藍牙路由系統、藍牙路由發送及接收方法與流程

2023-10-11 09:13:39

本發明涉及無線通信領域，尤其涉及一種藍牙路由系統、藍牙路由發送及接收方法。

背景技術：

藍牙(bluetooth)是一種無線技術標準，可以實現固定設備、行動裝置和區域網之間的短距離數據交換。在通常使用環境下，藍牙功能主要用於近距離藍牙設備之間的數據交換，互相通信的兩個藍牙設備的距離為10米左右。隨著科學技術的進步，藍牙晶片的靈敏度比藍牙協議上要求的性能提高了很多，兩個藍牙設備在距離達到100米的情況下，仍可以正常通信。但是這樣的距離擴展，仍然不能滿足家庭傳感網的需求。在家庭傳感網中，通常需要有一個藍牙路由器，能夠和整棟房屋的各層、各個房間裡的多個藍牙模塊通信；由於樓層和牆壁額外的路徑損耗，需要進一步增強藍牙信號的覆蓋範圍。另一方面，由於藍牙協議對發射功率的限制，不能通過對藍牙模塊無限制提高發射器的發送功率來擴大覆蓋範圍。

現有技術中，藍牙系統可以採用一種靈活的無基站的組網方式，使得一個藍牙設備可同時與多個其它的藍牙設備相連接。藍牙系統的網絡結構的拓撲結構有：微微網(piconet)和分布式網絡(scatternet)。在藍牙微微網中，有一個主節點或中心節點，同時和多個其他節點、從節點進行連接。通常情況下，主節點和其他節點具備同樣的發射功率和接收性能，在這種情況下，所構建的藍牙微微網的大小受到中心節點通信能力的限制。由於單個微微網的整體數據吞吐量受限，隨著藍牙模塊的數量越來越多，有些傳感模塊可能會有大數據量的應用，為了保證數據能夠及時得到傳輸，引入多個微微網，即引入另外一個同樣的藍牙路由器，擴展藍牙組網的覆蓋範圍。多個藍牙微微網可以通過橋接的方式連接成為分布式網絡(scatternet)，通過無線網格網絡(mesh)的方式來擴展藍牙組網的覆蓋範圍。在分布式網絡條件下，需要一系列的藍牙設備具備橋的功能，同時和兩個或兩個以上的微微網連接，在 不同微微網間傳遞數據，並完成必要的網絡層的組網功能。這種藍牙路由器一般採用多天線的設計，能夠和市場上銷售的符合藍牙協議規範的藍牙模塊通信，同時擴大覆蓋範圍，能夠滿足家庭或辦公傳感網的要求。

但是，在多個藍牙微微網同時工作時，需要使用不同的工作頻率，或者使用不同的跳頻序列，避免頻率碰撞導致通信失敗。由於多個微微網的藍牙傳感模塊非常多，或者環境幹擾嚴重導致可用工作頻率較少時，可能會導致多個藍牙微微網不能正常使用，降低了用戶體驗。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是如何有效的提高藍牙微微網的容量。

為解決上述技術問題，本發明實施例提供一種藍牙路由系統，藍牙路由系統包括：

多條天線；

多個射頻收發器，所述射頻收發器的數量與所述天線的數量一致，每一所述射頻收發器經由各自對應的所述天線收發藍牙數據；

多個基帶處理單元，所述基帶處理單元的數量與所述天線的數量一致；

數據處理單元，用於根據所述藍牙數據確定能夠同時通信的一個或多個藍牙設備，並在所述多個射頻收發器和多個基帶處理單元之間進行數據轉發。

可選的，所述藍牙路由系統還包括：

路由單元，適於在多個所述基帶處理單元或多個所述基帶處理單元與外部網絡之間進行數據路由。

可選的，所述數據處理單元包括：

信道估計單元，用於根據所述藍牙數據進行信道估計，以得到信道估計信息；

用戶確定單元，根據所述信道估計信息確定能夠同時通信的一個或多個藍牙設備；

預編碼單元，對來自所述基帶處理單元的待發送基帶數據進行預編碼， 並傳輸至所述射頻收發器。

可選的，所述用戶確定單元採用如下方式確定能夠同時通信的一個或多個藍牙設備：根據所述信道估計信息，把與多個所述天線耦合的所有藍牙設備按照信道功率大小進行排序，確定信道功率最大的藍牙設備為能夠同時通信的藍牙設備；迭代計算所述所有藍牙設備中剩餘的藍牙設備與確定的能夠同時通信的藍牙設備的信道向量的夾角，所述夾角達到設定值的所述藍牙設備作為能夠同時通信的藍牙設備，直至迭代進入收斂狀態。

