蓝牙低功耗车载通信的性能和鲁棒性分析外文翻译资料

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蓝牙低功耗车载通信的性能和鲁棒性分析

摘要：

低能耗蓝牙（BLE）在各种应用中迅速而稳定地获得重视。在本文中，我们调查BLE在车再通讯中的潜力。通过实验，我们首先评估无线信道的特性，然后定义一组驾驶场景，分析BLE如何受到速度，距离和交通状况变化的影响。我们发现，两个设备之间的最大通信范围可以超过100米，并且即使对于不同的业务和驾驶条件，也可以实现高达50米的距离的强大的连接，能够处理突发的信号损失或干扰。然后，我们提供了现有智能手机的概念验证应用程序，可用于在多个跳时传输数据。接下来，我们分析BLE如何通过构建和验证基于IEEE802.11技术的干扰测试台来处理相同频带上的其他干扰。最后，我们讨论了车辆间通信（IVC）的BLE的优点和局限性，并提出潜在的应用。

关键词：低功耗蓝牙，车载通讯，移动计算，IEEE802.11，实验，干扰

1.简介

智能手机越来越多地配备了传感器和通讯接口。通信技术的最新成果之一是蓝牙低能耗（BLE），也称蓝牙智能。虽然在某些方面类似，但是BLE不会向前兼容以前的蓝牙版本，因为它使用不同的控制器（即物理层和链路层）。但是，大多数支持BLE的设备都以双模式实现两个协议栈。

这种低能量和低延迟的通信协议的开发，促进了移动设备和其他外围设备之间的通信（例如，智能手表）。常用的应用领域包括健身，医疗保健和智能家居等。该协议定义了允许设备之间快速简单的消息交换的几个上层功能。

在本文中，我们调查BLE在车辆间通信（IVC）方面的潜力。由于采用专门设计的IVC技术（如基于IEEE802.11p的专用短距离通信（DSRC）），这项工作的部署比最初预期时间的更长。我们相信，在不久的将来，越来越多的移动设备支持BLE，将允许快速部署新的智能交通系统（ITS）。尤其是越来越多的汽车制造商提供了将移动设备紧密集成在新车辆中的接口（例如AppleCarPlay）。预计到2018年，90％的移动设备将支持低能耗标准。另一个优点是由于能源需求低，BLE服务可以在电池供电的移动设备的背景下运行，而不会限制其他应用的使用。虽然这项技术最初是针对短距离单跳通信而设计的，但我们发现，它可以将短消息从一个设备发送到另一个设备，最长距离为100米。通过实验，我们评估不同的驾驶场景，并调查无线信道干扰对BLE通信的影响。

我们开发了一个概念验证的移动应用程序，该应用程序使用现成的智能手机来展现如何使用BLE通过多跳发送数据，这大大增加了应用的范围。

为了进一步证明目前IVC中的BLE的可行性，我们展示了在现实中Wi-Fi和BLE之间怎样共存，并且研​​究对来自IEEE802.11设备的同一射频（RF）频带的干扰，BLE通讯的抗干扰能力。

在我们的实验中，我们测量了多种动态场景和静态干扰场景下的性能，比如信息交换率和消息往返时间。我们还确定并讨论使当前版本的BLE的一些缺点，这使得它不适合所有类型的应用程序。我们得出结论，BLE实际上可以用于在车辆之间交换信息。这使得BLE成为具体部署的候选，但鉴于获得的结果，它不能完全替代诸如DSRC/802.11p之类的板载通信接口。

本文的其余部分组织如下。在第2节中，我们提供文献综述。接下来，在第3节中，我们概述了BLE协议栈。在第4节中，我们将描述如何在车辆上下文中使用BLE。第5节讨论了车辆实验装置和结果。关于BLE对干扰的鲁棒性的研究可以在第6节中找到。在第7节中，我们总结了论文，为今后的工作提供了指导。

2.相关工作

低功耗蓝牙（BLE）已由蓝牙技术联盟（SIG）根据蓝牙4.0规范标准化。戈麦斯等人提供了BLE协议栈的简要概述，并研究了几个关键参数对其性能的影响。他们发现，能量消耗和网络性能之间需要权衡，这取决于几个配置参数。

由于BLE主要用于低功率通信和应用，因此有几项研究分析了BLE的能量足迹，并将其与其他技术相比较。Siekkinen等人的工作研究了BLE的能耗，并将结果与​​ZigBee802.15.4进行了比较。他们发现，事实上BLE是非常节能的，即使考虑上额外的层次引入的开销，如IPv6。

其他研究侧重于BLE协议的安全性。Ryan提出了不同的技术来窃听BLE通信。他们论证了对密钥交换协议的攻击，损害了加密。

大多数作品评价新应用程序将受益于BLE技术的。例如，Linetal提出了一种新颖的低成本血压监测系统，其依赖于智能电话和血压计之间的BLE连接来获取准确的读数。Andersson提出并评估了当用户接近时自动解锁门的智能手机应用程序。通过评估不同的场景，他们表明BLE是适合这种应用的技术。

