交织编码对蓝牙抗干扰性能改善的研究

交织编码对蓝牙抗干扰性能改善的研究 年月 西安电子科技大学学报自然科学版 . . . 第卷第期 :./..... 交织编码对蓝牙抗干扰性能改善的研究 飞 牛玉峰’,庄奕琪,李振荣,徐 ; .西安电子科技大学微电子学院,陕西西安 .浪潮集团有限公司,山东济南 摘要:针对蓝牙.在纠错和抗干扰方面的不足,分析和改进了蓝牙中数据链路层的纠错算 法.在蓝牙.规范中,采用了融合交织编码和前向纠错的增强型纠错机制,加入了具有交织编码 的分组分组以提高蓝牙的数据传输吞吐速率及抗干扰能力;在?信道下,建立了 蓝牙数据传输吞吐量模型.利用该数学模型,计算出了各个数据分组在不同信道突发错误时的数据传输吞 吐量.仿真结果明,在蓝牙.新规范中加入分组,明显地改善了数据传输的 抗干扰能力,有 效地提高了在突发错误信道下的数据传输速率.最后给出了该增强型纠错和 增强型蓝牙基带的实现 结果,并与标准蓝牙基带进行了比较,结果表明,引入增强型纠错大大提升了 蓝牙基带的纠错性能, 而蓝牙基带的功耗和面积资源只有少量的增加. 关键词:蓝牙;交织编码;.规范;吞吐量;?信道 中图分类号:. 文献标识码: 文章编号:??? . ? 一, , , . , .,’ ,; .,., , .葛: ? .,. . . ; . . .. . . : ;;. ;;? 蓝牙阻工作在开放的业、科研和医学. 频段,所以不可避免地遭到.、、 无绳电话,甚至微波炉等工作在同频段设备的干扰,从而严重影响了其数据吞吐性能.蓝牙.新规范 增加了种新的分组格式圈,这种分组格式均提供了循环冗余校验机制,但是并没有提供 收稿日期:?? 网络出版时间:?? 基金项目:国家自然科学基金资助项目;中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 作者简介:牛玉蜂一,男,西安电子科技大学博士研究生,?:.. 网络出版地址:://..///......?. 万方数据第卷 西安电子科技大学学报自然科学版 载荷的前向纠错机制.在信道状态不好的情况下,采用前向纠错编码方式,接收端译码器不仅能发现错误,而且 能够自动纠正传输信道中所产生的错误,提高数据传输的抗干扰能力.另外,在实际的无线信道中,其错误往往 是突发性的,在蓝牙的分组中,只能纠正单个的错误,对于连续的错误则无能为力. 为了提高蓝牙的抗干扰能力和数据传输吞吐率,近年来国内外很多学者提出了不同的解决方法. 等‘提出了根据信道质量选择数据分组以提高数据传输吞吐率;等提出了在蓝牙.协议中增加数 据分组以提高蓝牙的抗干扰能力;等口提出了根据的统计选择合适的模式和数据分组进行传输, 以提高蓝牙的数据传输吞吐率.上述研究均没有考虑到信道错误的突发性,在实际的应用中效果不理想.针对 蓝牙.?新规范中分组只有数据分组格式的情况,笔者提出了在新规范分组中加入具有 /比例前向纠错编码机制的一和数据分组格式和具有交织编码的一和数 据分组格式,以增强蓝牙的抗突发错误的能力.为了增加蓝牙在受干扰信道下数据传输吞吐量,针对突发性错 误的蓝牙无线信道,利用信道模型,推导出了数据分组和数据分组在不同错误突发水 平时蓝牙的数据传输性能,并且给出了实验仿真的结果.采用低功耗、低成本的超大规模集成电路设计方法,完 成了电路和版图设计,给出了增加前向纠错编码和交织编码的蓝牙基带的实现方法. 交织编码的蓝牙数据传输吞吐量模型 . 交织编码的分组特性 蓝牙.新规范增加了种新的分组格式.类型分组的载荷不受任何纠错编码机制保 护,所以在信道质量变差时其数据传输性能下降明显.蓝牙的数据分组载荷采用了/比例的前向纠错 编码机制,其仅仅在信道突发错误很少且错误之间几乎没有相关性时能发挥 较理想的纠错水平.但是在实际 的信道中以上的情况往往不存在,当信道质量变差时,错误往往是突发的且相互依赖,就像? 信道所描述的那样,这时仅仅采用前向纠错无法取得良好的纠错效果. 