机制(,,,)…………………………………………………(,, ,(,(, ,,;,,,,避免技术……………………………………………………(,, ,(,(,分布式干扰避免算法(认)………………………………………((,, ,(,(,双信道传输机制(,,,)…………………………………………((,, ,(,本章小结……………………………………………………………………,,第三章基于蜂窝网辅助的坏信道预测抗,,;,,,,之间干扰方案…………………,, ,(,引言…………………………………………………………………………………………………,, ,(,蜂窝网与,,,,融合的场景介 绍…………………………………………,, ,(,融合架构下,,辅助的,,,,坏信道预测抗干扰方案…………………,, ,(,(,信道冲突概率的定义…………………………………………………,, ，, 目录 ,(,(,信道预测算法………………………………………………………(,, ,(,(,信道预测实现流程…………………………………………………(,, ,(,仿真实 , ,(,(,仿验……………………………………………………………………, 真参数设置………………………………………………………(, , ,(,(,仿真结果及分析……………………………………………………((,, ,(,本章小结……………………………………………………………………,,第四章基于蜂窝网辅助的跳频序列转换抗,,;,,,,之间干扰方案………………,, ,(,引言…………………………………………………………………………………………………,, ,(,跳频序列转换功 能…………………………………………………………,, ,(,(,跳频序列转换的定义………………………………………………(,, ,(,(,引入跳频序列转换模块的,,,系统………………………………(,, ,(,跳频序列转换算法…………………………………………………………,, ,(,(,蓝牙,,;,,,,冲突概率的定义………………………………………,, ,(,(, ,,,, ,,,,,,,跳频序列转换的算法………………………………((,, ,(,跳频序列转换实现流程……………………………………………………,, ,(,仿真实验……………………………………………………………………,, ,(,(,仿真工具……………………………………………………………(,, ,(,(,仿真结果分析………………………………………………………(,, ,(,本章小结……………………………………………………………………,,第五章总结…………………………………………………………………………………………,,参考文 献…………………………………………………………………………………………,,附图 表…………………………………………………………………………………………… (,,致 谢………………………((……………………………………………………………………………………,,攻读硕士期间发表的论文与专利申 请………………………………………………………。,, , 符号说明 符号说明,，, ,,,;,,, ，,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,;,,,,,,, ,,,,,;,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,？,,,;, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,; ,,,,,,,,,,;, ,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,？,,,;, ,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,;,, ,,,,,,,, ,,,,, ,;;,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,;,, ,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,, ,？