载荷长度对蓝牙数据传输吞吐量的影响

蓝牙协议提供了多种不同长度的数据包类型，以提高在不同的信道条件下的数据传输性能。针对这一特性，该文建立了噪声环境下蓝牙数据传输系统的数学模型，分析了蓝牙高斯频移键控(GFSK)调制方式和2.0+EDR规范新增加的π/4-DQPSK与8DPSK调制方式，根据在加性高斯白噪声信道(AWGN)下的比特错误率(BER)与平均接收信噪比的关系，推导了ACL数据分组的重传概率与平均接收信噪比的函数表达式，进而分析了在不同的信噪比条件下载荷长度对蓝牙数据传输吞吐量的影响。仿真分析结果对如何提高蓝牙数据传输性能的研究提供了有益的参考。
关 键 词 蓝牙; 信噪比; 载荷长度; 数据传输吞吐量

There are several kinds of packet types in Bluetooth specification to enhance the data transmission performance in different noisy channels. In this paper, a Bluetooth data transmission mathematical model in noisy environments is presented. The relations between bit error rate and average received signal-to-noise ratio(SNR)in additional white gaussian noise (AWGN) channel are derived for gaussian frequency shift keying (GFSK) modulation and newπ/4-DQPSK and 8DPSK modulations adopted in Bluetooth 2.0+EDR specification. The function expressions of packet retransmission probability and average received SNR of asynchronous connection-oriented (ACL) data packets are put forward. The impact of payload length on Bluetooth data transmission throughput is obtained at last. Simulation results contained in this paper can be severed as a good benchmark against researches on how to enhance Bluetooth data transmission throughput.
Key words Bluetooth; signal-to-noise ratio; payload length; data transmission throughput

蓝牙技术作为无线个域网(wirelee person area network，WPAN)的典型代表，由于其低成本、低功耗、抗干扰能力强等优点，在近年来得到了越来越广泛的应用。蓝牙工作在2.4 GHz的ISM频段，当同一区域有别的蓝牙散射网(scatternet)或者无线局域网(802.11b)同时工作时，会对蓝牙数据传输产生干扰，导致有的数据分组不能正确接收，产生一定的丢包率，进而影响蓝牙数据传输性能。影响丢包率的因素有：产生干扰的设备数量和其传输载荷量、干扰源的距离、蓝牙收发系统的功率、蓝牙数据分组的长度等[1-2]。
文献[3-7]对噪声环境下蓝牙数据传输性能进行了分析和研究。对蓝牙数据传输性能的研究都是对蓝牙数据分组作为一个整体来进行研究的，忽略了载荷长度对数据传输吞吐量的影响。针对这一方面的不足，本文研究了在噪声环境下蓝牙数据分组长度与数据传输吞吐量之间的关系，以加性高斯白噪声(additional white gaussian noise，AWGN)信道为信道模型，分析了在不同信噪比的干扰状态下，蓝牙数据载荷长度对数据传输吞吐量的影响。
1 蓝牙2.0+EDR不同调制方式下的位错误率分析
蓝牙新规范Bluetooth2.0+EDR(增强数据速率)提高了数据传输速率并降低了功耗。新规范增加了六种新的ACL分组格式：2-DH1、2-DH3、2-DH5、3-DH1、3-DH3、3-DH5。其中，2-DH与3-DH类型分组与DH类型分组格式基本相似，但载荷部分分别使用π/4-DQPSK(相对四相相移键控)与8DPSK(八相差分相移键控)调制方式[2]，其接入码和分组头还是使用跟蓝牙1.2协议相同的高斯频移键控(gaussian frequency shift keying，GFSK)调制方式。其分组特性如表1所示。