可選的，所述設定值為20—40度。

可選的，所述信道估計單元將所述所有藍牙設備通過多條所述天線在多個頻點上的所述信道估計信息排列成矩陣，形成信道估計矩陣，其中，所述信道估計矩陣包括藍牙設備信息、天線信息和頻點信息。

可選的，所述預編碼單元基於所述信道估計矩陣中當前頻點上的信道估計信息，計算出預編碼矩陣；並根據所述預編碼矩陣對處於工作狀態的所述基帶處理單元的所述待發送基帶數據進行預編碼。

可選的，所述預編碼單元通過波束成形的方式形成所述預編碼矩陣。

為解決上述技術問題，本發明實施例還公開了一種基於所述藍牙路由系統的藍牙路由發送方法，藍牙路由發送方法包括：

將與多個所述天線耦合的所有藍牙設備經過訓練得到信道估計矩陣，其中，所述信道估計矩陣包括藍牙設備信息、天線信息和頻點信息；

基於所述信道估計矩陣得到能夠同時通信的一個或多個藍牙設備在當前頻點上的信道估計信息，其中，所述信道估計信息包括所述藍牙設備信息和所述天線信息；

根據所述信道估計信息計算預編碼矩陣；

基於所述預編碼矩陣對待發送基帶數據進行預編碼，並經過所述射頻收發器調製後傳送至所述天線進行發送。

可選的，將所述所有藍牙設備經過訓練得到所述信道估計矩陣包括：

將所述所有藍牙設備通過多條所述天線在多個頻點上的所述信道估計信 息排列成矩陣，形成信道估計矩陣。

可選的，採用如下方式確定能夠同時通信的一個或多個藍牙設備：

根據所述信道估計信息，把與所述多個天線耦合的所有藍牙設備按照信道功率大小進行排序，確定信道功率最大的藍牙設備為能夠同時通信的藍牙設備；計算所述所有藍牙設備中剩餘的藍牙設備和確定的能夠同時通信的藍牙設備的信道向量的夾角，所述夾角達到設定值的所述藍牙設備作為能夠同時通信的藍牙設備。

可選的，所述設定值為20—40度。

為解決上述技術問題，本發明實施例還公開了一種基於所述藍牙路由系統的藍牙路由接收方法，藍牙路由接收方法包括：

將與多個所述天線耦合的所有藍牙設備經過訓練得到信道估計矩陣，其中，所述信道估計矩陣包括藍牙設備信息、天線信息和頻點信息；

基於所述信道估計矩陣得到能夠同時通信的一個或多個藍牙設備在當前頻點上的信道估計信息，其中，所述信道估計信息包括所述藍牙設備信息和所述天線信息；

多條所述天線將接收到的所述藍牙數據傳送至所述射頻收發器進行解調；

根據所述信道估計信息，從解調後的所述藍牙數據中得到能夠同時通信的一個或多個藍牙設備信息，並基於所述藍牙設備信息將所述藍牙數據傳送至所述基帶處理單元。與現有技術相比，本發明實施例的技術方案具有以下有益效果：

本發明的藍牙路由系統設置多條天線、多個射頻收發器和多個基帶處理單元，所述射頻收發器的數量、所述基帶處理單元的數量與所述天線的數量一致，每一射頻收發器經由各自對應的天線收發藍牙數據；數據處理單元用於根據所述藍牙數據確定能夠同時通信的一個或多個藍牙設備，並在所述多個射頻收發器和多個基帶處理單元之間進行數據轉發，實現了同一工作頻點多個藍牙設備的同時通信，提高了以藍牙路由系統為中心節點的藍牙微微網 的容量。

進一步，數據處理單元包括信道估計單元、用戶確定單元和預編碼單元，信道估計單元用於根據所述藍牙數據進行信道估計，以得到信道估計信息；用戶確定單元根據所述信道估計信息確定能夠同時通信的一個或多個藍牙設備；預編碼單元對來自所述基帶處理單元的待發送基帶數據進行預編碼，並傳輸至所述射頻收發器。通過對藍牙數據傳輸信道的條件進行估計，確定能夠同時通信的藍牙設備，並採用預編碼方式處理髮送數據，實現了多個藍牙設備同時通信且不受幹擾，進一步提高了藍牙微微網的數據傳輸質量。

