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縮短藍牙鏈路建立時間的快速連接方案

上網時間: 2003年05月31日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:藍牙鏈路  藍牙  Piconet  跳頻序列  FHS 

藍牙技術已經大量在通訊產品中得到應用,然而存在的一些技術細節限制了它的發展,其中一項就是建立藍牙鏈路的時延過長。本文參考藍牙SIG組織最新公佈的協議,在詳細分析建立藍牙鏈路的時延的基礎上,給出了兩種快速建立藍牙鏈路的方案,並對它們的性能進行了比較。

藍牙設備具有多種工作模式,它們可以根據各自所處的狀態和下一步的需要選擇合適的工作模式。在一個藍牙網路(Piconet)建立之前,所有的設備都工作在待命模式。主設備藉由查詢工作模式來搜集相鄰節點的資訊,並且藉由尋呼工作模式來建立與相鄰設備間的連接。在這兩個過程中,從設備相應地處於查詢掃描和尋呼掃描工作模式,這兩個過程又分別稱為查詢過程和尋呼過程。

主設備首先初始化連接程式,如果它要連接的從設備的地址已知,則藉由尋呼過程來建立連接;如果要連接的從設備的地址未知,則藉由查詢過程來尋找它周圍的藍牙設備,從而獲得從設備的地址資訊,再藉由尋呼過程來建立連接。在查詢過程中,主設備發現並搜集由從設備提供的相鄰節點的資訊;在尋呼過程中,主設備連接到從設備,並獲得前一次查詢過程中的資訊。圖1:點對點鏈路的建立過程。

在查詢過程中,主設備可以獲得從設備的時鐘值,在接下來的尋呼過程中,主設備藉由估測從設備的相位來避免頻率同步時延,並且由它來決定從設備的相位並與之建立連接。

查詢和尋呼過程間的差別在於:前者使用唯一的跳頻序列(FHS),而後者使用點對點的FHS。藉由唯一的查詢跳頻序列,主設備廣播一個IAC供從設備偵聽。在尋呼過程中,主設備使用某個從設備的尋呼跳頻序列,藉由發送一個設備接入碼(DAC)來進行連接初始化,該幀通常只被相應的從設備偵聽到。因此,很多設備參與查詢過程,即主設備能夠發現多個從設備。但是只有兩個設備參與某個特定的尋呼過程,之後主設備就可以與某個特定的從設備建立連接。

建立藍牙鏈路的過程

鏈路的建立過程由處於查詢工作模式下的主設備啟動,而此時從設備處於查詢掃描工作模式。正如前面所述,在主設備以從設備偵聽的頻率發送數據之前,會有一個頻率同步時延。這?的頻率同步時延是指:從主設備發送查詢接入碼(IAC)開始,直到從設備偵聽到該幀之間所經歷的時間。從設備在接收到IAC幀之後,將隨機地等待一段時間,這個時間均勻分佈在0∼639.375毫秒之間,以避免兩個從設備同時偵聽到同一個跳頻而產生衝突,我們稱這個等待時間為隨機退避時延(RB Delay)。當從設備被重新喚醒時,它再次以退避之前偵聽到的跳頻頻率啟動偵聽,藉由另一個FS 時延後(類似前者),第二個來自主設備的IAC 幀將被接收到,這時從設備將對主設備返回一個FHS幀,該幀含有以下內容:

