招遠(yuǎn)廣播電視臺 劉新梅 李洪光
藍(lán)牙(Bluetooth)是一種低功耗的無線技術(shù),目的是取代現(xiàn)有的PC、打印機、傳真機和移動電話等設(shè)備上的有線接口。主要優(yōu)點是:可以隨時隨地用無線接口來代替有線電纜連接;具有很強的移植性,可應(yīng)用于多種通信場合,如WAP,GSM,DECT等,引入身份識別后可以靈活實現(xiàn)漫游;低功耗,對人體危害?。凰{(lán)牙集成電路應(yīng)用簡單,成本低廉,實現(xiàn)容易,易于推廣。藍(lán)牙技術(shù)提供低成本、近距離的無線通信,構(gòu)成固定與移動設(shè)備通信環(huán)境中的個人網(wǎng)絡(luò),使得近距離內(nèi)各鐘信息設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無縫資源共享。
藍(lán)牙技術(shù)自提出以來,在短短幾年的時間里己風(fēng)靡全球。目前,全球己有2000多家企業(yè)推出了藍(lán)牙芯片、藍(lán)牙平臺、應(yīng)用程序、測試設(shè)備等新產(chǎn)品??陀^地說,藍(lán)牙采用的技術(shù)中有些并非是當(dāng)前該領(lǐng)域最先進的技術(shù)。藍(lán)牙的目標(biāo)是全球通用、價格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊,因此它并不強調(diào)技術(shù)的先進性。比如糾錯編碼方式,藍(lán)牙采用的是1/3率的重復(fù)碼、2/3率的漢明碼,而沒有采用相同編碼速率的卷積碼、Turbo碼或其他更先進的編碼方式。作為用戶,總希望使用的產(chǎn)品所采用的技術(shù)越先進越好,而對規(guī)范實現(xiàn)者和產(chǎn)品生產(chǎn)商而言,總希望產(chǎn)品的制造成本越低越好。
本文研究的就是藍(lán)牙在實際應(yīng)用中的傳輸性能及相關(guān)的問題。
目前對藍(lán)牙安全方面存在問題已經(jīng)進行了大量的研究,指出了藍(lán)牙在安全方面存在的隱患。這些隱患主要包括:
1.認(rèn)證(Authentication)問題。藍(lán)牙的認(rèn)證機制是基于設(shè)備而不是基于用戶,這就意味著當(dāng)設(shè)備丟失或被竊時仍然可以通信,可能會對用戶造成某種損失。另外,藍(lán)牙也沒有定義對服務(wù)的獨立認(rèn)證。Lan Nguyen等對此提出了改進的藍(lán)牙安全協(xié)議。
2.PIN碼的長度問題。短的PIN碼倍數(shù)容易受到攻擊,長的則不便于記憶。Yaniv Shaked等對此進行了詳細(xì)的分析,并給出了攻擊手段。
3.藍(lán)牙的設(shè)備配對((Pairing)問題。Serge Vaudenay等分析了不安全的原因,并提出采用對稱密鑰的修補方案。Ford-long Wong等也提出了不同的修補方案。
4.安全協(xié)議在散射網(wǎng)中的使用問題。造成藍(lán)牙諸多不安全因素的原因之一在于藍(lán)牙采用的是對稱密鑰算法。Pushpa.R等針對藍(lán)牙的配對和認(rèn)證過程指出采用對稱密鑰算法不安全的原因,并建議采用非對稱的公鑰算法來增強藍(lán)牙的安全性。
藍(lán)牙微微網(wǎng)是藍(lán)牙組網(wǎng)的基本形式。藍(lán)牙主設(shè)備可連接一個到最多七個活動的從設(shè)備,這已經(jīng)可以應(yīng)用到大多數(shù)的場合中。影響藍(lán)牙微微網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的主要問題有:
1.微微網(wǎng)的抗干擾問題