,,,,,,,,,， ,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ，,,,,,,;,,,, ,,,,,;, ,,,;,,,, ,,,,,;,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,;,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,,,, ,,,,,,,, ，，,;,, ,,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,;, ,,,,,,,,,, ,,,;,,, ,,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,, ,， 第一章绪论 第一章绪论,(,蓝牙概述,(,(,蓝牙标准的发展历程 蓝牙(,,,,,,,,,))技术是爱立信(,,,;,,,,)、东芝、，,,、诺基亚与英特尔 (，,,,,)五家厂商于,,,,年共同推出的一项短距离、低成本的无线通信应用技术【,,。随后，这五家厂商共同成立了一个蓝牙特别兴趣小组(,，,)来开发与推广此项技术。目前，,，,已经有,,,,,个成员公司，并分别涉及电信、计算机、组网以及电子产品等各个领域。,，,负责监督蓝牙规范的发展，管理蓝牙产品的规格鉴定程序，并保护蓝牙商标。,,,,年,月，蓝牙,，,推出了蓝牙协议的,(,版本(,,(,)，但,(,中由于在设备建立连接的过程中需要传递蓝牙设备地址，使得蓝牙技术的实际应用受到一定的局限【,】。,,,,年,月，,，,又推出了蓝牙协议的,(,版本(,,(,)，该版本中增加了对非加密信道的支持以及物理层接收信号的测型,,。,,,,年,,月，,，,宣布了蓝牙协议的,,(,标型,,，蓝牙,,(,向下兼容,,(,标准的设备，引入了设备快速发现与连接的过程，数据传输速率可以高达,,,,,,,,,，在关键技术上也将原版本中的基本跳频技术扩展为自适应跳频技术。同时，还引入了扩展性面向连接的链路(,,,,)来支持与保证音频数据的可靠传输，,,,,,层引入流控制与重传输模式来保证数据的可靠传输。,,,,年，蓝牙,，,又发布了蓝牙,,(,，,,,〔,】核心规范，此规范向下兼容,,(,的设备，主要引入了数据更快传输(,,,,,;,, ,,,, ,,,,，,,,)的特性，其数据速率通过两种不同的物理层调制方式,,,,?耄校樱朔直鹂梢源锏剑玻停猓穑笥耄常停猓穑螅 罡呶 忱堆赖娜 丁,玻埃埃纺辏吩拢 堆溃樱桑前洳剂死堆溃郑玻 保 牛模遥簦叮保 帽曜枷蛳录嫒荩郑玻 埃 牛模业牟 罚 饕 黾恿税踩 虻ヅ涠裕ǎ樱澹悖酰颍?,,,,,,,,,,,,,，,,,)的特性，而从实现简单安全的设备连接过程。同时，该标准还引入了扩展查询相应(,,,,,,,, ，,？,,,, ,,,,,,,,，,，,)功能，使得设备滤波性能提高，减少了设备的空闲能耗。,,,,年,月，蓝牙,，,颁布了蓝牙,,(,，,,〔,】核心规范，此规范主要引入了射频交替技术(,,,,,,,,, ,,,,,,,，,,,)部分，其中蓝牙链路用来进行设备发现与链接，,,,(,,【,】射频则主要用来进行数据传输，理论上 基于蜂窝网辅助的低功耗蓝牙微微网之间干扰抑制技术研究数据传输能够达到,,,,,,。此外，由于传统,,,(, ,射频进行高速的数据传输的过程会造成能量的消耗，因此，功耗部分引入了增强功率控制(,,,,,;,, ,,,,,,,,,,,,，,,,)机制来降低空闲传输时的功耗。 ,,,,年,月，蓝牙,，,正式宣布了蓝牙,,(,核心规范，此规范集传统蓝牙，高速蓝牙及低功耗蓝牙于一体，其中高速蓝牙主要基于,,(,,协议，传统蓝牙主要基于标准蓝牙的协谢,,。蓝牙,,(,的主要特征是引入低能耗蓝牙(,,,,)规范，即原,,,,,,技术。作为对蓝牙标准版本,(,到,(,的替代，此技术主要实现在硬币大的体积的产品上实现极低功耗的运行。其码片主要基于单模式,多模式以及提高模式两种类型来实现。单模式的情下下仅使用低功耗协议，双模式的情形下将低功耗协议引入到传统蓝牙的协议中。,,,,年末，,,,,被赋予了蓝牙智能主机(,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,)以及用于传感器的智能蓝牙(,,,,,,,,, ,,,,,)的标称。当然，蓝牙,,(,标准在提供低能耗技术的同时，保留对旧版本的向下兼容的特性，三种技术标准可单独运行，也可同时使用。,(,(,蓝牙技术的优势 蓝牙技术由于其长远的不断完善的发展历程，在各个领域得到了广泛的应用，它之所以发展如此迅速，主要有以下几方面的技术优势: ,’)技术可用性广:蓝牙技术工作在,,,, ,,,的工业、科学、医学(，,,,,,,,,,,;,,,,,,,; ,,,,;,,，，,,)频段，此频段是一种开放的未授权频段,,,〕。