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蓝牙技术数据传输综述摘要：比较了蓝牙协议各个版本对其数据传输性能的影响，分类讨论了分组选择算法、重传机制、数据传输的干扰及安全等。针对目前存在的问题，提出了引入扩展戈莱编码和最小频移键控(MSK)调制的数据分组改进方案，提高了系统的抗干扰性和吞吐量，并提出了基于信道转换与MSK调制的同频干扰抑制方法，使皮可网的载干比和吞吐量有明显改善，最后总结并对未来工作提出设想和展望。关键词：无线通信；蓝牙；数据传输；干扰；安全SurveyondatatransmissioninBluetoothtechnologyAbstract:ThedifferentimpactassessmentsonperformanceofdatatransmissionofmultipleBluetoothprotocolversionswereanalyzed.Packetselectionalgorithms,retransmissionmechanisms,interferenceandsecuritywerediscussedrespectively.Strategies,employingextended-golaycodeandminimumfrequencyshiftkeying(MSK)modulationwerepro-posed,whichenhancedtheprobabilityofanti-interferenceandthroughputofdatapacket.Moreover,aco-channelinterferencesuppressionapproachbasedonchannelswitchingandMSKmodulationwasproposed,whichimprovedthecar-riertointerferenceratioandthroughputinpiconets.Finally,theworkwassummarizedandexpectationsaswellaspremeditationofthefuturewerepresented.Keywords:wirelesscommunications;Bluetooth;datatransmission;interference;security1引言蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短距离无线通信为基础，为固定与移动设备的通信环境提供特别连接的通信技术。由于蓝牙技术具有可以方便快速地建立无线连接、移植性较强、安全性较高且蓝牙地址唯一、支持皮可网与分散网等组网工作模式、设计开发简单等优点]1[，蓝牙技术近几年来在众多短距离无线通信技术中备受关注。众所周知，数据传输是实现数据通信的基础。以往的数据传输采用的是有线连接方式，其优点是传输速度快、安全性高以及实现简单，但随着生产以及生活需求越来越大，要求越来越高，有线连接已经逐渐显现出自身的不足，例如传输距离有限、成本高和布线困难等，这些因素严重制约了其发展。为了解决有线传输带来的不便，很多研究人员开始考虑尝试以无线的方式实现数据交换。由于无线传输技术自身的特点，可以有效解决有线传输带来的不便，使现有的数据传输不再需要繁重的布线，而且数据传输方便快捷，所以对于无线数据传输技术的研究有着重大的意义。近些年，无线传输技术得到了迅猛发展，相继出现了红外技术、HomeRF、蓝牙]2[、无线局域网(WLAN,wirelesslocalareanetwork)、ZigBee、RFID等，这些技术都有各自的优势和应用领域，大大改善了现有的数据传输方式。现有的无线通信技术各有特点，并且在很大程度上与蓝牙技术相互补充。蓝牙技术由于成本低、功耗低和组网容易等特点，在无线数据传输领域得到了广泛的应用。目前，对于蓝牙技术的研究，大部分集中在数据传输性能的改善方面。