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  • 蓝牙自适应跳频技术

    千次阅读 2019-01-19 20:56:20
    蓝牙技术是工作在2.4GHz免费工业频段上的短距离无线通信技术,同时工作在2.4G频率...但其实早期的蓝牙与802.11之间的干扰非常的严重,足以毁掉双方的通信,造成了双方无法共存的局面,于是蓝牙采用了** 自适应跳频技术

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    背景
    我们知道蓝牙技术是工作在2.4GHz免费工业频段上的短距离无线通信技术,同时工作在2.4G频率上的还有其他无线通信标准,例如802.11。我们知道如果两种频率同时工作在同一个频率段,那么就会产生相互干扰,造成数据传输质量降低。因此早期的蓝牙设计者考虑了这些问题后,决定采用调频的技术避免和802.11的频率竞争,即在每一个固定的频率上只驻留很短的时间然后在换一个频率进行数据的通信。
    但其实早期的蓝牙与802.11之间的干扰非常的严重,足以毁掉双方的通信,造成了双方无法共存的局面,于是蓝牙采用了** 自适应跳频技术 来自适应调频序列,排除掉存在干扰的射频信道。
    定义
    ** 自适应跳频技术
    是建立在自动信道质量分析基础上的一种频率自适应和功率自适应控制相结合的跳频技术。该技术能使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频率点,并以最小的发射功率、最低的被截获概率,达到在无干扰的跳频信道上,长时间保持优质的通信。
    原理
    自适应跳频是指除了常规跳频(盲跳频)通信所必须具备的功能外,增加频率自适应控制和功率自适应控制。所谓频率自适应控制是在跳频通信过程中,从调频图谱中去除跳频频率集中被干扰的频点,使跳频通信在无干扰的可使用的频点上进行,从而大大提高跳频通信中接收信号的质量。所谓功率自适应控制,是指自适应跳频系统中,各站台相互以最小的发射功率获得可靠的通信,以达到尽可能增加系统的隐蔽性。
    为了实现频率和功率自适应控制自适应跳频通信系统中各个台站必须具有接收信道信号质量实时评估部件和反向通信链路,以便实时测定信道接收功率大小和信道受干扰的情况,并用有关的自适应控制协议,通过反向链路及时通知发送站,调整发送站发射机功率,使收发双方同时从跳频频率集中去除受干扰的跳频频点。
    系统结构及实现

    摘自 自适应调频技术及其实现 余世荣 李渊渊

    如上图就是一个自适应调频系统的实现结构图,首先其核心模块被分为了发送自适应调频控制单元和接收自适应调频控制单元,简单点就是,一个是处理发送的,一个是负责处理接收的。
    相较于常规的调频,它具有收发自适应跳频图案发生器取代常规的跳频图案发生器,并增加了实时信道评估单元。
    在发送白适应跳频控制单元中,发送数据处理主要完成发送同步信息、通信信令和信息数据的综合;发送自适应跳频图案产生器主要产生发送跳频图案,也包括根据反馈信道接收到的信令及时去除被干扰的跳频频率点。
    在接收自适应跳频控制单元中,同步单元主要完成数据时钟同步、帧同步和跳频图案同步;实时信道质量评估单元主要根据接收信号的质量和一定的准则判定信道的好坏,从而发出指令,去除受干扰的跳频频率点,调整接收跳频图案,同时根据最低被截获概率,发出指令调整发送方的发射功率电平;接收数据处理单元完成信令信息和信息数据的分离和信令数据的处理,同时组织反馈信令发送。
    另外,根据收到的信令数据实现同步调整发送跳频图案,使之与接收方同时从跳频频率集中去除受干扰的跳频频率点。与此同时把收到的自适应功率控制指令,通过发送数据处理单元,去控制发射机的输出功率电平。
    通信过程
    自适应跳频通信的主要过程一般可以分为通信建立、扫频和通信保持三个阶段。
    在通信链路建立阶段,首先必须建立同步,在保证通信双方时钟同步、帧同步的基础上,确保双方跳频图案的同步。值得指出的是,对于自适应跳频通信来讲,为了保证同步的建立和通信的质量,在这阶段发射机的功率应能自动进行盲调整,一旦双方建立同步,立即结束盲功率调整,进入扫频阶段。所谓发射机功率盲调整是指通信双方在未建立同步时,应不断调高发射机功率,直至双方建立同步;或者直至发射机功率达到最大。
    在扫频阶段,双方的实时信道质量评估单元对跳频频率集进行全集扫频,根据确定的信道评估标准确定被干扰的频点,给出可以使用的接收方的跳频频率集,并把被干扰的全部频率通知对方,使通信双方同时删除被干扰的全部频率,获得发送方的跳频频率集与接收方完全相同,并在确定的时刻同时进入自适应跳频通信阶段,同时建立功率自适应调整。
    在通信保持阶段,由于信道条件的变化,例如:通信双方相对位置的变化或者干扰环境的改变等等,实时信道质量检测单元均会将变化的检测结果通过通信协议,以信令方式通知对方,随时将跳频频率集中的被干扰频点去除,并保证双方跳频图案的同步,同时调整发射机功率,保证双方均以最小的发射功率进行通信。
    应该指出,在扫频阶段把已发现的跳频频率集中的全部坏频点集中删除,比进入通信阶段发现一个坏频点删除一个来得简单、快捷和高效,并能保证通信初始阶段就具有较好的接收信号质量。当然,带来的缺点是在干扰频点较多时,扫频阶段的持续时间较长。

