蓝牙传输性能研究的主要问题与现状

招远广播电视台 刘新梅 李洪光

蓝牙（Bluetooth）是一种低功耗的无线技术，目的是取代现有的PC、打印机、传真机和移动电话等设备上的有线接口。主要优点是：可以随时随地用无线接口来代替有线电缆连接；具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，如WAP，GSM，DECT等，引入身份识别后可以灵活实现漫游；低功耗，对人体危害小；蓝牙集成电路应用简单，成本低廉，实现容易，易于推广。蓝牙技术提供低成本、近距离的无线通信，构成固定与移动设备通信环境中的个人网络，使得近距离内各钟信息设备能够实现无缝资源共享。

蓝牙技术自提出以来，在短短几年的时间里己风靡全球。目前，全球己有2000多家企业推出了蓝牙芯片、蓝牙平台、应用程序、测试设备等新产品。客观地说，蓝牙采用的技术中有些并非是当前该领域最先进的技术。蓝牙的目标是全球通用、价格低廉、结构紧凑，因此它并不强调技术的先进性。比如纠错编码方式，蓝牙采用的是1/3率的重复码、2/3率的汉明码，而没有采用相同编码速率的卷积码、Turbo码或其他更先进的编码方式。作为用户，总希望使用的产品所采用的技术越先进越好，而对规范实现者和产品生产商而言，总希望产品的制造成本越低越好。

本文研究的就是蓝牙在实际应用中的传输性能及相关的问题。

一、蓝牙的安全问题

目前对蓝牙安全方面存在问题已经进行了大量的研究，指出了蓝牙在安全方面存在的隐患。这些隐患主要包括：

1.认证（Authentication）问题。蓝牙的认证机制是基于设备而不是基于用户，这就意味着当设备丢失或被窃时仍然可以通信，可能会对用户造成某种损失。另外，蓝牙也没有定义对服务的独立认证。Lan Nguyen等对此提出了改进的蓝牙安全协议。

2.PIN码的长度问题。短的PIN码倍数容易受到攻击，长的则不便于记忆。Yaniv Shaked等对此进行了详细的分析，并给出了攻击手段。

3.蓝牙的设备配对（（Pairing）问题。Serge Vaudenay等分析了不安全的原因，并提出采用对称密钥的修补方案。Ford-long Wong等也提出了不同的修补方案。

4.安全协议在散射网中的使用问题。造成蓝牙诸多不安全因素的原因之一在于蓝牙采用的是对称密钥算法。Pushpa.R等针对蓝牙的配对和认证过程指出采用对称密钥算法不安全的原因，并建议采用非对称的公钥算法来增强蓝牙的安全性。

二、蓝牙微微网的服务质量问题

蓝牙微微网是蓝牙组网的基本形式。蓝牙主设备可连接一个到最多七个活动的从设备，这已经可以应用到大多数的场合中。影响蓝牙微微网服务质量的主要问题有：

1.微微网的抗干扰问题

在蓝牙微微网的抗干扰分析方面，Valentl等最早研究了在加性高斯白噪声（AWGN）与瑞利（Rayleigh）衰落信道下分组重传概率与蓝牙链路吞吐量的数学模型。J.H.Kleinschmidt等研究了在Nakagami-m信道下蓝牙的传输性能。Pasolinit等研究了平均接收信噪比与分组错误率间的关系。Kleinschmidt等提出了在Nakagami-m信道下利用信道状态信息估计的蓝牙微微网调度算法。Sarkar等提出了在假设信道状态已知的情况下求解吞吐量最大值的数字方法。Andre Stranne等研究了蓝牙数据包长度对蓝牙数据传输吞吐量的影响。N.0Golmie等对蓝牙设备与802.11设备共存时的互干扰情况进行了详细的分析并提出了解决方法。这些研究都是对蓝牙的数据传输性能在不同方面进行了分析，并且也给出了一些改进的思路。在抗干扰方式的改进方面，Valenti，M.C等人提出采用Turbo码来增强蓝牙的抗千扰能力。但是Turbo码的译码比较复杂，需要很大的计算量。要发挥Turb。码的优势还需要一定的交织深度，这并不适合像蓝牙这样的短数据包格式。

