小而快速的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)通信

為任何無線技術(shù)提供可靠的數(shù)據(jù)通信的最大挑戰(zhàn)之一是干擾。

與有線數(shù)據(jù)通信技術(shù)不同，無線技術(shù)必須共享傳輸介質(zhì)，并且多個設(shè)備可能會嘗試在相同的無線頻譜中，在相同的總體區(qū)域中以及在確切的時(shí)間進(jìn)行通信。發(fā)生這種情況時(shí)，可能會在數(shù)據(jù)包之間發(fā)生空中沖突，從而使數(shù)據(jù)包無法被接收設(shè)備讀取并有效丟失。

在非授權(quán)頻譜頻段（例如，全球ISM頻段）中，這一挑戰(zhàn)尤其如此，在該頻段中，通信技術(shù)需要適應(yīng)來自使用相同通信技術(shù)的其他設(shè)備以及使用在相同頻帶中運(yùn)行的其他通信技術(shù)的設(shè)備的潛在干擾。

例如，藍(lán)牙技術(shù)在與Wi-Fi和采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)相同的2.4 GHz ISM頻帶中運(yùn)行。結(jié)果，如果兩個藍(lán)牙設(shè)備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包與在其他范圍內(nèi)的藍(lán)牙，Wi-Fi或802.15上在相同的時(shí)間和頻率信道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包相沖突，則可能會損壞或丟失該數(shù)據(jù)包。 4個設(shè)備。其他利用2.4 GHz頻段的設(shè)備也會在環(huán)境中引起有害的電磁噪聲，包括燈，微波爐，嬰兒監(jiān)視器和車庫門開啟器，僅舉幾例。

簡而言之，Bluetooth?技術(shù)是無線電技術(shù)，無線電可能不可靠。即便如此，藍(lán)牙技術(shù)目前仍可信賴，可在整個物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）中實(shí)現(xiàn)解決方案，包括那些在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中。例如，考慮大規(guī)模設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的快速增長，包括復(fù)雜的商業(yè)連接照明系統(tǒng)，其中成百上千個節(jié)點(diǎn)必須可靠地通信。藍(lán)牙技術(shù)還為強(qiáng)大的位置服務(wù)解決方案提供了動力，例如建筑物和企業(yè)正在部署的解決方案，以保護(hù)在全球COVID-19大流行期間重返工作崗位的員工。那么如何解釋這種明顯的矛盾呢？

藍(lán)牙技術(shù)采用多種技術(shù)來消除干擾并提高可靠性。有關(guān)這些緩解技術(shù)的詳細(xì)說明，請參閱Martin Woolley在“了解藍(lán)牙技術(shù)的可靠性”一文中。在本文中，我們將研究藍(lán)牙技術(shù)如何通過使用兩種關(guān)鍵技術(shù)（自適應(yīng)跳頻和小的快速數(shù)據(jù)包）克服潛在的干擾因素并實(shí)現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)通信。

小而快速的數(shù)據(jù)包

當(dāng)設(shè)備發(fā)送一些數(shù)據(jù)時(shí)，包含該數(shù)據(jù)的數(shù)字位將轉(zhuǎn)換為模擬符號，然后在選定的無線電信道上一次傳輸一個。這些符號以符號速率傳輸，該速率衡量您可以從一個符號轉(zhuǎn)換為另一個符號的速度，因此，給定數(shù)量的比特將花費(fèi)一定的傳輸時(shí)間。傳輸發(fā)生的時(shí)間越長，取決于符號率和要傳輸?shù)奈粩?shù)，發(fā)生沖突的可能性就越大。

因此，在嘗試避免碰撞時(shí)，最好小而快。藍(lán)牙低功耗（LE）提供了低功率無線通信技術(shù)中最快的無線電，藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)使用的符號率達(dá)到1 Msym / s，最高為2Msym / s。例如，與其他低功耗無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，Bluetooth?數(shù)據(jù)包通常只有一半大小，并且快四倍。具有小的快速數(shù)據(jù)包可以更有效地使用頻譜，并顯著降低沖突的可能性。