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  • 关键词:蓝牙 自适应跳频 共存性蓝牙是运行在2.4GHz非授权ISM频段上的短距离无线技术,可用作线缆替代技术或一种先进的个人局域网技术。由于对ISM频段的接入没有限制,蓝牙设备将受到很重要的干扰。干扰源可能是...
  • 蓝牙是工作在2.4GHz(2.40~2.48GHz)ISM频段的短距离无线通信技术,能组成小型无线个人区域网(PAN),在办公室和建筑物中...
  • Bluetooth:蓝牙中的自适应跳频技术

    千次阅读 2009-07-03 18:25:00
    Bluetooth:蓝牙中的自适应跳频技术减小字体 增大字体 作者:佚名 来源:不详 发布时间:2005-12-9 12:46:38<!--google_ad_client = "pub-5805842465818502";//336x280, 创建于 07-12-17

    Bluetooth:蓝牙中的自适应跳频技术

    减小字体 增大字体 作者:佚名  来源:不详  发布时间:2005-12-9 12:46:38
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      蓝牙是工作在2.4 GHz(2.40~2.48 GHz)ISM频段的短距离无线通信 技术 , 能组成小型无线个人区域网(PAN),在办公室和建筑物中代替有线电缆,低功耗、低成本及灵活组网的特点,有着广泛的应用前景。2.4 GHz频段中还有802.11b,HomeRF及微波炉、无绳电话等电子设备,为了与这些设备兼容,蓝牙采用了AFH(Adaptive Frequency Hopping),LBT(Listen Before Talk)、功率控制等一系列独特的措施克服干扰,避免冲突。随着 无线电通信 技术 的发展,频率资源日益紧张,研究蓝牙 技术 所采用的频率兼容 技术 对有效利用频谱、防止通信设备之间相互干扰,将有十分重要的作用。
      
       1 自适应跳频技术
      自适应跳频 技术 是建立在自动信道质量分析基础上的一种频率自适应和功率自适应控制相结合的 技术 。 他能使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频点,并以最小的发射功率、最低的被截获概率,达到在无干扰的跳频信道上长时间保持优质通信的目的。所谓频率自适 应控制是在跳频通信过程中,拒绝使用那些曾经用过但是传输不成功的跳频频率集中的频点,即实时去除跳频频率集中被干扰的频点,使跳频通信在无干扰的可使用 的频点上进行,从而大大提高跳频通信中接收信号的质量,如图1所示。
       
