蓝牙技术自适应跳频的工作原理解析

为任何无线技术提供可靠的数据通信的最大挑战之一是干扰。

与有线数据通信技术不同，无线技术必须共享传输介质，并且多个设备可能会尝试在相同的无线频谱中，在相同的一般区域中以及在确切的时间进行通信。发生这种情况时，可能会在数据包之间发生空中冲突，从而使数据包无法被接收设备读取并有效丢失。

此挑战在免许可频谱频段（例如全球ISM频段）中尤其如此，在该频段中，通信技术需要适应来自使用相同通信技术的其他设备以及使用在相同频带中运行的其他通信技术的设备的潜在干扰。

例如，蓝牙技术在与Wi-Fi和采用IEEE 802.15.4标准的技术相同的2.4 GHz ISM频带中运行。结果，如果两个蓝牙设备之间传输的数据包与在其他范围内的蓝牙，Wi-Fi或802.15上在相同的时间和频率信道上传输的数据包相冲突，则可能会损坏或丢失该数据包。 4个设备。其他利用2.4 GHz频带的设备也会在环境中引起有害的电磁噪声，包括灯，微波炉，婴儿监视器和车库门开启器，仅举几例。

简而言之，Bluetooth®技术是无线电技术，无线电可能不可靠。即便如此，蓝牙技术目前仍可信赖，可在整个物联网和工业物联网（IIoT）中实现解决方案，包括在具有挑战性的环境中。例如，考虑大规模设备网络的快速增长，包括复杂的商业连接照明系统，其中成百上千个节点必须可靠地通信。蓝牙技术还为强大的位置服务解决方案提供了动力，例如建筑物和企业正在部署的解决方案，以保护在全球COVID-19大流行期间重返工作岗位的员工。那么如何解释这种明显的矛盾呢？

蓝牙技术采用多种技术来消除干扰并提高可靠性。有关这些缓解技术的详细说明，请参见Martin Woolley在“了解蓝牙技术的可靠性”一文中。在本文中，我们将研究蓝牙技术如何通过使用两种关键技术（自适应跳频和小的快速数据包）克服潜在的干扰因素并实现可靠的无线数据通信。

小而快速的数据包

当设备发送一些数据时，包含该数据的数字位将转换为模拟符号，然后在选定的无线电信道上一次传输一个。这些符号以符号速率传输，这是您可以从一个符号转换为另一个符号的速度的度量，因此，给定数量的位将花费一定的传输时间。传输发生的时间越长，取决于符号率和要传输的位数，发生冲突的可能性就越大。

因此，在尝试避免碰撞时，最好小而快。蓝牙低功耗（LE）提供了低功耗无线通信技术中最快的无线电，蓝牙网状网所使用的符号速率为1 Msym / s，最高为2Msym / s，用于点对点连接。例如，与其他低功耗无线网状网络技术相比，Bluetooth®数据包通常只有一半大小，并且快四倍。具有小的快速数据包可以更有效地使用频谱，并显着降低冲突的可能性。

蓝牙数据包很难被击中。

正如Silvair的首席技术官兼Bluetooth Mesh工作组主席Szymon Slupik经常说的，数学很简单：数据包越短，冲突就越少。任何无线系统的可靠性都与频谱效率有关。Slupik认为，蓝牙网状数据包的大小是蓝牙网状网络成为“能够满足物联网时代巨大期望的第一个无线标准”的最大原因之一。

斯卢皮克并不孤单地赞美这包。Woolley引用了与高密度设备网络的可伸缩性和容量有关的蓝牙网状数据包。正如伍利所说：

数据包所需的无线电广播时间越少，发生冲突的可能性就越低。Bluetooth®网状网络的小数据包大小和Bluetooth LE无线电的高符号率减少了数据包所需的通话时间，这意味着Bluetooth网状网络在这方面的表现尤其出色。

但是蓝牙数据包不仅具有大小和速度。他们也擅长避免冲突。

自适应跳频

扩频技术可以在繁忙的无线电环境中提高无线技术的弹性，在繁忙的无线电环境中更容易发生冲突和干扰。自适应跳频是蓝牙技术用来避免干扰的独特扩频技术。

蓝牙数据包避免冲突。

为了了解自适应跳频的工作原理，它有助于了解蓝牙技术如何划分2.4 GHz ISM频段。首先，像许多无线通信协议一样，蓝牙技术使用多个无线电信道。低功耗蓝牙（LE）将2.4GHz ISM无线电频段划分为40个通道，而蓝牙BR / EDR将其划分为80个通道。

一对连接的设备有机会使用它们的无线电以精确的时间间隔交换数据包。但是除此之外，还会发生跳频，其中使用信道选择算法从一组可用信道中确定性地选择无线电信道。以这种方式，使用分布在2.4 GHz频带上的一系列频繁变化的不同信道进行通信，从而显着降低发生冲突的可能性。

跳频不一定是蓝牙技术独有的。但是接下来会发生什么。在给定的环境中，某些Bluetooth®无线电信道可能无法正常工作，这可能是因为干扰正在影响它们，而其他信道却在可靠地工作。随着时间的流逝，随着环境中其他无线通信设备的出现和消失，可靠信道和不可靠信道的列表可能会更改。

连接中的主要设备维护一个通道映射，该映射将每个通道分类为已使用或未使用。信道图与第二设备共享，因此它们各自具有关于将使用哪些信道以及将避免哪些信道的相同信息。

设备使用特定于实现的技术来监视每个通道的运行状况。如果确定一个或多个先前工作的频道不再足够好，则更新频道图。相反，如果发现以前不良的频道现在可以正常工作，则其状态也会在频道图中更新。然后与第二个设备共享频道地图更新。通过这种方式，通道图可以保持最新状态，因此它始终是所使用通道的最佳子集，从而避免了有问题的通道。这是蓝牙自适应跳频系统的自适应方面。

结论

自适应跳频以及蓝牙数据包的大小和速度使您可以一窥蓝牙技术提供的技术和功能，以帮助开发人员应对干扰的挑战并优化其产品和应用的可靠性。系统的大部分设计都考虑了可靠性，而蓝牙技术的可靠性不仅仅是其各部分可靠性的总和。
编辑：hfy