Bluetoothの周波数の反転を無線干渉に見極め

Bluetooth テクノロジーは、イヤホンとスマートウォッチから医療センサーや産業機器に至るまで、さまざまなデバイスを毎日数億台につなぐ、ワイヤレス接続のほぼ ubiquitous のアクセシビリティー プロバイダーになりました。クラウド型 2.4 GHz 産業、科学、医療(ISM) バンド hinges の成功を巧みに捉えています。この記事では、Bluetooth の適応周波数ホッピングが機能する方法、干渉緩和に問題が生じ、空気の波が 浮かび上がると、また、接続が WI-FI-FI-FI-FI- 信号を 信号に する際も確実に維持する方法について説明します。

周波数ホッピングとは何ですか?

周波数ホッピングは、送信機と受信機が同期パターンで所定の周波数チャネル間で急速に切り替える、スプレッドスペクトル技術です。単一の静的チャネルに放送する代わりに、さまざまなチャネルにわたって「ホップ」する信号は、各ホップは秒のほんの僅かなしかを持続させます。このアプローチは、軍事通信とレジストの妨害を防止するための方法として、第二次世界大戦中に先駆的されました。今日、それは他のワイヤレス技術と共存するBluetoothの能力を強調しています。

2.4 GHz帯では、Bluetooth は 1 MHz を別々にスペースした 79 の異なるチャネル(基本速度/拡張データレートモード)を定義しています。デバイスは 1 秒あたりの 1,600 回までのチャネルを変更します。つまり、各伝送は 625 マイクロ秒程度で持続します。ほとんどの干渉源はデータストリームの小さな部分だけに影響を与えることができるほど短い時間です。

Bluetooth が周波数ホッピングを使用する方法

適応周波数ホッピングスプレッドスペクトラム(AFHSS)

Bluetooth は、適応周波数ホッピングスプレッドスペクトラム(AFH)と呼ばれる洗練されたバージョンを採用しています。 Bluetooth 1.2 で導入された AFH は、Wi-Fi の 20 MHz のワイドチャンネルや電子レンジのオーブンから、これらのチャンネルを「未使用」としてマークする、永続的な干渉を経験するチャネルを検出するデバイスを可能にします。 このインテリジェントな選択は、空港ターミナルやオープン プランなどの環境でのみ、ワイヤレスネットワークの競合を競争させる環境で重要です。

Bluetooth ホストは、受信された信号(パケットエラー率、信号強度)からチャンネル品質メトリックを収集し、コントローラーと共有します。 コントローラーは、使用または未使用の 79 個 (または 40 の Bluetooth Low Energy) チャネルの各フラグをフラグするチャンネルマップを生成します。 このマップは、ホッピングシーケンスの間に接続されたデバイスと交換され、すべてのパーティーが同期を維持します。

共存メカニズム

AFHを超えて、Bluetoothは、Wi-Fi(IEEE 802.11)でバンドを共有する追加の技術を使用しています。 たとえば、Dual-Mode Bluetoothチップは、パケットトラフィック仲裁(PTA)を介してWi-Fiラジオと調整して、同時送信を回避することができます。 Bluetooth Low Energy(BLE)は、40チャンネル(3プライマリ広告チャネルと37データチャネル)を使用して、さらにWi-Fiチャンネル1、6、11と重複を削減します。

干渉に対する周波数ホッピングの有効性は、ホッピングセットの多様性に依存します。利用可能なチャネルの数は、任意の単一の干渉源は、パケットの小さな割合だけを破損することができ、それらの失われたパケットは、再送信または前方エラー補正を介して回復されることを意味します。

周波数ホッピングの主な利点

  • [] は、コロケーション送信機から干渉を削減します。[]] は、任意のチャネルでマイクロ秒だけを消費することにより、Bluetoothは長い衝突を避けます。 Wi-Fiアクセスポイントが数ミリ秒間同じ周波数で送信しても、干渉が大惨事になる前にBluetoothが飛びます。
  • [] インターセプションの低確率でセキュリティを強化:[[] Bluetoothデバイスのクロックとアドレスから派生する擬似ホッピングパターンは、攻撃者が次のチャネルを予測するのは、計算的に困難になります。 これは、ジャムやイーブスドロップに対する固有の保護を提供します。
  • [] リンク信頼性とスループットの改善:[])適応ホッピングは、デバイスが継続的にチャネルの使用を最適化することを意味します。 干渉によるチャネル劣化が発生したとき、それは、永続的なパケット損失を防ぐホップセットから低下します。 これは、レイテンシの低下とより少ない再接続につながる。
  • []スケーラブルネットワークを有効にする:[ワイヤレスセンサーネットワークやオーディオ配信システムなどの密接な展開では、周波数ホッピングは、各Bluetoothのpiconetsが互いに干渉するチャンスを減らす。 各ピコネットは異なるホッピングシーを使用しており、クロスネクタイブコリジョンはまれです。