因此，在全球范围内应用蓝牙技术均无需付费 ,)规格全球统一:蓝牙是目前市场上应用范围较为广泛、安全性较高且功能非常丰富的短距离无线通信技术，可以通过全球通用的规格鉴定程序来检验其成员公司的蓝牙设备，并判定这些设备是否符合一定的要求。 ,)技术使用方便:蓝牙是一种非基于任何固定基础设施的短距离无线技术，且安装方便，程序设置简易，不需要固定电缆便可实现全面的无线连接。 ,)设备使用范围广:蓝牙技术已经得到了大范围的使用，其集成产品从个人的手持设备(,,)、电脑、汽车到一些医疗设施，使用的用户也从个体与家庭消费者到企业市场与工业市场等。同时，低能耗、低成本及小体积的特点使得蓝牙技术也可以被应用于微传感器节点等非常微小的设备之中。 , 第一章绪论,(,(,蓝牙的网络结构及关键技术 蓝牙技术通过构建设备之间的无线连接来代替传统的电缆连接，在相互连接的蓝牙设备之问构建一个以主设备(,,,,,,)为中心的微微网(,,;,,,,)结构，来共享蓝牙设备之间的资源与信息。 (,)(蓝牙,,;,,,,接入原理与协议栈结构 蓝牙网络中一共有点到点与点到多点的两种连接方式。两个进行通信的蓝牙设备构成点到点的连接。多个同时进行通信的蓝牙设备之间形成点到多点的连接。两个或以上的蓝牙设备之间通过时分与跳频混合的方式共享无线射频信道，从而组成一个,,;,,,,。蓝牙,,;,,,, 的结构如图,(,所示，中心节点作为,,,,,,节点，周围设备作为,,,,,节点，其中所有从节点的信道接入过程都由,,,,,,来集中式控制。蓝牙,,;,,,,之间相互连接最终形成散射网结构的网络。 蓝牙,,;,,,,的协议结构如图,(,所示，其核心协议包括基带协议 (,,,,,,,,)、逻辑链路控制与适配协议(,,,,;,, ,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,;,,，,,,,,)、链路管理协议(,,,, ,,,,,,, ,,,,,;,,，,,,)和服务发现协议(,,,,,;, ,,,;,,,, ,,,,,;,,，,,,)。,,,,,,,,主要用来建立,,;,,,,内主从节点之间的物理连接。,,,,,主要用来将高层协议进行复用、将原长的报文分段或短报文重组以及保证网络的服务质量(,,,,,,, ,, ,,,,,;,，,,,)等。,,,主要被用来设置与建立主从节点之间的链路。,,,主要用于查询周围的设备信息以及相应的服务类型，以便于用户能够选择一个可以使用的服务类型以及可以连接的设备，并构建,,;,,,,进行通信。 图,(, ,,;,,,,拓扑结构示意图 基于蜂窝网辅助的低功耗蓝牙微微网之间干扰抑制技术研究 ,,, ,,,, ((，,? ,,,, ,,, ,,,,, ((，,? ,,,,, ,, ,, ,,, ((卜， ,,, ,,,,,,,, ,?—? ,,,,,,,, 图,(, ,,;,,,,协议原理不恿图 (,)(基本跳频技术 蓝牙设备工作在未授权的,(,,,,(，,,)频段，通过采用快速跳频的方式来克服同频干扰以及衰落。时问被划分为一个个,,,,,的标准时隙(,,,,)单元，并依照,,;,,,,中主节点的时钟对时隙进行编号。数据以分组的形式在主从设备间传递，通常分组一般在一个时隙内发送，但最多可以使用,个,,,,进行传送。每个分组分别在一个跳频频率上传输，在每个分组的传递时期内，跳频使用的频率保持不变。单,,,,分组的跳频频率由蓝牙,,;,,,,主设备的硬件地址 (,, ,,,,)和时钟值(,,,)来共同决定;多,,,,分组的跳频频率则为第一个传送,,,,的射频频率值，图,(,为单时隙分组跳频示意图。 主从节点在一段时间内中按照时分双工(,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,，,,,,,,〕)机制交替地发送数据，主节点只在偶数时隙(,，,，,，,…)发送数据，从节点则在奇数时隙(,，,，,，,…()中发送数据，如图,(,所示。 频率 , ， , ,, 钐彩 坳,,;,,,, , , ,, 勿‖ ， ,, 沥 , 勿勿 , , 黝 , , 钐么 , 勿勿 , 么么 ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, 时隙 图,(,跳频机制示意图 , 第一章绪论 ,习, , , , , , , , , , , ,, ,, ,, ,, ,, 主节点 口口,(, , ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。 ? .