杨帆等集中研究了蓝牙技术数据传输的网络拓扑问题，给出了改进的拓扑构成算法，增强了网络的可拓展性]4,3[。HAGER和BANDYOPADHYAY等对蓝牙技术安全方面存在的问题进行了大量的分析，指出蓝牙技术在安全方面仍存在不足，包括蓝牙技术的认证、PIN码的安全以及匹配问题等]75[。GOLMIE等对蓝牙设备与802.11设备共存时的相互干扰情况进行了详细的分析并提出了解决方案]8[。CHEN等研究了平均接收信噪比与分组错误概率间的关系]9[。本文首先从协议方面分析了数据传输性能的改善，然后讨论了现有关于蓝牙技术数据传输的研究，指出了各个方案的优缺点，并提出了相应的改进构想和今后的研究展望。2蓝牙协议标准中数据传输的演进过程自从完成了第1版蓝牙标准的制定以来，蓝牙特别兴趣小组(SIG,specialinterestinggroup)仍然持续不断地对蓝牙技术进行修正与改版的工作，目的是期望蓝牙技术能够充分满足系统产品更易于使用的需求，尤其是蓝牙技术数据传输方面的需求，如数据传输速率、能耗以及安全问题等。因此不断演进的蓝牙标准版本，对于整体蓝牙技术的发展带来了至关重要的影响。蓝牙规范1.0版本主要是针对点对点的无线数据传输，给出了标准的数据传输分组格式以及分组类型。随后的1.1版本将1.0版本的点对点扩展为点对多点的数据传输，并修正了前一版本中错误和模糊的概念。蓝牙技术1.1版本规定的传输速率峰值为1Mbit/s，而实际应用中是723kbit/s。蓝牙技术1.2版本的传输速率与1.1版本相同，但实现了设备识别的高速化，增强了数据传输的抗干扰能力，与现有的1.1版本完全兼容，确保其向后兼容1.1版本的产品]10[。蓝牙协议规范1.2版本中有以下的改进和增强：更加快速地连接、自适应跳频(AFH,adaptivefrequencyhopping)、扩展的同步面向连接链路、增强的错误检测与信息流、增强的同步能力、增强的流规范等]11[。这些改进可以增加数据传输的抗干扰性和可靠性，为其实时传输提供了有力支撑。从蓝牙2.0版本开始，增加了增强型数据速率(EDR,enhanceddatarate)协议，大大提高了蓝牙技术数据传输的性能。它的主要特点是数据传输速率可达1.2版本传输速率的3倍(在某些情况下可高达10倍)，各版本的数据传输速率比较如图1所示。图1各协议版本数据传输速率的比较2.0版本通过减少工作负载循环降低了能源消耗，增加带宽简化了多连接模式，可与以往的蓝牙规范兼容，降低了比特误差率]12[。蓝牙2.1+EDR标准在2.0版本的基础上对数据传输的性能加以改善，具有3个主要特征：改善装置配对流程、节约能源和增强安全性等]13[。目前，较新的版本是蓝牙技术联盟在2009年4月颁布的蓝牙3.0+HS高速核心规范和在2009年12月颁布的蓝牙4.0低功耗核心规范。前者采用交替射频技术，并且集成了IEEE802.11协议适应层，使蓝牙数据传输速率提高至24Mbit/s。此外，蓝牙3.0+HS还增加了单播无连接数据传输模式和增强功率控制等新功能]14[。蓝牙规范4.0可以说是蓝牙3.0+HS规范的补充，降低了蓝牙技术数据传输的能耗]15[，这个版本主要应用在医疗保健、运动与健身、安全及家庭娱乐等全新的市场。3蓝牙技术数据传输的研究现有关于蓝牙技术数据传输的研究主要集中在以下几个方面：数据分组的选择对于传输性能的影响、数据传输过程中的干扰和数据传输过程中的安全等问题。3.1蓝牙技术数据传输性能分析基于蓝牙技术的无线数据传输过程主要由传输层协议来管理，该层负责蓝牙设备间对方位置的确认，以及建立和管理蓝牙设备之间的物理与逻辑链路。除此之外传输协议又可细分为底层传输协议和高层传输协议2个重要部分。底层传输协议侧重语音与数据无线传输的实现，主要包括射频、基带和链路管理协议3个部分；高层传输协议主要包括逻辑链路控制与适配层协议和主机控制器接口，其主要功能包括：为高层应用程序屏蔽诸如跳频序列选择等底层传输操作；为高层应用程序的实现提供更加有效和易于实现的数据分组格式。