1. 從設備地址: 主設備利用它導出從設備的DAC和稍後在尋呼從設備的過程中用到的尋呼跳頻序列。

2. 從設備的時鐘值:它被用於估測從設備的相位,並以此來消除在後面的尋呼過程中的頻率同步時延。

藍牙鏈路的建立過程如圖1所示,虛線箭頭指出了收發設備每個事件的時間線,每個事件按照其在連接過程中產生的順序編號。該連接過程表明:從設備在發給主設備查詢響應FHS幀後,進入尋呼掃描工作模式;主設備收到這個FHS幀後,進入尋呼工作模式。主設備利用從設備響應的FHS幀中的時鐘資訊,以從設備在尋呼掃描狀態中的偵聽頻率發送DAC幀,而從設備也用DAC 幀來響應它。之後,主設備發送一個FHS幀,從設備從這個FHS幀中得到跳頻序列通道資訊以及主設備的相位資訊,真正成為點到點連接中的從設備。隨後,從設備用另一個DAC幀來響應這個FHS圖2:建立藍牙鏈路時延的概率分佈函數。 幀,一旦主設備接收到這個響應,它就真正成為點到點連接中的主設備,開始與從設備交換數據。

建立藍牙鏈路的時延分析

如圖1所示,可以很容易看出連接過程中的時延因素,它包括查詢過程的時延、尋呼過程的時延以及因為相位失鎖引起的相位時延。比較之下,尋呼過程的時延可以忽略,因為它緊跟著查詢過程。只要從設備收到第一個DAC 幀,在接下來的4個625us時隙中將會完成尋呼過程。

查詢過程的時延包括:第一個FS 時延(頻率同步時延)、RB 時延和第二個FS 時延。第一個FS 時延是從主設備發送查詢接入碼開始,直到從設備偵聽到該幀之間所經歷的時間。從設備在接收到IAC幀之後,將隨機地等待一段時間,這個時間均勻分佈在0∼639.375毫秒之間,以避免兩個從設備同時偵聽到同一個跳頻而產生衝突,即產生一個隨機退避時延。第二個FS 時延產生在接收端被喚醒後,等待第二個IAC 幀的到來時。

這樣我們近似用下面的方程表達鏈路連接時延Tconnect


Tconnect = 2FS + RB (1)

這? FS 和RB 分別是定義域為[0,Tcoverge]和[0,rmax] 的隨機變量,這?的Tcoverge和rmax是FS時延 和RB時延的最大可能取值,Tcoverge為1.28秒,rmax為639.375毫秒。按照方程(1),建立藍牙鏈路的最大連接時延為2Tcoverge+ rmax = 2.56s+639.375ms=3.2s.

另外,盡管主設備和從設備使用同一個跳頻序列,但它們仍有可能相位失鎖。這是因為每個設備都會以源自本地時鐘值的不同跳頻啟動,因此設備間的相位差不可避免地存在不確定性。這樣,就會有一個因為相位失鎖引起的相位時延。從設備每過一段時間將調整相位,重新掃描。

快速建立藍牙鏈路的方案

1. 取消隨機退避時延圖3:建立藍牙鏈路時延的累積分佈函數。


從上面對時延的分析我們可以看到: 從設備在接收到第一個IAC幀之後將隨機地等待一段時間,以避免兩個從設備同時偵聽到同一個跳頻而產生衝突。我們可以將這個過程省略,因為從概率說,在主設備發出第一個IAC幀和第二個IAC幀的過程中,兩個從設備同時偵聽到同一個跳頻而產生衝突的概率是一樣的,即藉由一個退避時延並不能保證第二次不衝突。這樣,在相位一致的情況下,藍牙的連接過程中就節省了一個FS時延和一個RB時延。

2. 採用交織掃描技術


在通常情況下,如果從設備在2.56秒之內沒有偵聽到主設備的IAC幀,就會調整相位繼續偵聽。這樣就白白浪費了2.56秒時間。如果從設備在每一個掃描窗口(11.25ms,遠小於2.56秒)下,都調整一次相位偵聽,這樣就可以大大減小相位時延。具體的做法就是:如果第一次的掃描頻率是f(n),並且沒有偵聽到來自主設備的IAC幀,它將在下一個掃描窗口來到時,自動換到f(n+16),依此類推。

3. 幾種建立藍牙鏈路方案的性能比較


下面兩個圖介紹了兩種快速建立藍牙鏈路方案與普通建立藍牙鏈路方案的性能比較。

作者:吳瑞


上海斯圖曼電訊技術有限公司




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