       蓝牙和802.11b都工作在2.4" GHz的ISM频段,蓝牙SIG(SpecialInteresting Group)和IEEE802.15.2的Coexistence Task Group都在关注二者的共存问题。许多成员都提交了自适应跳频的提案。提案中建议采用AFH技术,以便能动态地改变跳频序列,使 系统 干扰最小。蓝牙采用AFH对干扰进行检测并分类,通过编辑跳频算法来避免干扰,把分配变化告知 网络 中的其他成员,并周期性地维护跳频集。
      
      其中,Bijan Treister[1]等人提出的AFH共存机制具有一定的普遍性。在这种自适应跳频中,在不增加发射功率的情况下,利用干扰躲避来提高 系统 的抗干扰能力。
      
       2 蓝牙AFH的步骤
      由设备识别、信道分类、分类信息交换、自适应跳频4部分组成。其框图如图2所示。
       
      2.1 设备识别
      
      当一个从设备接入微微网时,在进行通信之前,首先由链路管理协议(LMP)交换信息,以确定通信双方的设备是否支持AFH模式。LMP信息中包含了二者通信应使用的最小信道数。主机按LMP协议先询问从设备是否支持AFH,当从设备回答后,再进行AFH通信。
      
      2.2 信道分类
      
      根据某一准则,按传输质量对信道进行分类。按LMP的格式形成一个分类表,在主设备和从设备之间交换信息后,以此分类表为依据进行自适应跳频。分类方法采用时分的形式,以保证抗瞬间的干扰。按信道的质量,把信道分成“好”信道与“坏”信道。
      
      可以用以下方法对信道的质量进行评估:首先接收设备对包损率PLRs(Packet" Loss Ratios)、有效载荷的CRC,HEC,FEC误差等参数进行测量。在测量PLR时,如果PLR超过了 系统 定义的门限,则宣布此信道为坏信道。从设备测量CRC时,也会自动检测此包的有效载荷的CRC,如果校验码正确,则说明接收正确的包,否则宣布包丢失。
      
      2.3 信道信息交换
      
      通过LMP命令通知 网络 中的成员,交换AFH的消息。主设备通过分类,把信道分为好信道、坏信道、未用信道,然后把信道分类情况通知从设备。同时,从设备把自己的情况通知主设备。主从设备之间建立联系,确定哪些信道可用,哪些不可用,为下一步自适应频率的产生做准备。
      
      2.4 执行AFH
      
      先进行跳频编辑,以选择合适的跳频频率。
      
      由于微微网中经常有新的通信建立或撤消,信道在不断变化,所以必须进行信道维护,周期性地重新对信道进行估计,及时发现不能用的信道。当微微网中工作设备较少时,还能自动调整功率,节省能量。
      
       3 蓝牙AFH的结构
      蓝牙AFH结构如图3所示,在频率同步器和跳频序列发生器中加入了一个分组映射器,此映射器实际上是一个自适应频率选择器。
      
      分组映射器结构如图4所示。他从所需分组中选择一个信道,通过PN映射设备,从原始跳频序列中选择信道映射到分组序列中。每个信道表按升序列举分 组信道的内容。
       
       
       在分组映射后,平均移位信号使信道的利用得到均衡。这些移位信号是一系列的计数器,每一个计数器表示一个分组,第j个分组在{0,1,2,…,Nj- 1}范围内周期计数,Nj是第j个分组中的信道数。被选择分组的计数器对下一个值进行计数,并把他作为移位信号的值输出。
      
      蓝牙中,信道被动态地分成2类信道:好信道NG和坏信道NB=79-NG,定义Nmin为蓝牙设备通信所需的最少频率数。根据Nmin,NG和NB的关系,可以分为H,L两种模式: 3.1 L模式
      
      适用于Nmin小于NG的情形,此时跳频频点全部在好的信道中选择,如图5所示。当跳频发生器产生的是好信道,则不重新映射。当跳频序列中信道不好时,则重新从好信道库中选择一个好的信道。L模式主要工作在FCC规定的低功率状态。 3.2 H模式
      
      适用于Nmin大于NG的情形,此时如果频率选择器输出为坏信道,重新选择代替坏信道的频点中,有可能在曾经被判断为坏信道的序列中选择跳频序列。H模式在有坏跳的情况下,最大限度地支持通信要求。可以同时支持SCO(面向同步的连接)和ACL(异步连接)连接模式。
      