交织编码是一种实用且常用的构造码方法,它能把比较长的突发错误或多个突发错误离散化为随机错误, 再用针对随机错误的码纠错,则能取得明显的纠错效果.在蓝牙.新规范中将交织编码和前向纠错 编码结合起来,增加数据分组,在蓝牙的发射端将数据前向纠错编码后再交织,在接收端将接收到的数据 解交织后再前向纠错解码,增强了蓝牙抗干扰的能力,提高了蓝牙在信道质量变差时的数据传输能力.对蓝牙 数据分组模式,一个长度为以的数据分组分为个编码块,每一个编码块的长度为/位,先将每一块的 第位数据利用前向纠错编码为一个编码字,再对每一块的第位数据利用前向纠错编码为另一个编码字.依 此类推,总共有/个前向纠错编码字.数据分组继承了数据分组的一位纠错能力,且由于其每个编 码字中的个数据位不连续,在突发错误信道中数据分组的鲁棒性要优于数据分组. 增加的和分组,其最大数据包的长度与对应的分组的数据包长度是一样的.由于和 分组载荷部分使用/比例的前向纠错编码机制,所以有以下关系: 有效载荷头.『有效数据载荷×/有效载荷头有效数据载荷, 其中,、分组和分组的有效载荷头都是两个字节.根据、数据分组特性,可以 推导出 所有增加的、数据分组的分组特性,如表所示. 表 蓝牙.规范加入的分组特性 ://.. 万方数据第期 牛玉峰等:交织编码对蓝牙抗干扰性能改善的研究 . ?无线信道模型 ?信道’以下简称为信道是一阶、离散时 间、静态马尔可夫链,其具有两个状态:状态和状态,如图 所示.图中为信道从状态转变到状态的概率,。。 为信道从状态转变到状态的概率,。。和。。分别表示信 凡 道保持在状态和状态的概率,。。,。 图 信道模型 ,。和。。反映了信道的突发错误水平. 定义。和。分别为信道在第瞬间处于状态和状态时的概率.当采用矩阵表示 时, 。,。.令为信道的传输矩阵,则 ?, 、。 。 一垤”,~垤. ~ 信道状态概率和传输矩阵的关系式为 蚪‖. 从式和中可以看出,信道状态的改变速度依赖于。。和。。。信道的平均位错率。 。/。‘,而。一。/ 。. 对于长度为/、可以纠正个随机错误的编码字,, ,在连续的以个状态中有个 错误的概率为 一 。 ,一 一 曲 , , 』 。 。 。 ?咒 一 尸?,,咒 , ,????????,、?????,【 堍 热蹦,一嘣“扩竹,。广瞅?、一妒, ~ 曲 一一 一 『卜 一 一一 “. 。 曲 或 。曲~ , 一 ~ 种 一 打 一 一 旷卜 一一 广甲 。 ” 曲 曲 垤 ~ ? ;; 一 ~?川~?剐 ,,\,, 、,、,、、, 蹦?“州‖押?~,?。广唧。。。。。. 此处的。 是指在信道的初始和结束状态均为时,卵个连续的瞬间状态中有个 瞬态处 于状态的条件概率,其他的。 、。、。的定义均参照。 的定义,则 咒, 编码字的错误概率为 ~,,’ 气一奎蹦,匿四蹦酬?吣剐。。‰,七叫 式中,。和。分别为信道处于态和态时误码率,显然。》。.当采用交织深度 为的交织编码时,其信道状态转换概率为 , :?一一。?。”/。 . :。一。一一?”/。 .蓝牙数据吞吐量模型 为了简化问题,笔者在分析蓝牙数据传输抗干扰性能的改善时,仅分析主设备对从设备单向的最大数据 传输速率,即只有主设备向从设备发送数据,从设备只是返回确认信息.若某分组发送后没有收到发送成功 的确认信息,则机制将重复发送该分组,直到发送成功为止.假设在一个数据分组发送过程中信道的 状态变化概率是恒定值,并且循环冗余校验总是能够检测出数据载荷传送过程中出现的错误. ://。。 万方数据第卷 西安电子科技大学学报自然科学版 下面通过分析数据的编码错误概率,求出数据分组重传概率,进而得到数据吞吐量模型.发送分组包括接 人码、分组头和载荷部分,返回分组只包括接人码和分组头两部分.当其中任一部分出现错误时,均会引起分 组重传.所以在此只分析接入码、载荷和分组头的错误概率即可,分别用、和表示. 数据分组的重传概率表达式为 一一一一一. 