附圖說明

圖1是本發明實施例一種藍牙路由系統的結構示意圖；

圖2是本發明實施例另一種藍牙路由系統的結構示意圖；

圖3是本發明實施例一種藍牙路由發送方法的流程示意圖；

圖4是本發明實施例一種藍牙路由接收方法的流程示意圖。

具體實施方式

如背景技術中所述，在多個藍牙微微網同時工作時，需要使用不同的工作頻率，或者使用不同的跳頻序列，以避免頻率碰撞導致通信失敗。由於多個微微網的藍牙傳感模塊非常多，或者環境幹擾嚴重導致可用工作頻率較少時，多個藍牙微微網不能正常使用，降低了用戶體驗。

本發明實施例為滿足同一藍牙微微網中多個藍牙設備的通信需求，引入基於多用戶多入多出技術(multi-usermultiple-inputmultiple-output,mu-mimo)，通過同時與多個藍牙設備進行通信的空分的復用方式，在同一個頻點上連接多個用戶，一個微微網就能支持多個藍牙設備，提高了以藍牙路由系統為中心節點的藍牙微微網的容量。

本發明實施例所稱藍牙路由系統為藍牙微微網的中心節點。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。

圖1是本發明實施例一種藍牙路由系統的結構示意圖。

請參照圖1，藍牙路由系統包括：天線101、射頻收發器102、數據處理單元103和基帶處理單元104。

其中，天線101的數量可以是n個，n為正整數，相應地，射頻收發器102的數量可以是n個，基帶處理單元104的數量可以是n個。所述射頻收發器102的數量與所述天線101的數量一致，每一射頻收發器102經由各自對應的天線收發藍牙數據，射頻收發器102還可以實現變頻、信道選擇或放大信號的作用。所述基帶處理單元104的數量與所述天線101的數量一致。

基帶處理單元(又稱信源)104發出沒有經過調製(進行頻譜搬移和變換)的原始電信號所固有的頻帶(頻率帶寬)。數據處理單元103用於根據來自於射頻收發器102的藍牙數據確定能夠同時通信的一個或多個藍牙設備，並在所述多個射頻收發器102和多個基帶處理單元104之間進行數據轉發。

需要說明的是，數量n可以為任意可實施的數量，由用戶根據實際的應用環境做適應性的調整。

圖2是本發明實施例另一種藍牙路由系統的結構示意圖。

請參照圖2，一併參照圖1，藍牙路由系統包括：天線101、射頻收發器102、數據處理單元103、基帶處理單元104和路由單元201。

其中，路由單元201適於在多個基帶處理單元104或多個基帶處理單元104與外部網絡之間進行數據路由。能夠同時通信的一個或多個藍牙設備之間的通信可以通過路由單元201完成數據的路由交換；需要連接外部網絡的數據則通過路由單元201進行路由轉發。

本實施例中，數據處理單元103包括：信道估計單元202、用戶確定單元203和預編碼單元204，信道估計單元202用於根據所述藍牙數據進行信道估計，以得到信道估計信息；用戶確定單元203根據所述信道估計信息確定能夠同時通信的多個藍牙設備，能夠同時通信的藍牙設備的數量為m；預編碼單元204對來自所述基帶處理單元的待發送基帶數據進行預編碼，並傳輸至所述射頻收發器102。

本實施例中，信道估計單元202將所述所有藍牙設備通過多條所述天線101在多個頻點上的所述信道估計信息排列成矩陣，形成信道估計矩陣，其中， 信道估計信息可以包括信道狀態信息(csi，channelstateinformation)，csi是通信鏈路的信道屬性，描述信號在每條傳輸路徑上的衰弱因子，如信號散射(scattering)、環境衰弱(fading，multipathfadingorshadowingfading)、距離衰減(powerdecayofdistance)等信息，所述信道估計矩陣包括藍牙設備信息、天線信息和頻點信息三個維度，矩陣中的數據是指對應藍牙設備和對應天線之間的信道在對應頻點的信道狀態信息。其中，藍牙路由系統的工作頻點確定時，即信道估計矩陣在當前頻點上的信道估計信息為m*n的矩陣，其中，m為能夠同時通信的藍牙設備的數量，n為天線101的數量，從而形成了m*n的矩陣。在m*n的矩陣中，每一行表示m個藍牙設備其中之一對應於n條天線其中之一的信道向量。其中，m的值小於等於n。