課題と限界

クラウド型スペクトラム

2.4 GHz帯域は、特に混雑しています。Wi-Fi、Zigbee、スレッド、ワイヤレスマウス、ベビーモニター、さらにはマイクロ波オーブンは同じ周波数を共有しています。AFHは、多くの静的干渉を避けますが、Wi-Fiチャンネルのような動的干渉は突然多岐に渡ります。パケット損失の短いバーストを引き起こす可能性があります。 Bluetoothの再送信メカニズム(限られた試みまで)は、これを処理するが、極端な場合によっては、ドロップアウトプットが生じる可能性があります。

ジグビーと糸との共存

ZigbeeとTreadは、直接的なシーケンススプレッドスペクトラム(DSSS)アプローチを使用し、通常は1つのチャネルに長期滞在します。そのチャネルがBluetoothホップでオーバーラップする場合、コリジョンが発生する可能性があります。しかし、Bluetoothが急速にホップを当てるので、繰り返したコリオンの確率は低いです。実際には、注意深いチャンネル計画(例えば、WiFi-チャネル間のギャップにZigbeeチャンネルを配置)とAFHは、許容共存を保証します。

ホップの同期オーバーヘッド

周波数ホッピングは、マスターとスレーブデバイス間の正確なタイミング同期を必要とします。デバイスが同期から抜け出すと、クロック許容差が低下します。それはホップを逃し、接続の低下を引き起こす可能性があります。 Bluetoothは対称マスター - スレーブタイミング機構と相乗していますが、非常に騒々しい環境では、再同期は数億ミリ秒かかることがあります。

潜在的思考

古典的なBluetooth(BR / EDR)は、1.25 msから2.5 msのわずかな接続間隔を持っていますが、周波数のホッピング自体は短い住居の時間を超えて重要なレイテンシを追加します。 Bluetoothの低エネルギーの広告チャネル(3チャンネル)は、接続の検出のための異なるホッピング方式を使用して、スキャン遅延のミリ秒数を導入できます。

リアルワールドアプリケーション

無線可聴周波ストリーミング

Bluetoothヘッドフォンとスピーカーは、複数のWi-Fiネットワークで環境に中断されていないオーディオを維持するために、周波数ホッピングに大きく依存しています。 たとえば、混雑したコーヒーショップでは、Bluetoothヘッドセットは、重複チャネルで10 + Wi-Fiアクセスポイントに遭遇する可能性があります。 AFHは、オーディオストリームがそれらの忙しい周波数から離れることを確実にし、スムーズな音楽再生と明確な電話コールをもたらします。

モノのインターネット(IoT)とセンサーネットワーク

Bluetooth Low Energy(BLE)は、スマートホームセンサー、ビーコン、医療用ウェアラブルなどのIoTデバイスで広く使用されています。BLEの37データチャネルとAFHにより、これらのバッテリー駆動装置は、家庭や病院の他のワイヤレスシステムと共存することができます。例えば、Wi-Fiルーターが近くにある場合でも、BLE温度データを確実に送信できます。

産業オートメーションおよび制御

工場では、機械およびセンサーの無線制御は確実に重い電磁波の騒音の中で作動しなければなりません。 Bluetoothの周波数ホッピングは、強力なパケットの再送信と結合され、必要な弾性を提供します。 照明制御のためのBluetoothのメッシュネットワークは、周波数の多様性にも恩恵を受け、スケーラブルなインストールを可能にします。

医療機器

Bluetooth は、低レイテンシ、干渉耐性のあるリンクを必要とする連続グルコースモニター、パルスオキシメータ、およびその他の医療機器で使用されます。 周波数ホッピングは、2.4 GHz バンドが病院 Wi-Fi や他の機器によって使用されても、生命批判的なデータストリームが安定していることを確認します。

コンテンツ

Bluetoothの周波数ホッピング - 特にその適応型バリアント - ワイヤレス干渉の持続的な挑戦への洗練された答えです。 混雑したチャンネルとインテリジェントな回避を回避することで、Bluetoothデバイスは、信頼性、安全性、および低遅延の接続を維持し、それ以外の場合は不可能であろう環境で維持します。 物事のインターネットが拡大し、2.4 GHzのスペクトルがこれまで以上に混雑し、周波数ホッピングは、Bluetoothの長寿と汎用性の角質を維持します。

詳細は、AFHの「」の公式] Bluetoothコア仕様[]の履歴概要、]の読み方スペクトル開発、IEEEの記事 ]のリアルタイム展開における適応周波数ホッピング]]]を参照してください。