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採用CQDDR方案提高藍芽設備抗干擾性能

上網時間: 2003年05月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Bluetooth  packet type  CQDDR  data integrity  L2CAP 

在噪音環境中,藍芽設備通訊性能將大幅降低。本文介紹的CQDDR方案可以即時監測通訊訊息通道品質,並根據訊息通道品質在DM和DH數據包以及不同的包長度之間做出恰當的選擇,在噪音環境下提Qualcomm訊可靠性,在正常條件下提高數據通訊效率。

隨著無線技術在全球的廣泛使用,通訊訊息通道變得更為擁擠而且容易受干擾。在ISM頻段內,由於有許多特殊的通訊設備在工作,這些干擾會更明顯。就藍芽設備而言,這種干擾可能來自其它藍芽設備和WLAN網路設備。

產生干擾的另一個更重要的原因是用戶在使用無線產品時總希望挑戰其性能極限。如果一個正常工作距離為10米的2類藍芽設備的極限工作距離可達50米,那麼用戶必然希望它能在50米的距離內正常工作。但是由於現實生活中存在各種干擾,要在實際環境中實現這種極限通訊對設計工程師具有很大挑戰性。

目前,除了藍芽標準中使用的各種檢錯和糾錯技術外,還有一個根據訊息通道品質來確定數據速率(CQDDR)的方案適用於解決這種干擾問題。該技術對遠距離和干擾條件下的通訊非常有效,可作為一種標準專用最佳化技術來降低干擾對藍芽設備的影響。

藍芽標準採取了很多措施來保證數據的完整性,其中一種是跳頻技術。即每個數據包都以不同的頻率傳送,同時配有快速檢錯(數據包頭和有效載荷均有檢錯碼)和應答,如果有必要還可以重傳。如果數據包沒有正確接收,則檢錯失敗,不發送應答訊號,該數據包會在下一個可用時隙內重新發送。在藍芽方案中,數據包不但有檢錯功能,還包含了糾錯功能,但需要犧牲一定頻寬。

藍芽通訊中有兩種數據包類型,分別是DH(高數據率)和DM(中等數據率)。兩者均有三種等級,分別為單時隙、3倍時隙和5倍時隙,每個DM或DH數據包後標有相應的數位,用來指示該數據包的長度。DH中的‘H’代表高頻寬,指的是數據包中能夠攜帶最多有效載荷。DH5容量為339位元組,採用DH5的藍芽方案的數據率可達723kbps。但DH5也有缺點,只要接收的DH數據包中有一位誤碼,整個數據包就必須重傳。DM數據包支援中等數據頻寬,它與同等級的DH數據包的數據長度相同,但DM數據包的有效載荷中有三分之一都被前向糾錯碼(FEC)佔用了。每10位元的數據後面都加有5位元的前向糾錯碼,可以在15位元的數據╱FEC時脈內最多糾正兩位元的誤碼。最高有效載荷的DM數據包最多可包含224位元組數據,允許的最大頻寬為477.8kbps。

數據包類型與誤碼率

誤碼使各種藍芽數據包所提供的載荷保護機制失效的概率有多大?數據包類型和在空中傳輸時的誤碼率是其中兩個需要考慮的因素。圖1給出了二者之間的關係,其中上面的虛線表示誤碼率為10-13,下面的虛線表示誤碼率為10-9。由該圖可以看出,受FEC保護的DM數據包具有很好的強韌性。隨著BER的增加,不同數據包長度所對應的曲線在1G位元組附近出現分叉。

然而,如果數據鏈路的BER低於10-9,那麼人們就會認為這個鏈路很不可靠。因此,由於數據包的長度不同而造成的可靠性差異實際上與鏈路沒有太大關係。人們更感興趣的是DH數據包和DM數據包在可靠性上的差別。

