小而快速的藍牙數據包實現可靠的無線數據通信

為任何無線技術提供可靠的數據通信的最大挑戰之一是干擾。

與有線數據通信技術不同，無線技術必須共享傳輸介質，并且多個設備可能會嘗試在相同的無線頻譜中，在相同的總體區域中以及在確切的時間進行通信。發生這種情況時，可能會在數據包之間發生空中沖突，從而使數據包無法被接收設備讀取并有效丟失。

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

例如，藍牙技術在與Wi-Fi和采用IEEE 802.15.4標準的技術相同的2.4 GHz ISM頻帶中運行。結果，如果兩個藍牙設備之間傳輸的數據包與在其他范圍內的藍牙，Wi-Fi或802.15上在相同的時間和頻率信道上傳輸的數據包相沖突，則可能會損壞或丟失該數據包。 4個設備。其他利用2.4 GHz頻段的設備也會在環境中引起有害的電磁噪聲，包括燈，微波爐，嬰兒監視器和車庫門開啟器，僅舉幾例。

簡而言之，Bluetooth?技術是無線電技術，無線電可能不可靠。即便如此，藍牙技術目前仍可信賴，可在整個物聯網和工業物聯網（IIoT）中實現解決方案，包括那些在具有挑戰性的環境中。例如，考慮大規模設備網絡的快速增長，包括復雜的商業連接照明系統，其中成百上千個節點必須可靠地通信。藍牙技術還為強大的位置服務解決方案提供了動力，例如建筑物和企業正在部署的解決方案，以保護在全球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？

藍牙技術采用多種技術來消除干擾并提高可靠性。有關這些緩解技術的詳細說明，請參閱Martin Woolley在“了解藍牙技術的可靠性”一文中。在本文中，我們將研究藍牙技術如何通過使用兩種關鍵技術（自適應跳頻和小的快速數據包）克服潛在的干擾因素并實現可靠的無線數據通信。

小而快速的數據包

當設備發送一些數據時，包含該數據的數字位將轉換為模擬符號，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換為另一個符號的速度，因此，給定數量的比特將花費一定的傳輸時間。傳輸發生的時間越長，取決于符號率和要傳輸的位數，發生沖突的可能性就越大。

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

藍牙數據包很難被擊中。

正如Silvair的首席技術官兼Bluetooth Mesh工作組主席Szymon Slupik經常說的，數學很簡單：數據包越短，沖突就越少。任何無線系統的可靠性都與頻譜效率有關。Slupik認為，藍牙網狀數據包的大小是藍牙網狀網絡成為“能夠滿足物聯網時代巨大期望的第一個無線標準”的最大原因之一。

斯盧皮克并不孤單地贊美這包。Woolley引用了與高密度設備網絡的可伸縮性和容量有關的藍牙網狀數據包。正如伍利所說：

數據包所需的無線電廣播時間越少，發生沖突的可能性就越低。Bluetooth?網狀網絡的小數據包大小和Bluetooth LE無線電的高符號率降低了數據包所需的通話時間，這意味著Bluetooth網狀網絡在這方面的表現尤其出色。

但是藍牙數據包不僅具有大小和速度。他們也擅長避免沖突。

自適應跳頻

擴頻技術可以在繁忙的無線電環境中提高無線技術的彈性，在繁忙的無線電環境中更容易發生沖突和干擾。自適應跳頻是藍牙技術用來避免干擾的獨特擴頻技術。

藍牙數據包避免沖突。

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

一對連接的設備有機會使用它們的無線電以精確的時間間隔交換數據包。但是除此之外，還會發生跳頻，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行通信，從而顯著降低發生沖突的可能性。

跳頻不一定是藍牙技術獨有的。但是接下來會發生什么。在給定的環境中，某些Bluetooth?無線電信道可能無法正常工作，可能是因為干擾正在影響它們，而其他信道卻在可靠地工作。隨著時間的流逝，隨著環境中其他無線通信設備的出現和消失，可靠信道和不可靠信道的列表可能會更改。

連接中的主要設備維護一個通道映射，該映射將每個通道分類為已使用或未使用。信道圖與第二設備共享，因此它們各自具有關于將使用哪些信道以及將避免哪些信道的相同信息。

設備使用特定于實現的技術來監視每個通道的運行狀況。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，如果發現以前不良的頻道現在可以正常工作，則其狀態也會在頻道圖中更新。然后與第二個設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，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。這是藍牙自適應跳頻系統的自適應方面。

結論

自適應跳頻以及藍牙數據包的大小和速度使您可以一窺藍牙技術提供的技術和功能，以幫助開發人員應對干擾的挑戰并優化其產品和應用的可靠性。系統的大部分設計都考慮了可靠性，而藍牙技術的可靠性不僅僅是其部件可靠性的總和。
編輯：hfy