3.1.1蓝牙技术底层数据传输分组选择通信设备间物理层的数据传输连接通道就是物理链路[1]，为此蓝牙协议定义了2种类型的链路：同步面向连接链路和异步无连接链路(ACL,asynchronousconnecti-onlesslink)。蓝牙皮可网采用分组形式进行数据传输，基带层给出了2种分组格式：一种是蓝牙协议1.0中规定的标准分组格式，主要由接入码、分组头和有效载荷3部分组成；另一种是蓝牙协议2.0+EDR版本提出的增强型数据分组格式，将其原有分组格式的有效载荷部分分成同步码、净荷和尾码3个部分，保留了原有的接入码和分组头2个部分，数据部分采用相移键控(PSK,phaseshiftkeying)调制方式，并在数据分组中引入了保护周期。蓝牙皮可网中使用的分组类型与使用的物理链路有关。对于蓝牙数据传输链路，协议给出了如下分组类型：DM1分组、DH1分组、DM3分组、DH3分组、DM5分组、DH5分组、AUX1分组、HV1分组、HV2分组、HV3分组和DV分组。2.0规范新增了2-DH1分组、2-DH3分组、2-DH5分组、3-DH1分组、3-DH3分组和3-DH5分组等。现有的关于蓝牙技术底层数据传输的研究主要集中在数据分组选择问题上，由于协议给出的分组类型性能各不相同，如数据载荷的大小和采用的纠错机制等，对数据传输性能会产生很大的影响。针对此问题，国内外的研究人员均已取得了一定的进展。SARKAR等在假设信道状态已知的情况下,利用所建立的数学模型求出吞吐量最大时数据分组大小的最优值，进一步提高了系统的整体性能]16[。杨帆等分析了蓝牙2.0+EDR新规范定义的3种调制方式在加性高斯白噪声(AWGN,additivewhiteGaussiannoise)信道下的位错误率与平均接收信噪比的关系，根据不同分组的特性，提出了在AWGN信道下的自适应分组选择策略]17[。徐飞等在原有的蓝牙2.0+EDR协议中加入采用BCH编码的数据分组，有效提高了蓝牙数据传输效率、抗干扰能力以及在AWGN信道下的数据传输吞吐量]18[。杨帆等提出了一种基于信噪比的蓝牙自适应分组类型选择方法。其原理就是根据接收信噪比的不同情况选择最佳的分组类型进行传输，给出了进行分组类型切换时信噪比的门限值，改善了在信道状态不佳时的系统性能]19[。JU等提出了一种基于信道估计的蓝牙系统分组选择策略，针对不同信道误比特率的差异，结合现有蓝牙数据分组的特点，提高了原有系统的吞吐量。这种自适应分组选择策略不仅可以有效地提高系统吞吐量，还能够降低数据传输的延迟，在一定程度上可以解决无线个域网的信息拥塞问题]20[。因此，不同误码率和数据分组对于系统吞吐量的影响是有差异的。当系统不存在干扰或者干扰很小的时候，小时隙的分组会增加数据分组的冗余开销，降低吞吐量。但是如果存在干扰，小时隙的分组可降低基带分组传输期间受到干扰的可能性，减少出错重传的概率。以上的参考文献虽然给出了自适应分组选择策略，但在不改变蓝牙硬件的基上，得到或者准确估计和跟踪信道质量是比较困难的，所以分组选择的难点在于如何估计或者判断信道质量。基于以上问题，王雪等提出把不同误码率下的最佳分组按照其吞吐量进行分级，并计算出分组吞吐量临界点的重传次数，同时与每个分组的平均重传次数比较，调整分组区间上下限的级别以得到该区间的最佳分组类型。该方法通过实时跟踪信道质量，做出相应的分组选择策略，尤其对于不稳定的信道，大大提高了系统的性能]21[。数据分组选择虽然可以有效改善蓝牙技术数据传输的性能，但是分组本身还存在一定的不足，例如DH分组载荷部分没有任何差错控制机制，当信道环境较差时，会严重影响蓝牙数据分组的传输性能。针对这个问题，可以尝试对DH分组的载荷部分采取合理的编码方式，纠正随机发生的比特错误，进而降低数据分组的重传次数，提高蓝牙技术数据传输的性能。现有的纠错编码方式有很多，例如BCH码]22[、RS码、汉明码和Turbo码]23[等，由于每种编码方式的复杂度和纠错能力都存在差异，所以可根据