如果要求數據完整性很高,那麼就應採用DM數據包。另一方面,如果10-9的誤碼率能夠滿足性能需要,那麼在BER低於0.02%時可以採用DH數據包,並能提供最高的頻寬。但如果BER高於這個等級,那麼就要採用DM數據包才能保證可滿足數據完整性要求。實際上,採用DM數據包可能反而比採用DH數據包提供的頻寬更高。

在一個一般的BER環境中,很多數據包都可能受干擾影響。DH數據包只能藉由重傳來恢復數據,但頻寬浪費太大,而採用DM數據包可以藉由採用FEC來糾正受干擾的數據,不需要重傳。因此,儘管DM數據包支援的頻寬只有DH數據包的三分之二,但其抗干擾性卻比DH數據包好很多。

BER、數據包類型和有效頻寬之間的關係如圖2所示。從圖中可看出,DH數據包的有效頻寬事實上並不如DM數據包高。當BER為0.04%時,DH5數據包只能提供200kbps的頻寬,而DM5卻能提供超過450kbps的頻寬。如果BER低於0.02%,則DM數據包的有效頻寬超過DH數據包,而DH數據包能提供的數據完整性則低於10-9

因此,在基頻時正確選擇數據包類型不但有利於保持最大頻寬,而且可提供有效的鏈路。由於數據完整性和有效頻寬這兩個標準的臨界BER相同,因此提高其中一者的時候不會犧牲另一者。

突發噪音干擾圖1: 出現數據包傳輸錯誤的平均間隔位元組數與誤碼率的函數曲線。

前面的討論均假設背景噪音是均勻的,沒有考慮在某個短時段內的突發噪音干擾。突發噪音可能由開關電弧和其它藍芽設備或採用802.11b協議的設備在以同一頻率發送訊號所引起。對突發噪音干擾進行建模比對均勻噪音建模更困難,因為突發噪音可能有很多種類型,而且也不能知道這類噪音會在哪個時間段產生。對於突發噪音,需要注意以下幾點:

1. 對DH數據包而言,即使突發噪音只影響到載荷中的一個數據位,整個數據包也必須重發;而對DM數據包而言,只有在突發噪音影響15位元數據╱FEC模組中的3個有效載荷位或者更多時才會重發。2. 非有效載荷部份(如數據包頭)對突發噪音的容錯能力比有效載荷部份要高,但對於數據包頭而言,其最大容錯能力也只是數據包頭FEC的三分之一。因此,DM數據包對突發噪音的容錯能力比DH數據包要強一些,但差別並不大。比如,一次開關放電可能延續3微秒以上,而在ISM頻段中,某資訊與其它資訊產生的衝突可能持續整整一個數據包的傳輸過程。除了最輕微的突發噪音外,所有其它突發噪音對DM或DH數據包的干擾都一樣,因此選擇DM和DH數據包並無太大區別。

自然突發噪音一般不會持續太久,因而它對整個頻寬的平均影響並不大。如果16位元或超過16位元接收數據都受到了噪音干擾,那麼DH數據包成功發送16位元CRC檢測訊號的概率就是2-16。而DM數據包中存在FEC部份,因而很難預測。根據經驗,如果在每個15位元的FEC中有三分之二都受到了噪音干擾,那麼在數據包中出現不可糾正錯誤並導致數據包拒收的概率為50%。因此,在只有均勻噪音的情況下,如果我們最關注的是數據完整性,那麼就應該選擇DM數據包。

大多數藍芽晶片組都支援所有的數據包類型,但藍芽設備在設立鏈接的時候,可以限定鏈接所採用的數據包類型。有些應用選擇DM型數據包,但大部份情況下都應該允許DH和DM數據包同時可用。具體的選擇由底層的基頻部份和決策算法部份決定,其中決策算法部份由特定的晶片組實現。好的算法可將平均誤碼率降低幾個數量級,而採用差的算法時,當切換到有FEC保護的數據包時出現鏈接超時的問題。