在藍(lán)牙微微網(wǎng)的抗干擾分析方面,Valentl等最早研究了在加性高斯白噪聲(AWGN)與瑞利(Rayleigh)衰落信道下分組重傳概率與藍(lán)牙鏈路吞吐量的數(shù)學(xué)模型。J.H.Kleinschmidt等研究了在Nakagami-m信道下藍(lán)牙的傳輸性能。Pasolinit等研究了平均接收信噪比與分組錯誤率間的關(guān)系。Kleinschmidt等提出了在Nakagami-m信道下利用信道狀態(tài)信息估計的藍(lán)牙微微網(wǎng)調(diào)度算法。Sarkar等提出了在假設(shè)信道狀態(tài)已知的情況下求解吞吐量最大值的數(shù)字方法。Andre Stranne等研究了藍(lán)牙數(shù)據(jù)包長度對藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸吞吐量的影響。N.0Golmie等對藍(lán)牙設(shè)備與802.11設(shè)備共存時的互干擾情況進行了詳細(xì)的分析并提出了解決方法。這些研究都是對藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸性能在不同方面進行了分析,并且也給出了一些改進的思路。在抗干擾方式的改進方面,Valenti,M.C等人提出采用Turbo碼來增強藍(lán)牙的抗千擾能力。但是Turbo碼的譯碼比較復(fù)雜,需要很大的計算量。要發(fā)揮Turb。碼的優(yōu)勢還需要一定的交織深度,這并不適合像藍(lán)牙這樣的短數(shù)據(jù)包格式。
2.基于信道質(zhì)量的自適應(yīng)分組策略
M.C.Ju等最早提出了根據(jù)信噪比的自適應(yīng)數(shù)據(jù)分組策略。Jung-Ho Yoon等提出在藍(lán)牙協(xié)議中增加4PSK和8PSK調(diào)制方式,并進一步給出了基于新藍(lán)牙協(xié)議的自適應(yīng)分組策略。國內(nèi)的楊帆等人則具體給出了藍(lán)牙2.0協(xié)議下基于信噪比的自適應(yīng)分組策略和在一定的信噪比下的最大平均吞吐量。但實際上,在不改變藍(lán)牙硬件的基礎(chǔ)上,想得到或準(zhǔn)確估計和跟蹤信道質(zhì)量(信噪比)是比較困難的。所以自適應(yīng)策略的主要的難點在于如何估計或判斷信道的質(zhì)量。可采用的方法包括BER(位錯誤率)統(tǒng)計和PER(丟包率)統(tǒng)計等。Jung-Ho Yoon等提出利用發(fā)送DM1分組簡單地測量BER的方法。從結(jié)果來看,在BER在 10-2_10-3之間時測量只需幾個分組即可,但在BER低于10一3時,需要400多個DM1分組。采用PER統(tǒng)計的方法是根據(jù)以住分組的丟包率估計BER。對于藍(lán)牙來說,最大的難度在于藍(lán)牙定義的很多種的數(shù)據(jù)分組類型。Ki Won Sung等引入了一種叫“mini-packet”機制,采用最大似然函數(shù)來選擇藍(lán)牙數(shù)據(jù)分組的最佳時隙長度。但忽略了藍(lán)牙的調(diào)制方式和抗干擾方式,結(jié)論并不實用。
3.藍(lán)牙微微網(wǎng)的調(diào)度算法
在藍(lán)牙微微網(wǎng)中,為了和多個從設(shè)備進行通信,藍(lán)牙系統(tǒng)采用純循環(huán)輪詢(Round Robin)方案,對所有的從設(shè)備平均分配輪詢次數(shù),從設(shè)備只在輪詢到自己時才允許發(fā)送數(shù)據(jù),當(dāng)主設(shè)備無數(shù)據(jù)發(fā)送時,則發(fā)送無數(shù)據(jù)的查詢數(shù)據(jù)包(叫做POLL包),從設(shè)備無數(shù)據(jù)發(fā)送時則發(fā)送無負(fù)載的NULL包。這個方式效率較低。Carlos Cordeiro等提出采用動態(tài)時隙分配的方法來提高微微網(wǎng)的總體吞吐量。他們進一步擴展了該方法,實現(xiàn)了藍(lán)牙從一從之間的通信。Wensheng Zhang等采用了時隙指配的方法來增強主從之間的通信。Jean等也提出了一種公平、有效的輪詢算法。