      通过这2种模式,在蓝牙频率选择器中,如果输出的是好信道则直接使用;如果是坏信道,则在好的信道分组中重新选择频率。这样频率选择就避免了输出的频率与其他有干扰的频率相碰撞。
      
       4 结 语
      蓝牙采用一系列的 技术 来避免干扰,如LBT(Listen" Before Transmission),AFH和功率控制等。其中AFH机制能保持微微网中良好的QoS,保证 网络 正常的吞吐率和可靠性,减少重发,降低延时,同时减轻了对相同频段其他无线设备的干扰,从而提高了频率的利用率。
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  • BLE 自适应跳频及算法实现

    千次阅读 2018-03-13 12:13:49
    需要在此频段上进行有效的数据交互,自适应跳频技术是必不可少的,废话不多说,咱们直接进入主题,讨论下的BLE协议中的自适应跳频,以及跳频算法的实现。我们称主设备为Master(手机、PC机等),从设备为Slave(手环等)...

            BLE协议运行在2.4G ISM频段上,由于诸如Wi-Fi,ZigBee等都在此频段上,因此干扰是比较严重的。需要在此频段上进行有效的数据交互,自适应跳频技术是必不可少的,废话不多说,咱们直接进入主题,讨论下的BLE协议中的自适应跳频,以及跳频算法的实现。

    我们称主设备为Master(手机、PC机等),从设备为Slave(手环等)。Master向Slave发送connect request,需要与slave建立连接。在slave收到Master发出的connect request时,在开始建立连接的同时也要更新和计算的Master的channel map表,以及下一个连接使用的频点。

    如下图所示,为Master发出的CONNECT_REQ的Payload,图中的ChM和hop参数,分别表示Channel map表,即建立连接后有哪些channel是可以被使用的,有哪些channel是不可用的。hop表示跳数,表示跳频每次的跳频的间隔。


    例如,ChM 和 Hop分别为 ChM[5] = {0x02,  0x56, 0x49, 0x13, 0x11]; hop = 5;

    将ChM转换为二进制数,则为00010001 00010011 01001001 01010110 00000010,频道位被置为1的表示该信道可用,信道位被置为0表示该信道不可用。那么可用的频道used = [1, 9, 10, 12, 14, 16, 19, 22, 24, 25, 28,32, 36 ];可使用的信道数numUsed = 13。

    接下来需要计算下一个连接使用的频道

       fn+1 = (fn + hop) mod 37; fn+1 = (0 + 5) % 37; 即下一个频道的channel为5,但是5不是一个好的channel,因此需要从好的channel表里找一个channel,即used[5 % numused] = used[5 % 13] = 16;

        再下一个连接使用上一个未映射的信道来计算,fn+1 = (fn + hop) mod 37; fn+1 = (5 + 5) % 37 = 10,channel 10是一个好的channel,在下一个连接就用channel 10。

        对应的计算的计算连接channel的算法:





    u8 chn_table[40];
    u16 ll_chn_idx;




    /**
    **计算channel map,分辨哪些channel是好的, 哪些channel是“坏”的,将好的channel存储到table内
    **根据跳频算法,和跳数(hop)来填满channel table,以便于在下个interval来获取
    **

    **
    *********************************************/


    u8 updata_chn[5] = { 0x02, 0x56, 0x49, 0x13, 0x11 };
    u8 hop;

    int chn_table_calc(u8 *chn_map, u8 hop)
    {
    u8 k = 0, numused = 0;
    u8 tmp_table[37];


    for (int i = 0; i < 37; i++) {


    if (chn_map[i >> 3] & BIT(i & 0x07)) //chn map中某一个bit设置为1时,就认为这是个好channel
    {
    tmp_table[numused++] = i; //找出所有好的channel
    }
    }


    u8 ll = 0;
    for (int i = 0; i < 37; i++) {
    k += hop;
    if (k >= 37) {
    k -= 37;
    }


    if (chn_map[k >> 3] & BIT(k & 0x7)) { //跳频后正好对应的是好channel
    chn_table[ll] = k;
    }
    else { //跳频后未对应好的channel,则fn+1 = tmp_table[(hop + fn)% chn_cnt_num]
    u8 m = k;
    while (m >= numused) {
    m -= numused;
    }
    chn_table[ll] = tmp_table[m]; //将下一个连接的channel映射到好的channel上