没有大量的研究集中在使用BLE车载应用。最近，Kandhalu等提出了一种适合于车载无线通信的BLE协议修改。它们增强了BLE的性能，以确保汽车系统所需的最差延迟。同样，Lin等人评估了同时使用不同ISM频段无线技术造成的车载干扰的影响。他们得出结论，BLE是对抗干扰的最有弹性的技术。

在我们以前的工作中，我们调查了BLE技术是否适合IVC。我们的初步结果表明，BLE可以用于传输距离达100米的小数据包。在这项工作中，我们将对不同流动情况下BLE的特征进行更详细的研究。此外，我们提供一个概念验证应用程序，允许使用BLE在多个跳数上发送数据包。据我们所知，这是第一篇提供BLE如何用于IVC的详细研究报告。

另外的研究已经测试了Wi-Fi和经典蓝牙（BC）的共存，有几个作品引入了BLE。BLE硬件能够重用现有的BC共存特征，例如被动干扰避免方案（例如自适应跳频（AFH））。此外，BLE信道与BC相比具有不同的间隔（BLE为2MHz，BC为1MHz），有两种：数据和广告通道。专门选择广告频道位于2.4GHz频段的最不拥挤的区域。

3.BLE概述

蓝牙低功耗，蓝牙智能，由Nokia于2006年首次推出，名称为Wibree，于2010年被纳入蓝牙版本4.0核心规范。

BLE被开发为具有多种不同应用的单跳通信技术;医疗保健，体育和健身，消费电子，智能家居，安全和接近感应。

鉴于蓝牙技术的广泛使用，基于实现相似性和今天已经存在的不同市场渗透率，BLE的成功是公平的。下一个版本的BLE（版本4.1）规定了IPv6连接，允许潜在的互联网访问所有启用BLE的设备，这使得该技术更具吸引力。BLE的特征有：

1Mbps数据速率（RF调制符号率）。

128位AESCCM安全。

超低功耗（约1mu;阿睡觉时和lt;最大20mA消耗）。

低延迟（从非连接状态6ms）。

BLE协议栈（见图1），类似于蓝牙经典（BC），分为两个主要部分;控制器和主机。

图1 BLE协议栈

在控制器中，我们可以在主机中找到物理层（PHY）和链路层（LL），逻辑链路控制和适配协议（L2CAP），属性协议（ATT），通用属性配置文件（GATT）安全管理器（SM）和通用访问配置文件（GAP）。主机-控制器接口（HCI）处理控制器和主机之间的通信。

在物理层负责处理传入和传出位。BLE定义了40个射频（RF）信道，3个专用于广告（37-39）和37个数据信道。选择这些数据信道中的一个用于使用自适应跳频（AFH）机制发送数据来处理无线传播问题和干扰。

在链路层是建立两个设备之间的双向通信的平台。一旦在两个设备之间建立连接，则在此层中定义了两个角色：主和从。主机（或中央设备）通常是扫描其他设备（智能手机，平板电脑或笔记本电脑）的设备。从机（或外围设备）是广播数据的设备（健身追踪器或智能手表）。从设备默认处于睡眠模式，并定期唤醒以便被发现并潜在地与主设备配对。

链路层提供错误和流量控制。所有数据包将具有24位循环冗余校验（CRC）代码以提供位错误检测，监视超时是为了检测由于超出范围或无线电干扰造成的连接损耗，并且使用停止等待数据包流确保通过确认顺序数据包号码不会丢失数据包（有关错误恢复的更多详细信息，请参见第5.3节）。BLE中使用的L2CAP协议是蓝牙经典版的优化版本。该层的主要目标是封装提供流量管理的上层数据通道。

ATT协议定义了主机和从机之间的通讯。主机（中央设备）在这里被称为客户端，从设备（外围设备）称为服务器。服务器设备通过维护一组属性来通告数据。属性包含GATT管理的数据。ATT协议通过专用L2CAP通道建立服务器属性和客户端之间的通信。

GATT建立用于发现存储在属性协议的数据和设备之间交换特性的框架。每个外围设备将具有存储服务和特性的一组属性，其中每个特征都包含值和许多属性（见图2）。

图2通用属性配置文件（GATT）框架

例如，如果我们有心率监测器作为外围设备，其GATT服务器将包含心率传感器服务，具有心率特征。然后，该特性将包括将传感器读取为值，并指定值的属性，如只读。

4.车辆通讯BLE

低功耗蓝牙并没有开发出车载应用。然而，一个或多个车辆之间的微微网可以使用固定在汽车仪表板上的现成智能手机进行设计。我们可以想象，在不久的将来，汽车中的娱乐系统将提供智能手机和汽车之间更强的界限（例如AppleCarPlay），来自智能手机或汽车本身的BLE接口可用于快速和与邻近车辆的可靠通信。