蓝牙接收单元的相关器将解调器的输出与已存储的接人码进行相关计算.当相关器的输出超过一个门 限值时,分组即被同步,接人码的位中的位被正确解调时即同步,即当接人码有不超过一个错误 时分组才能被成功同步.因此,在信道中,对接入码来说,其误码率相当于挖,一一的编码字错 误率,记为:‖. 前向分组头经/比例前向纠错检测错误导致分组头传输错误,,编码可以纠正一个错误,因此, 一一于’”, 式中,:为卯一,一时的信道模型中的编码字错误概率. 数据载荷的传输最容易发生错误.由于假设循环冗余校验解码可以检测出所有错误,类型分组的载 荷受,汉明码保护,每位码元纠正一位错误,所以在信道中其误码率为行,一,时的 编码字错误概率,记为胁,则有 一一一:。’“。, 式中,,为数据包的,汉明编码块数。 对于分组,其编码字错误概率。。’和。。的区别在于交织深度。,并且分组的。 和分组的一样,则有 一一::’“。. 对于分组类型,由于其没有纠错能力,只要载荷的任何一位发生错误即可导致传输错误,所以在 信道中其编码错误率和分组的区别仅仅在于其纠错数. 对于任何类型的分组,平均吞吐量为平均重传次数丙的函数引,所以表示为净荷长度与分组传输 时间之比,即 一???.:忑 ,, 一 。 厶 式中,为平均重传概率,为包括返回分组的每次传输所占用的时隙数,为分组中数据位的大小. 仿真分析 在信道中,蓝牙数据传输吞吐量是信道状态变化概率的函数,要分析计算平均吞吐量的值,必须 求出平均重传概率的值。为了方便分析,只分析瞬时信道变化概率下的数据传输吞吐量,即用瞬时重传概率 替代平均重传概率进行仿真分析,而不影响结论.在此,为了仿真计算的方便,令。.,。 .;令曲.,改变。。即改变。。使信道处于不同的突发错误水平,得到不同蓝牙 数据分组的数 据传输吞吐量.蓝牙.规范的、和分组数据传输吞吐量与信道状态变化概率的 关系如图所示,蓝牙.规范的、和分组数据传输吞吐量与信道状态变化概率 的关系如图所示. 从图和图中可以明显地看出,因为分组没有数据纠错能力,在信道中,由于存在突发错误, 蓝牙的数据传输速率大大降低,特别是数据分组越长,越容易受到干扰,其数据传输降低的越严重.从图中可 明显看出,分组的数据传输速率最低.另外,由于增加的分组仅仅能纠单位错误每位中可以纠 正位错误,在突发错误信道中,其传输速率也大大降低,但是好于分组.增加的数据分组,由于 其采用了交织编码,可以纠正多位的连续错误,所以与其他数据分组相比其数据传输速率最高.随着突发错 误概率的降低,几乎所有的分组数据传输速率均增加.从以上的比较中可以看出,增加数据分组和 :/.. 万方数据 ’ 一焉而丽面第期 牛玉峰等:交织编码对蓝牙抗干扰性能改善的研究 数据分组后,可以明显地改善蓝牙在突发错误信道中的数据传输能力,特别是数据分组,其数据传输能 力大大优于分组和分组. 一呻 ? 一 ? 一 一 一 . 一 一 ~ ..一 ?? ? ?娃 扩一 一 一‖~ ,,/‖.‖矿 ~譬三三一躐 小咀邮 一 一? 一..岩毒苫、一目雌舞卓冁鬻黑::墨筹 。。。芒竺竺兰:::: :望. 。一 卜?雎憎阮脚 . . . . . 突发错误概率 突发错误概率 匿; 分组数据传输速率与信道状态 图 一分组数据传输速率与信道状态 变化概率的关系 变化概率的关系 增强型纠错实现 . 增强型纠错实现及性能 标准蓝牙对数据分组的前向纠错处理在基带部分完成.因此,在蓝牙基带中, 集成综合交织编码的 增强型纠错机制需在蓝牙基带与上层接口间增加交织/解交织模块.当蓝牙 设备处于发送状态时,下行数据 先经过交织编码,再进行基带处理;当处于接收状态时,上行数据经过基带处 理后,再经过解交织编码传送 给上层接口.总的数据处理和交织编码操作如图所示. 总线接口,..,.,??.列謦警葛一喜:?汰 , ‘ ?’?? ‘‘.\? 。。。盟 叫交织,解 交织器 链 叫削 路 控 。 。 