4.藍(lán)牙設(shè)備的連接時間
藍(lán)牙采用快速跳頻方式進行通信,這意味著藍(lán)牙必須跳頻同步才能通信。在彼此之前沒有通信的情況下,藍(lán)牙設(shè)備連接可能要花很長的時間,典型的開銷為5.76秒,最差時可能要花23秒。M.duflot等分析了藍(lán)牙查詢時間的概率模型,最優(yōu)和最差情況以及查詢所用的平均時間和消耗的功率。Brian等詳細(xì)分析了查詢時間服從的分布和統(tǒng)計式。Debasish等分析了不同設(shè)備數(shù)時的查詢時間。在很多文獻(xiàn)中提出改變協(xié)議來加快藍(lán)牙的連接時間。主要提出的方法有:
(1)減少回退時間。Wensheng Zhang等研究了減小回退時間對查詢時間的影響。Gergely等求出了各種不同情況下回退時間的最佳值。
(2)改變藍(lán)牙查詢的跳頻序列。Xin Zhang層提出采用A組和B組序列交替使用而不是重復(fù)256次的方法來中加快查詢。J.R.Jiang提出通過改變查詢和被查詢角色的方案來加快查詢。
(3)采用全新的藍(lán)牙連接協(xié)議。Peter-son提出用多個查詢設(shè)備來加快查詢。Kardos提出了一種命名為“RECON”的新的接連協(xié)議。另外,也有人提出采用紅外和RFID來加速藍(lán)牙連接。關(guān)于這一內(nèi)容的研究目前已經(jīng)比較成熟。
最早A.El-Hoiydi提出了多個微微網(wǎng)下的單時隙分組(DM1分組)時的誤包率計算方法和多微微網(wǎng)能夠達(dá)到的總吞吐量。K.Naik也基于DM1分組給出了單時隙的一般干擾模型,并假定微微網(wǎng)的跳頻信道數(shù)分別為79跳、23跳以及混合方式。最后得出相對應(yīng)的丟包率和網(wǎng)絡(luò)總吞吐量。以上兩個文獻(xiàn)中假定每個藍(lán)牙微微網(wǎng)的業(yè)務(wù)量為100%,即總有包發(fā)送和接收。Sevillano詳細(xì)給出了單時隙分組的碰撞模型,并假定新的數(shù)據(jù)分組產(chǎn)生服從一定的概率分布。以上的分析都是假定微微網(wǎng)只存在一種數(shù)據(jù)分組一DM1分組。K.Naik同時也研究了在時隙同步情況下多種數(shù)據(jù)分組的網(wǎng)絡(luò)吞吐量及誤包率。I.Ashra研究了多微微網(wǎng)下如何進行時隙同步的問題。Fredrik Floren經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)給出了當(dāng)微微網(wǎng)時隙不同步時,采用多個數(shù)據(jù)分組時的微微網(wǎng)的丟包率和網(wǎng)絡(luò)總吞吐量的上限和下限。在其他相關(guān)研究方面,Howitt中通過實驗測試了獨立藍(lán)牙微微網(wǎng)之間的同頻干擾對傳輸性能的影響。
本文在充分研究現(xiàn)有藍(lán)牙文章的基礎(chǔ)上,指出了藍(lán)牙傳輸中存在的問題,即安全問題、吞吐量問題和服務(wù)質(zhì)量問題。針對每一個問題,充分研究了目前已有的技術(shù),指出了解決每一個問題的合適方法。
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