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《西安电子科技大学》 2007年
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蓝牙数据传输性能增强技术研究

郭锋  
【摘要】: 作为商用的一种短距离无线通信技术,蓝牙具有无可比拟的优越性,可以被应用于如个人区域网等各种场合中,但是这并不表明蓝牙技术已经尽善尽美,蓝牙仍然有很多地方值得分析和改进。论文中针对蓝牙在数据传输性能方面存在各种实际问题和前人的研究背景出发,具体分析存在问题的原因,然后进行针对性的增强或改进,达到增强蓝牙数据传输性能的目的。论文中主要从蓝牙的数据安全性、跳频安全性、微微网抗干扰、散射网抗干扰、蓝牙与其他设备共存等方面进行了创新性研究工作。 在蓝牙数据安全性方面,对蓝牙的E_0算法的安全能力进行了详细地分析,利用其密流序列的相关性对算法进行攻击。基本攻击和优化攻击的时间复杂度分别为0(2~(83))和0(2~(78))。最后给出了基于该攻击手段的E_0算法的改进方案和实验数据。 在蓝牙跳频安全性方面,提出了一种基于通信终端设备时钟和地址信息的任意频隙跳频序列构造方法。该方法通过混淆运算、频隙映射的方式产生出均匀性好、可用频隙数小于512的任意频隙跳频序列。仿真分析和数值实验表明,该构造方法具有均匀分布、独立性好、跳频间隔稳定以及硬件方便实现等优点,可应用于实际的跳频多址通信系统中。基于密码学的加密机制,提出了利用SAFER+算法构造一种跳频序列族的方法。在此基础上对产生的跳频序列从安全性,均匀性,线性复杂度,汉明相关性等各个方面进行了全面的理论分析和计算仿真,证明了基于SAFER+算法产生的跳频序列族有着优秀的性能,满足跳频序列族的要求。提出了利用蓝牙自身加密用的E_0算法构造了一种跳频序列的产生方案。通过对生成的跳频序列进行理论分析和实验仿真,证明其除了有较理想的性能指标,且具有强的安全能力,并易于实现,对系统的硬件资源要求不高,非常适合作为跳频通信中的跳频序列。 在蓝牙微微网抗干扰方面,分析了蓝牙数据分组重传概率与位错误率的关系,推导出了各个数据分组类型在不同的信噪比下要达到的平均数据传输速率,提出了基于丢包统计的蓝牙数据分组自适应分组策略。然后提出增加2-DM和3-DM来改善蓝牙的抗干扰能力。进一步提出对蓝牙数据分组利用BCH编码方式进行编码以提高蓝牙数据传输的抗干扰能力和吞吐量,并且对新采用BCH编码的数据分组特性进行了分析。仿真计算结果表明了该方法的有效性。研究了蓝牙的广播性能,推导出在一定成功率(99%)下应该选用的数据分组,需要的重传次数,并且给出了平均最大传输吞吐量。同时,给出了蓝牙系统级的Simulink模型,并进行了室内传播模型的仿真和实验。 在蓝牙散射网抗干扰方面,建立了蓝牙散射网下数据分组相互干扰的分析模型。在此基础上得出了蓝牙散射网在进行ACL分组传输时的网络吞吐量。并得出达到最大吞吐量时应当采用的最佳分组。提出一种SAR策略以提高蓝牙散射网的吞吐量的方法。微微网通过比较自身和其他微微网的跳频序列,可以预警到何时隙可能有碰撞发生,并对数据进行分割与重组。通过该方法可以有效地避免微微网之间的碰撞,通过仿真分析可以看出,该方法能够明显提高蓝牙散射网的吞吐量。最后,充分利用了蓝牙跳频序列相关特性差这一特点,利用同一跳频地址而不同时钟而产生的跳频序列集构造完备的准正交跳频序列。在组网时可以由某一首领主设备向其他微微网的主设备发送自己的跳频地址(低28位设备地址)、时钟以及每个主设备的时钟偏移量,各微微网进行互不干扰的准正交跳频通信,大大提高了蓝牙散射网的吞吐量。 在蓝牙与其他设备共存方面,提出了一种全新的多射频蓝牙技术,用于解决短距离无线通信中日趋严重的共扰问题。该方案在不改变蓝牙基带协议的基础上,增加蓝牙900MHz射频模块和5.8GHz射频模块,使得蓝牙设备的射频可在900MHz、2.4GHz和5.8GHz的ISM频段间切换。在具体的电路硬件可靠实现的基础上进行性能仿真,结果表明该方案不仅改善了与其他无线通信方式的相互干扰问题,而且还从组网特性、抗跟踪能力以及通信距离等方面得到了改进。 本文的研究工作取得了一定的创新和成果,同时也对其他短距离通信的数据可靠性具有借鉴意义。研究工作将持续深入下去,正在进行和进一步的工作包括以下几个方面: 1.蓝牙基带系统ASIC的制作。我们整个项目是实现过程是“基于蓝牙”→“改造蓝牙”→“优于蓝牙”。只有自制蓝牙的基带,才能在现有蓝牙的基础上,剔除蓝牙的缺点,才能使本文中提出的某些蓝牙改进得以彻底地实现。 2.蓝牙散射网中语音的传输。在蓝牙微微网中可以建立SCO链路进行语音的传输,但在蓝牙散射网中主要是以ACL链路为主,很难在多跳网中实现SCO链路。而语音是蓝牙通信中最重要的业务之一,如何在蓝牙散射网中进行实时语音的传输是一个难题,有待于进一步研究才能得以解决。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN925

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