在本文中，我们旨在表明，现阶段多跳之间的信息交换在每一跳之间到达一定距离是可靠的。

而且，不同的情况已经到位，逐步显示了连接和链路性能如何受到汽车的距离和速度的影响。在单跳实验中进行了实验，并在实验室中开发和测试了多跳通信的概念验证。在以下小节中，我们将更详细地描述我们的单跳和多跳场景。

4.1单跳

对于所提出的单跳方案，我们开发了一个移动应用程序（参见第5章a），并使用了相同操作系统版本（iOS7.1）的两个相同的智能手机（iPhone5S）。对于所有的实验，我们在电话持有人的车内固定了两个手机。

应用程序在同一个类中同时实现BLE中央和外围模式，并自动处理角色切换。每个智能手机将作为中央设备启动，并通过设备本身的按钮手动唤醒其外设角色。请注意，一旦设备切换到外围设备，它将仍然在其他的队列中保持中心设备的角色，允许设备在广播时发现现其他外围设备。

我们定义了三种不同的场景，以彻底标定IVC的BLE：

恒定距离和速度

恒速

城市驾驶

第一种情况，恒定距离和速度包括两辆在高速公路上以恒定速度（80公里/小时）行驶的车辆，同时将距离从20米增加到80米。第二种情形中，恒定速度与停在路上，而第二车辆驾驶以恒定的速度在同一道路上的侧面有一个车辆进行。最后一种情况是，城市驾驶包括通过卢森堡市的正常驾驶，允许改变速度，距离和考虑当地交通（例如发送者和接收者之间的其他车辆）。

4.2多跳

多跳场景在我们的实验室进行，给出了一个概念证明，证明了它在现实生活中的可行性。

所使用的应用程序在实现中需要几个添加，例如基于事件的角色切换，以及触发特殊消息并在接收设备上相应处理它们的能力。

4.2.1基于事件的角色切换

如图所示，用于该应用的每个设备将在中央模式启动，并且将手动激活装置本身上或者在接收的消息转播其外围的作用。在我们的情况下，左边的第一辆车将手动触发一个将被范围内所有车辆接收的信息。中间的汽车会将消息转播到第三辆车（超出第一辆车），同时会有一段时间的外围和中心角色。一旦中间智能手机接收到第一个消息作为中央设备，它将激活其外设管理器和转播消息，同时仍然从第一个车接收新的消息。

图3 基于事件的角色切换（P=外设模式，C=中央模式）

5.性能评估

对于第4节中描述的每个场景，我们分析了我们的移动应用程序日志中关于传送率，往返时间，车辆距离和数据包速率之间的不同数据以及我们的多跳实验的端到端延迟。

移动应用程序的作用对于性能评估至关重要，因为数据连接和交换的消息被直接记录在用于所有场景的设备上。然后在每次测试运行后提取这些日志，并结合以检查场景结果。

该应用程序是为iOS设备（版本7.1）开发的，因为目前可以开发中央和外围模式的代码。对于其他平台（如Android），使手机充当外围设备的选项仍然不可用（最新版本，同时撰写论文AndroidKitKat4.4）。

虽然能源消耗不是我们研究中的一个相关因素，但重要的是强调BLE在这方面的表现。正如Siekkinen等人的详细研究[7]在第4节中显示，非连接状态下BLE设备的总能耗将根据不同的通信参数而变化。这些参数，如连接间隔，从机延迟和连接监控超时，可针对车辆场景进行优化，以进一步减少功耗。由于设备只能在很短的时间内保持连接状态，所以根据应用程序需要几毫秒，我们认为在这种状态下的消耗可以忽略不计。由于对于我们的实验，不需要分析和优化电力使用，我们没有进一步调查其对可用设备的影响。

5.1移动应用

如前所述，移动应用程序是为iOS设备开发的。来自iOSSDK的核心蓝牙框架不仅可以实现中央和外围BLE模式，而且还提供了一个简单而灵活的平台来与BLE功能进行交互。根据用户正在测试单跳或多跳场景，应用程序将加载不同的参数。

测试单跳方案是在室外进行的，因此要求iOS定位管理器利用设备GPS来跟踪位置和速度。这些测试的应用程序部署在两个相同的iPhone5S型固定在一辆车的仪表板上。一个设备始终保持在外设模式，具有两个特性（一个可读和一个可写），并且在与中央设备成功配对后每100ms（10Hz）持续更新第一个设备。我们选择10Hz的信标频率，满足大多数ITS应用的要求。

可读特性包含外设的GPS位置，速度和顺序ID。当中央读取该信息时，使用从外设提供的纬度和经度坐标来计算两个设备之间的距离。然后将该距离和相对速

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