    }
    ll++;
    }
    return numused;
    }

    int main()
    {
    // init frequency hop param


    hop = 5;
    u8 num = chn_table_calc(updata_chn, hop);


    printf("The num of channel be used is %d\n", num);
    for (int i = 0; i < 37; i++) {
    printf("Next channel is %d\n", chn_table[i]);
    }

        return 0;
    }


    最终运行的结果:



    到此,BLE自适应跳频算法的原理,以及代码的实现就结束了。


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  • BLE 信道和自适应跳频

    千次阅读 2019-01-07 10:35:32
    在物理层,因为调制参数放宽,所以BLE和经典蓝牙的信道并不相同,而是只有40个信道,因为功率谱更宽,为了避免相邻信道的干扰,采用2MHz的信道宽度。 在链路层,将40个信道分为广播信道和数据信道,37个是数据信道...

    信道

    在物理层,因为调制参数放宽,所以BLE和经典蓝牙的信道并不相同,而是只有40个信道,因为功率谱更宽,为了避免相邻信道的干扰,采用2MHz的信道宽度。

    在链路层,将40个信道分为广播信道和数据信道,37个是数据信道,3个广播信道。40个信道最低的中心频率为2402MHz,最高的为2480MHz。第一个信道的频率为2402,以后每一个信道加20MHz。

    广播信道分散在距离较远的频段上,过度的集中会导致如果该频段受干扰严重可能广播就无法进行的情况,分散的目的是为了增加容错率。

    而广播频道的选择主要是考虑到WIFI接入点的干扰。这些接入点通常选择802.11的信道1/6/11三个信道,分别占据 ** 2402MHz~2422MHz, 2427MHz~2447MHz, 2452MHz~2472MHz **;

    而BLE的广播信道则分别为 ** 2402MHz,2426MHz,2480MHz **,也就意味着第一个广播信道低于wifi信道1,第二个广播信道位于WIFI信道1和6之间,第三个广播信道高于11号信道,正好避免了三个Wifi常用接入点信道的覆盖,避免了他们的干扰。

    LL信道

    如上图所示,广播信道的编号是3739,数据信道的编号是036,这样标号的目的是降低跳频算法的实现难度。

    跳频

    连接状态中链路采取跳频的技术避免环境中的干扰,而BLE的跳频算算法其实很简单,就是一个在37个数据信道之间的等概率转换。

    最常见的一种是模37的方法:

    X取一个5-16之间的值。采取这样数值的原因,应该是使得跳频图图谱更加均匀,不至于两个频率隔得太近,以至于环境干扰无法通过环境干扰消除,也不至于频率隔得太远,造成功率转换带来的额外功耗。(这是我的猜测,并未得到任何资料的证实)。

    当然我们也可以采取加减法实现该算法,就是加上X,然后判断结果大于36,就减去37:

    自适应跳频

    自适应跳频技术原理也很简单,每次数据传输之后我们进行对信道质量进行评估,如果我们认为当前信道质量较差,我们将它从可用信道列表中删除,这是一个通用的思路。

    具体到BLE中,自适应跳频技术是将一个坏掉(干扰严重)的信道映射到一个好信道,当跳频算法跳到该坏信道时,实际采用的是他映射的那个好的信道进行数据的传输。

    如上图所示,主设备通过LL_CHANNEL_MAP_REQ 数据链路层管理包来进行新的信道图的同步与更新。

    OTA packet

     

    如上图,我们看到实际的空口包中信道图的信息。



    作者:小时不识月z
    链接:https://www.jianshu.com/p/5e2bd7b63309
    來源:简书
    简书著作权归作者所有,任何形式的转载都请联系作者获得授权并注明出处。