本實施例中，藍牙路由系統處於工作狀態時，用戶確定單元203採用如下方式確定能夠同時通信的一個或多個藍牙設備：根據所述信道估計信息，把與所述多個天線101耦合的所有藍牙設備按照信道功率大小進行排序，確定信道功率最大的藍牙設備為能夠同時通信的藍牙設備；迭代計算所述所有藍牙設備中剩餘的藍牙設備與確定的能夠同時通信的藍牙設備的信道向量的夾角，所述夾角達到設定值的所述藍牙設備添加至能夠同時通信的藍牙設備，直至迭代進入收斂狀態。所述收斂狀態是指計算出所有滿足條件的藍牙設備，或者是計算出所有m個藍牙設備。

其中，「達到」指的是大於等於。具體實施中，所述設定值為20—40度。優選的，所述設定值為30度。即任意兩個同時通信的藍牙設備的信道向量之間的夾角大於等於30度。通過藍牙設備之間的夾角大於等於設定值，可以使得藍牙設備在當前頻點通信時，相互之間的信號幹擾較小。

可以理解的是，所述設定值可以根據實際應用環境做適應性的調整。

本實施例中，預編碼單元204基於所述信道估計矩陣中當前頻點上的信道估計信息，計算出預編碼矩陣；並根據所述預編碼矩陣對處於工作狀態的所述基帶處理單元的待發送基帶數據進行預編碼。

具體實施中，預編碼單元204通過波束成形(beamforming)的方式形成所述預編碼矩陣。採用波束成形，一方面可以獲得足夠大的信噪比，另一方面 可以得到高精度的目標分表率，實現定向傳輸的目的。藍牙路由系統發送的數據到達藍牙設備時，由於藍牙設備距離藍牙路由系統遠近不同，接收到的數據存在差異，需要進行補償，使得補償後的信號相同。為了使數據發送的波束最大值對準指定的藍牙設備方向，對數據發送的信號施加不同延時。對於窄帶信號，時延可以通過窄帶相移實現。

本發明實施例中，由於多個藍牙設備在同一頻點通信會造成互相干擾，通過對藍牙數據傳輸信道的條件進行估計，確定同時通信的藍牙設備，並採用預編碼方式處理髮送數據，利用有用信號和幹擾信號在角度等空間信道特性上的差異，通過適當加權處理，在空間上隔離有用信號與幹擾信號，實現了多個藍牙設備同時通信且不受幹擾，進一步提高了藍牙微微網的通信容量和質量。

圖3示出了本發明實施例一種藍牙路由發送方法。

請參照圖3，一併參照圖1和圖2，藍牙路由發送方法包括：步驟s301，將與多個所述天線耦合的所有藍牙設備經過訓練得到信道估計矩陣。

其中，所述信道估計矩陣包括藍牙設備信息、天線信息和頻點信息。

本實施例中，藍牙路由系統發送數據至藍牙設備，可以叫做下行鏈路。藍牙路由系統將多個數據流傳輸給不同的藍牙設備，通過在數據處理單元103採用波束成形的方式，提前分離不同藍牙設備的數據流，從而簡化藍牙設備接收端的操作。

具體實施中，信道估計的實現需要獲取無線信道的信息，例如可以是信道的階數、都卜勒頻移、多徑時延或者信道的衝激響應等參數。

步驟s302，基於所述信道估計矩陣得到能夠同時通信的一個或多個藍牙設備在當前頻點上的信道估計信息。

其中，所述信道估計信息包括所述藍牙設備信息和所述天線信息。

本實施例中，藍牙路由系統的工作頻點確定時，基於所述信道估計矩陣得到在當前頻點上的信道估計信息，得到的信道估計信息形成m*n的矩陣，其中，m為能夠同時通信的藍牙設備的數量，n為天線101的數量，m*n的 矩陣中的每一行表示m個藍牙設備其中之一對應於n條天線其中之一的信道向量。所述預編碼矩陣的計算可以基於信號與幹擾噪聲比(signaltointerferenceplusnoiseratio,sinr)最大化原則。