2.基于信道质量的自适应分组策略

M.C.Ju等最早提出了根据信噪比的自适应数据分组策略。Jung-Ho Yoon等提出在蓝牙协议中增加4PSK和8PSK调制方式，并进一步给出了基于新蓝牙协议的自适应分组策略。国内的杨帆等人则具体给出了蓝牙2.0协议下基于信噪比的自适应分组策略和在一定的信噪比下的最大平均吞吐量。但实际上，在不改变蓝牙硬件的基础上，想得到或准确估计和跟踪信道质量（信噪比）是比较困难的。所以自适应策略的主要的难点在于如何估计或判断信道的质量。可采用的方法包括BER（位错误率）统计和PER（丢包率）统计等。Jung-Ho Yoon等提出利用发送DM1分组简单地测量BER的方法。从结果来看，在BER在 10-2_10-3之间时测量只需几个分组即可，但在BER低于10一3时，需要400多个DM1分组。采用PER统计的方法是根据以住分组的丢包率估计BER。对于蓝牙来说，最大的难度在于蓝牙定义的很多种的数据分组类型。Ki Won Sung等引入了一种叫“mini-packet”机制，采用最大似然函数来选择蓝牙数据分组的最佳时隙长度。但忽略了蓝牙的调制方式和抗干扰方式，结论并不实用。

3.蓝牙微微网的调度算法

在蓝牙微微网中，为了和多个从设备进行通信，蓝牙系统采用纯循环轮询（Round Robin）方案，对所有的从设备平均分配轮询次数，从设备只在轮询到自己时才允许发送数据，当主设备无数据发送时，则发送无数据的查询数据包（叫做POLL包），从设备无数据发送时则发送无负载的NULL包。这个方式效率较低。Carlos Cordeiro等提出采用动态时隙分配的方法来提高微微网的总体吞吐量。他们进一步扩展了该方法，实现了蓝牙从一从之间的通信。Wensheng Zhang等采用了时隙指配的方法来增强主从之间的通信。Jean等也提出了一种公平、有效的轮询算法。

4.蓝牙设备的连接时间

蓝牙采用快速跳频方式进行通信，这意味着蓝牙必须跳频同步才能通信。在彼此之前没有通信的情况下，蓝牙设备连接可能要花很长的时间，典型的开销为5.76秒，最差时可能要花23秒。M.duflot等分析了蓝牙查询时间的概率模型，最优和最差情况以及查询所用的平均时间和消耗的功率。Brian等详细分析了查询时间服从的分布和统计式。Debasish等分析了不同设备数时的查询时间。在很多文献中提出改变协议来加快蓝牙的连接时间。主要提出的方法有：

（1）减少回退时间。Wensheng Zhang等研究了减小回退时间对查询时间的影响。Gergely等求出了各种不同情况下回退时间的最佳值。

（2）改变蓝牙查询的跳频序列。Xin Zhang层提出采用A组和B组序列交替使用而不是重复256次的方法来中加快查询。J.R.Jiang提出通过改变查询和被查询角色的方案来加快查询。

（3）采用全新的蓝牙连接协议。Peter-son提出用多个查询设备来加快查询。Kardos提出了一种命名为“RECON”的新的接连协议。另外，也有人提出采用红外和RFID来加速蓝牙连接。关于这一内容的研究目前已经比较成熟。

三、蓝牙散射网的吞吐量问题

最早A.El-Hoiydi提出了多个微微网下的单时隙分组（DM1分组）时的误包率计算方法和多微微网能够达到的总吞吐量。K.Naik也基于DM1分组给出了单时隙的一般干扰模型，并假定微微网的跳频信道数分别为79跳、23跳以及混合方式。最后得出相对应的丢包率和网络总吞吐量。以上两个文献中假定每个蓝牙微微网的业务量为100%，即总有包发送和接收。Sevillano详细给出了单时隙分组的碰撞模型，并假定新的数据分组产生服从一定的概率分布。以上的分析都是假定微微网只存在一种数据分组一DM1分组。K.Naik同时也研究了在时隙同步情况下多种数据分组的网络吞吐量及误包率。I.Ashra研究了多微微网下如何进行时隙同步的问题。Fredrik Floren经过复杂的数学推导给出了当微微网时隙不同步时，采用多个数据分组时的微微网的丢包率和网络总吞吐量的上限和下限。在其他相关研究方面，Howitt中通过实验测试了独立蓝牙微微网之间的同频干扰对传输性能的影响。

四、小结

本文在充分研究现有蓝牙文章的基础上，指出了蓝牙传输中存在的问题，即安全问题、吞吐量问题和服务质量问题。针对每一个问题，充分研究了目前已有的技术，指出了解决每一个问题的合适方法。

[1]M.Jacobson 179-191.IEEE,and S.Wetzel,Security weaknesses in Bluetooth,RSA Conference,2001,5(3):96-103.

[2]Hager,C.T.Midkiff,S.F.An analysis of Bluetooth security vulnerabilities.Wireless Communications and Networking,IEEE,2003,3,1825-1831.

[3]Hager,C.T.Midkiff,S.F.Demonstrating vulnerabilities in Bluetooth security.Wireless Communications and Networking,IEEE,2003,3,1420-1424.

[4]Bandyopadhyay,S.;Majumdar,A.A proposal for improvement in service-level security architecture of Bluetooth.TENCON 2003.Conference on Convergent Technologies for Asia-Pacific Region.2003,3,1058-1061.