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  • 文章首先介绍了蓝牙跳频系统中跳频序列的产生算法,接着以此算法为基础,以躲避干扰为目的,从提高系统抗干扰能力的角度出发,提出了一种改进的自适应跳频方案来进一步改善系统的性能,最后基于C语言和MATLAB工具对...
  • 蓝牙跳频算法分析

    千次阅读 2018-11-14 19:40:52
    为了改善在该环境中的相同规范设备的通讯性能,SIG引入了自适应跳频的技术AFH(advance frequence hopping),以减少这种干扰的影响。该跳频技术可以通过各种方法实现,每种方法都有其固有的优点和缺点。在AFH解决.....
  • 谈谈蓝牙跳频技术解决方案

    千次阅读 2018-12-26 10:17:55
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  • 与上述相反,自适应跳频AFH允许蓝牙通过识别固定的干扰源并将其从可用信道列表中排除来适应环境。 这种重新映射过程还涉及减少蓝牙使用的信道数量。 蓝牙规范要求至少20个信道的最小集合。 下图显示了与上图相同的...
  • 随着蓝牙和无线局域网应用的日益广泛,这两种工作在...就如何解决两种技术的共存问题进行了探讨,分析了频率干扰带来的影响,阐述了几种可行的解决方案,并着重对蓝牙系统方面所采用的自适应跳频技术进行了详细介绍。
  • 其中有一节是讲解蓝牙自适应调频算法的,但是代码实现不方便阅读,原文是这样的: 小生不才,斗胆做了一下调整,还望大神海涵~ 下面是整理之后的代码: /* * 函数名: Data_Frequency_Channel_Choose -RADIO ...
  • 以LMP的格式形成一个分类表,在主设备和从设备之间交换信息后,用该分类表做为依据进行自适应跳频。分类方法采用时分的形式,以保证能够处理瞬间的干扰。按信道的质量,把信道分成“好”信道与“坏”信道。 ...
  • 为了避免潜在的干扰,蓝牙技术使用了各种技术,包括自适应跳频和以相对较高的数据速率传输的紧凑,高效的数据包。 避免干扰自适应跳频 在繁忙的无线电环境中,包含大量设备并经常传输数据的碰撞风险
  • 在低功耗蓝牙方面工作的人们都使用他们自己的术语来描述一些技术特征和规范,下面介绍几个相关术语:自适应跳频(Adaptive Frequency Hopping, AFH):一种使用某个频率子集的技术,使设备可以避免其他非自适应技术...
  • 蓝牙技术谈之跳频技术(一)

    万次阅读 2013-08-14 17:41:30
    跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum; FHSS)在同步、且同时的情况下,接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号,对于一个非特定的接受器,FHSS所产生的跳动讯号对它而言,也只算是脉冲噪声。FHSS所展开的...
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  • 蓝牙协议栈分层

    千次阅读 2019-05-29 19:23:24
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  • ble蓝牙初探(-)

    2020-11-08 11:22:38
    问:蓝牙4.0是什么 答:蓝牙4.0可以说是一个分界点,支持传统蓝牙标准,也支持低功耗蓝牙标准。 问:传统蓝牙和低功耗蓝牙主要功能是什么...问:什么是自适应跳频技术 答:频率自适应和功率自适应结合,自动避开被
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  • 针对蓝牙与WLAN之间干扰的问题,本文给出了“AFH自适应跳频机制”与“BT、WLAN分时工作”两种组合方法来保证蓝牙与WLAN的共存;针对低能耗蓝牙低功耗运行的要求本文探讨了系统所采取的相关低功耗实现策略。
  • iOS开发 -- 蓝牙版本

    千次阅读 2020-05-21 15:09:07
    跳频:使用所有蓝牙规范版本通用的自适应跳频,最大程度地减少和其他2.4GHz ISM频段无线技术的串扰。 主控制:更加智能,可以休眠更长时间,只在需要执行动作的时候才唤醒。 延迟:最短可在3毫秒内完成连接设置并...

空空如也

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蓝牙自适应跳频