簡單的藍芽晶片組方案僅僅根據待發送的位元組數來決定採用哪種數據包類型,即如果待發送位元組能夠填滿一個DH5數據包,那麼就選擇DH5數據包。這種方法在實驗室中使用還不錯,但正如前面所分析,在實際應用時其效果可能很糟糕。

CQDDR方案根據需要選擇合適的數據包

為了保證用戶在使用時的良好效果,藍芽方案在選擇數據包類型時不僅要看等待發送的數據有多少,還應該考慮各種可能導致出錯的因素。CQDDR在藍芽方案中就是起到這樣的作用。

採用CQDDR方案允許接收設備與發送設備協商,根據所處的環境改變數據包類型,因而解決長距離通訊和干擾問題。例如,如果通訊的一方發現接收到的數據包錯誤過多,它就會通知另一方採用DM數據包。在本次鏈接完成後,又允許另一方重新採用DH數據包。

例如,在大功率1類設備與小功率2類設備鏈接時,由於它們之間的數據傳輸已達到2類設備的極限距離,因此1類設備在接收由2類設備發出的數據時較為困難,此時它會通知2類設備採用DM數據包。另一方面,2類設備從1類設備所接收到的訊號足夠強,因此對它而言DH數據包是最佳選擇。圖2: 有效頻寬與BER的關係曲線。

在藍芽標準的應用中主要的困難是如何測量BER並產生恰當的數據包類型請求。如圖1和圖2所示,DH數據包和DM數據包曲線的交叉點大約出現在0.02%BER處。要以0.02%的誤碼率來判斷選擇用哪種數據包,就要求將誤碼數平攤到多個數據包上來運算誤碼率,這本身就會造成問題。對DH數據包來說,還有另一個問題:如果CRC校驗失敗,如何判斷有多少位數據出錯?不過,我們還可以根據數據包頭中的誤碼率來大致估計BER。

CQDDR允許獨立選擇DM或DH數據包類型以及數據包長度。根據以上分析,數據包的長度似乎對數據完整性影響不大。所以考慮到頻寬效率,最好將數據包長度留給基頻部份來決定,CQDDR只用於選擇DM或DH數據包類型。

根據藍芽網站上的資格認證資訊顯示,目前只有兩家公司採用過CQDDR。因此,具有CQDDR功能的晶片不一定能獲得遠端設備的支援,根據這種情況,CSR公司開發出一種算法,該算法著眼於唯一可用的資訊:ACK(應答數據包)與NACK(非應答數據包)的比例,並根據這一資訊估計鏈接的性能,然後對發送數據包的類型進行修改。但這種方法對已經入站的資訊流無法進行任何作業。

該算法很簡單,但效率很高,特別是對於一個已經採用了DH數據包而且干擾越來越大的鏈接時,如果該鏈接繼續採用DH數據包而不使用這種算法,最終BER會增大到使DH5數據包無法傳輸。

本文小結

由於目前晶片組對CQDDR的支援並不是很多,建議產品開發商首先要了解問題所在,並清楚CQDDR的作用。然後仔細研究基頻機制,弄清其數據包類型選擇算法及所有用於最佳化頻寬的專有技術。

對於正研究中的計畫來說,在應用級提供一定程度的頻寬保護是可能的,但這樣會延長開發時間。我們可以藉由一些主控制器介面(HCI)級指令來獲得相關鏈接品質資訊,但開發商必須認識到該資訊並非確實的數據,而是從0到255的一系列等級數(等級數越小則鏈接品質越差),而且這一等級數也取決於該研發晶片所用的基頻機制。

隨著越來越多的晶片組日趨成熟,這些晶片組將包含CQDDR和可靠的BER測量方案。應用開發商可以不必選擇數據包類型,而將這一的任務的具體細節交給基頻部份來完成,並且對任何晶片組廠商的產品都適用。

作者:David McCall


高級應用工程師


CSR公司


Email: david.mccall@csr.com




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