步驟s303，根據所述信道估計信息計算預編碼矩陣。

本實施例中，在預編碼過程中，可以根據信道條件，對發送信號的空間特性進行優化，使發送信號的空間分布特性與信道條件相匹配，有效地降低對接收端藍牙設備算法的依賴程度。在下行鏈路中，由於能夠同時通信的各個接收端藍牙設備在物理位置上是分散的，此時可以在藍牙路由系統的發射端對信道狀態信息加以利用，採用預編碼方式，通過波束成形的方式形成所述預編碼矩陣，對發射信號進行預處理，使得能夠同時通信的各個接收端藍牙設備接收到不受其它藍牙設備幹擾的信號。

步驟s304，基於所述預編碼矩陣對待發送的所述藍牙數據進行預編碼，並經過所述射頻收發器調製後傳送至所述天線進行發送。

本實施例中，根據所述預編碼矩陣對處於工作狀態的所述基帶處理單元的待發送基帶數據進行預編碼，使用預編碼使得待發送藍牙數據使用不同的擾碼序列，藍牙設備接收端從而可以正確區分藍牙路由系統發送端針對多個藍牙設備發送的信息，達到發送分集的效果。

具體實施中，在發送端，待發送信號為s，假設一次發送b個字符，即s為b*1維向量。使用預編碼矩陣wt(n*b)進行波束成形，輸出n*1維信號x，進行調製後從天線101進入m*n維mimo信道h；在接收端，接收預編碼矩陣wr(m*b)對接收信號進行波束成形合併，輸出b*1維估計信號x』，再進行解碼和解調等處理得到信號s。對於同時通信的m個用戶，分別求取預編碼矩陣wt，並通過m個信道同時發送數據信號，根據獲得信道估計信息和功率分配最大化原則確定每個信道的發送功率，實現有方向性地發送，並根據信道變化自適應地調整發射方向，降低發射功率。

本發明實施例通過波束成形處理，可以有效消除下行鏈路的多用戶幹擾，從而提高同時通信的容量；還可以簡化藍牙設備接收端解調數據的操作，性能更優。

本發明實施例的具體實施方式可參照前述相應實施例，此處不再贅述。

圖4示出了本發明實施例一種藍牙路由接收方法。

請參照圖4，一併參照圖1和圖2，藍牙路由接收方法包括：步驟s401，將與多個所述天線耦合的所有藍牙設備經過訓練得到信道估計矩陣。

其中，所述信道估計矩陣包括藍牙設備信息、天線信息和頻點信息。

步驟s402，基於所述信道估計矩陣得到能夠同時通信的一個或多個藍牙設備在當前頻點上的信道估計信息。

其中，所述信道估計信息包括所述藍牙設備信息和所述天線信息。

步驟s403，多條所述天線將接收到的所述藍牙數據傳送至所述射頻收發器。所述射頻收發器可以對來自於天線的藍牙數據做進一步處理，例如解調等。

本實施例中，能夠同時通信的一個或多個藍牙設備向藍牙路由系統傳送數據的過程也可以成為上行鏈路。不同藍牙設備使用相同的時頻資源向藍牙路由系統進行數據發送，每個藍牙設備為單天線發送。從路由系統接收端來看，接收到的所有的數據流可以看作來自一個藍牙設備的不同天線，從而構成了一個虛擬的mimo系統。

步驟s404，根據所述信道估計信息，從所述射頻收發器輸出的藍牙數據中得到能夠同時通信的藍牙設備信息，並基於所述藍牙設備信息將所述藍牙數據傳送至所述基帶處理單元。

由於信道的信道狀態信息是實時變化的，在數據的接收階段，本發明實施例通過在解調後的所述藍牙數據中得到能夠同時通信的一個或多個藍牙設備信息，從而對當前傳輸信道的信道狀態進行監測，在當前信道狀態發生變化時，更新所述信道估計矩陣，以便在數據發送時進行適應性的調整，提高數據傳輸的質量；基於所述藍牙設備信息將所述藍牙數據傳送至對應的基帶處理單元104，至此實現了從藍牙設備到藍牙路由系統的數據傳送過程。

具體實施中，多個藍牙設備之間數據需要進行交換時，通過路由單元201將數據進行路由交換至對應的基帶處理單元104，並進入藍牙路由發送的流 程。

本發明實施例的具體實施方式可參照前述相應實施例，此處不再贅述。

雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。