藍(lán)牙數(shù)據(jù)包很難被擊中。

正如Silvair的首席技術(shù)官兼Bluetooth Mesh工作組主席Szymon Slupik經(jīng)常說的，數(shù)學(xué)很簡單：數(shù)據(jù)包越短，沖突就越少。任何無線系統(tǒng)的可靠性都與頻譜效率有關(guān)。Slupik認(rèn)為，藍(lán)牙網(wǎng)狀數(shù)據(jù)包的大小是藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)成為“能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代巨大期望的第一個無線標(biāo)準(zhǔn)”的最大原因之一。

斯盧皮克并不孤單地贊美這包。Woolley引用了與高密度設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的可伸縮性和容量有關(guān)的藍(lán)牙網(wǎng)狀數(shù)據(jù)包。正如伍利所說：

數(shù)據(jù)包所需的無線電廣播時(shí)間越少，發(fā)生沖突的可能性就越低。Bluetooth?網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的小數(shù)據(jù)包大小和Bluetooth LE無線電的高符號率降低了數(shù)據(jù)包所需的通話時(shí)間，這意味著Bluetooth網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在這方面的表現(xiàn)尤其出色。

但是藍(lán)牙數(shù)據(jù)包不僅具有大小和速度。他們也擅長避免沖突。

自適應(yīng)跳頻

擴(kuò)頻技術(shù)可以在繁忙的無線電環(huán)境中提高無線技術(shù)的彈性，在繁忙的無線電環(huán)境中更容易發(fā)生沖突和干擾。自適應(yīng)跳頻是藍(lán)牙技術(shù)用來避免干擾的獨(dú)特?cái)U(kuò)頻技術(shù)。

藍(lán)牙數(shù)據(jù)包避免沖突。

為了了解自適應(yīng)跳頻的工作原理，它有助于了解藍(lán)牙技術(shù)如何劃分2.4 GHz ISM頻段。首先，像許多無線通信協(xié)議一樣，藍(lán)牙技術(shù)使用多個無線電信道。低功耗藍(lán)牙（LE）將2.4GHz ISM無線電頻段劃分為40個通道，而藍(lán)牙BR / EDR將其劃分為80個通道。

一對連接的設(shè)備有機(jī)會使用它們的無線電以精確的時(shí)間間隔交換數(shù)據(jù)包。但是除此之外，還會發(fā)生跳頻，其中使用信道選擇算法從一組可用信道中確定性地選擇無線電信道。以這種方式，使用分布在2.4 GHz頻帶上的一系列頻繁變化的不同信道進(jìn)行通信，從而顯著降低發(fā)生沖突的可能性。

跳頻不一定是藍(lán)牙技術(shù)獨(dú)有的。但是接下來會發(fā)生什么。在給定的環(huán)境中，某些Bluetooth?無線電信道可能無法正常工作，可能是因?yàn)楦蓴_正在影響它們，而其他信道卻在可靠地工作。隨著時(shí)間的流逝，隨著環(huán)境中其他無線通信設(shè)備的出現(xiàn)和消失，可靠信道和不可靠信道的列表可能會更改。

連接中的主要設(shè)備維護(hù)一個通道映射，該映射將每個通道分類為已使用或未使用。信道圖與第二設(shè)備共享，因此它們各自具有關(guān)于將使用哪些信道以及將避免哪些信道的相同信息。

設(shè)備使用特定于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)來監(jiān)視每個通道的運(yùn)行狀況。如果確定一個或多個先前工作的頻道不再足夠好，則更新頻道圖。相反，如果發(fā)現(xiàn)以前不良的頻道現(xiàn)在可以正常工作，則其狀態(tài)也會在頻道圖中更新。然后與第二個設(shè)備共享頻道地圖更新。通過這種方式，通道圖可以保持最新狀態(tài)，因此它始終是所使用通道的最佳子集，從而避免了有問題的通道。這是藍(lán)牙自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)的自適應(yīng)方面。

結(jié)論

自適應(yīng)跳頻以及藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的大小和速度使您可以一窺藍(lán)牙技術(shù)提供的技術(shù)和功能，以幫助開發(fā)人員應(yīng)對干擾的挑戰(zhàn)并優(yōu)化其產(chǎn)品和應(yīng)用的可靠性。系統(tǒng)的大部分設(shè)計(jì)都考慮了可靠性，而藍(lán)牙技術(shù)的可靠性不僅僅是其部件可靠性的總和。
編輯：hfy