数 制 据 ::门 ;匕掣:“ 牟令 处 理 死 死 ’ 跳频选择 ; “厂‘ : 卜 & ‘..?: ?.?: ?.,: ?.; ? 射频接口 数据读出方向? 数据写入方向一 图具有交织编码的纠错机制结构图 图 增强型纠错版图结果 交织器的交织深度与硬件开销成正比.基于上文分析,笔者采用易于集成的 ×存储矩阵进行交织运 算,交织器规模为 个等效逻辑门,最大功耗为. /,符合增强型蓝牙基带要求. 基于 .肛标准工艺库,用完成了该增强型纠错的版图设计,有效面积为 × 弘,如图所示.根据蓝牙数据传输原理,在基带数据处理过程中增加交织编码后会引入硬件处理延 时,同时为了实现数据和存储矩阵大小的匹配,会引入少量无效数据,这些都会降低传输速率.但是对于干扰 较强的情况,这些因素造成的传输速率的降低远远少于引入交织编码所带来的数据传输速率的提高. .增强型蓝牙基带实现及性能 笔者整体采用低功耗和资源优化设计技术,基于 .肛标准工艺库,首先实现了标准蓝牙基带 ,在此基础上结合综合交织编码的增强型纠错,最终实现了具有良好纠错功能的增强型蓝牙基带,并 对标准型和增强型蓝牙基带进行了后端设计和功耗分析.图为增强型蓝牙基带各子模块的面积和 功耗开销分布. ://.. 万方数据西安电子科技大学学报自然科学版 第卷 笔者从最高频率、面积、功耗指标考虑,对标准型和增强型蓝牙基带的性能进行对比评估,如表所示,并基于 嗍进行功能验证及资源开销对比.从表可以看出,增 ? 吕 加交织编码的比标准蓝牙基带功耗和面积资源均增 谆 窿 加%左右,同时工作频率降低了约%.因此,引入增强 想 旧 型纠错对蓝牙基带的功耗和面积资源只有少量增加, 却显著改善了蓝牙基带的纠错性能,在干扰较强的情况下, 大大提高了蓝牙的数据传输能力. 磊毒罨埔剐舞懈船?露口性件留 廷靶掣磐撼畚罴景爵墼骠鲻鲻鲻骠 嚣馥蜷廿捌诫寸譬鲁夏曝蝴擎舔 曹蜊辐妹妊餐 叵《芝搽越辎杈 结束语 图 增强型蓝牙基带各模块功耗和面积分布 以信道为信道模型,笔者采用了融合 交织编码和前向纠错的增强型纠错机制,在蓝牙.新规范中加入和数据分组 形式,以提 表 标准型和增强型蓝牙基带性能比较 高在突发错误信道中蓝牙数据传输的抗干扰能力和数据传输速率;建立了蓝 牙不同数据分组形式在不同突发 错误水平下的数据传输速率模型.通过仿真结果发现,在蓝牙.新规范中加入和数据分组形 式,能够有效地提高蓝牙的抗干扰性能和数据传输速率.实现了基于交织编码的增强型纠错,提高了蓝牙的 纠错性能;在标准蓝牙基带基础上,完成了集成增强型纠错的增强型蓝牙基带芯片设计;最后结合标 准蓝牙基带,对增强型基带进行了性能分析,并给出了该增强型纠错的版图实现结果. 参考文献: . . , /.一?.://. .. . . /.??.://.., , // .:, :?... 。 //, .:, :?. / , . // , .:,:?. , . // . :,:. , .?// : . :,:. . 口. ,,:?.. ? . ,,:?. . , . ,, :?. 下转第页 :/.. 万方数据 第期 陈国强等:分解多目标优化揭示复杂网络社区层次结构 ,,:???. 陈国强,王宇平.基于极值优化模块密度的复杂网络社区检测.华中科技大学 学报自然科学版,,:? . 。 . ,,:?. . . , ?, 。//.:,:?. .//:,:?. .. . . ,,:. ./:? ., ,,:?. . , ,. ,,:???., , , . . ,,:???. . . ,,:?. . , ,,: . 一.,,:?. . . 编辑:齐淑娟 上接第页. , ? . ,,:?. , , .? //.:,:? . 张超,庄奕琪,李振荣,等.基于蓝牙吞吐量研究及改进.西安电子科技大学学 报,,:?.?, , , . .,,:. . , , ,. ,,:. . , // .:,:. 编辑:郭 华 ://.. 万方数据