modelado del retardo de transmisión en bluetooth...

Modelado del retardo de transmisión enBluetooth 2.0 + EDR

Tesis Doctoral

Autor:José Rafael Luque Giráldez

Directores:Dr. Eduardo Casilari Pérez

Dra. Mª José Morón Fernández

Departamento de Tecnología ElectrónicaUniversidad de Málaga

Málaga, 2010

J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 1 / 78

Índice

1 Introducción

2 Estado de la Técnica

3 Modelos de retardo de transmisión para SPP

4 Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones

5 Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones

6 Conclusiones y líneas futuras


Introducción

Índice1 Introducción

Tecnología BluetoothObjetivo y fases

2 Estado de la Técnica3 Modelos de retardo de transmisión para SPP

Sin considerar el efecto de las retransmisionesConsiderando el efecto de las retransmisiones

4 Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisionesMetodología de medidaValidación con dispositivos CSR

5 Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisionesReproducción empírica del canalTasa BERRelación SNRRetardo de transmisión

6 Conclusiones y líneas futurasConclusionesLíneas futuras


Introducción

Productos Bluetooth

Productos Bluetooth oficialmente registrados en el Bluetooth SIG, agrupadospor categoríasCategoría Unidades Categoría Unidades

Audio/Visual 2259 Dispositivos médicos 124Automoción 2029 Teléfonos 3363

Dispositivos de juego 84 Accesorios de telefonía 1850Ordenadores de mano 1092 Equipos de oficina 762

Auriculares 1370 Ordenadores personales 1557Dispositivos domésticos 661 Productos únicos 113Dispositivos de entrada 329

Número total de productos 11152


Introducción Tecnología Bluetooth










Evolución histórica

Fundación del Bluetooth SIGAño 1998: Ericsson, IBM, Intel, Toshiba y Nokia fundan el Bluetooth SIG.Año 1999: Se incorporan 3Com, Lucent, Microsoft y Motorola.

Año Evento1999 Publicación de la versión Bluetooth 1.0b2001 Publicación de la versión Bluetooth 1.12002 Bluetooth 1.1 es parcialmente adoptada por el IEEE bajo el estándar IEEE

802.15.1-20022003 Publicación de la versión Bluetooth 1.22004 Publicación de la versión Bluetooth 2.0 + EDR2005 Revisión del estándar IEEE 802.15.1, basada en Bluetooth 1.2: IEEE

802.15.1-20052007 Publicación de la versión Bluetooth 2.1 + EDR2009 Publicación, en el mes de abril, de la versión Bluetooth 3.0 + HS2010 Publicación, en el mes de junio, de la versión Bluetooth 4.0



Objetivo y topologías

Objetivo:Reemplazar el cable de conexión entre dispositivos electrónicos por un enlace radio decorto alcance (10-100 m), robusto frente a desvanecimientos e interferencias y que permitela transmisión fiable de voz y datos

Topologías de Red:Piconet: Dos o más unidades que

comparten el mismo canal:Maestro7 esclavos máximo enmodo activo

Scatternet: Varias piconets con áreas decobertura solapadas



Características

Opera en la banda de frecuencias ISM a 2’4 GHz, de libre uso a nivelmundial.

Dirección Bluetooth única . Dirección MAC

Modelado del Retardo de Transmisión en Bluetooth 2.0 + EDR

!! Opera en la banda de frecuencias ISM a 2’4GHz, de libre uso a nivel mundial.

!! Dirección Bluetooth única ! Dirección MAC

Fundamentos teóricos de Bluetooth 1.1: Características

8

Identificador del fabricante

LAP UAP NAP

Identificador del dispositivo

BD_ADDR

3 1 2

!! Tasa de transmisión de datos bruta: 1 Mbps

!! Técnica de espectro ensanchado: Frequency-Hopping

!! Canal: representado por una secuencia de salto pseudo-aleatoria

!! El canal está divido en slots " Esquema TDD (Time Division Duplex)

!! Ofrece Enlaces:

"! SCO: Transmisión síncrona: voz

"! ACL: Transmisión asíncrona: datos

•! Paquetes DH1, DH3, DH5 (Data High Rate)

•! Paquetes DM1, DM3, DM5 (Data Medium Rate): Codificación FEC 2/3

Tasa de transmisión de datos bruta: 1 Mbps

Técnica de espectro ensanchado: Frequency-HoppingCanal: representado por una secuencia de salto pseudoaleatoria

El canal está divido en slots . Esquema TDD (Time Division Duplex).Ofrece Enlaces:

SCO: Transmisión síncrona: vozACL: Transmisión asíncrona: datos

Paquetes DH1, DH3, DH5 (Data High Rate)Paquetes DM1, DM3, DM5 (Data Medium Rate): Codificación FEC 2/3



Arquitectura de protocolos


Fundamentos teóricos de Bluetooth: Arquitectura de

protocolos (II)

HCI DRIVER

RF

Blu

etoo

th H

ost

Blu

etoo

th C

ontr

olle

r

LM

HCI FIRMWARE

BASEBAND

L2CAP

OTHER HIGH LAYERS

RFCOMM SDP TCS

Com

andos HC

I

Eventos H

CI

HCTL

Datos A

CL

Datos S

CO

12

HCI DRIVER

HCI FIRMWARE

OPCIONAL


Fundamentos teóricos de Bluetooth: Arquitectura de

protocolos (II)

HCI DRIVER

RF

Blu

etoo

th H

ost

Blu

etoo

th C

ontr

olle

r

LM

HCI FIRMWARE

BASEBAND

L2CAP

OTHER HIGH LAYERS

RFCOMM SDP TCS

Com

andos HC

I

Eventos H

CI

HCTL

Datos A

CL

Datos S

CO

12

HCI DRIVER

HCI FIRMWARE



Mejoras de Bluetooth 1.2 y 2.0+EDR

Bluetooth 1.21 Descripción de la arquitectura.2 Establecimiento rápido de

conexión.3 AFH (Adaptive Frequency

Hopping).4 Enlaces eSCO (Extended SCO).5 Modos de operación en L2CAP:

1 Control de flujo.2 Detección de errores.

6 Capacidad de sincronizaciónmejorada.

7 Especificación de flujo mejorada

Bluetooth 2.0+EDRBasic Rate (obligatoria):

1 Mbps . DM1, DM3, DM5DH1, DH3, DH5 y AUX1

Compatible con versionesanteriores

Enhanced Data Rate (opcional):π/4 DQPSK:

2 Mbps .2-DH1, 2-DH3, 2-DH5

8 DPSK:3 Mbps .3-DH1, 3-DH3, 3-DH5



Perfil SPP (Serial Port Profile)

Características:Define los protocolos y procedimientos autilizar para la emulación de comunicaciónpor cable serie RS-232En este perfil un dispositivo puede actuarcomo:

Dispositivo A (DevA): Inicia elestablecimiento de conexiónDispositivo B (DevB): Espera unaconexión entrante

Tanto el dispositivo A como el B puedenactuar como DCE o como DTE

Utiliza el protocolo RFCOMM (basado enGSM TS. 07.10)


Introducción

Blu

eto

oth

Ho

st

Blu

eto

oth

Co

ntr

olle

r

HCI FIRMWARE

HCI DRIVER

RF

LM

BASEBAND

L2CAP

RFCOMM

HCTL

Perfil SPP

21


Introducción Objetivo y fases









Introducción Objetivo y fases

Objetivo y fases del trabajo realizado

OBJETIVO:Modelar el retardo de transmisión para el perfil SPP en Bluetooth 2.0 + EDR,tanto para el modo básico, como para el modo EDR

Fases

1 Formulación de las ecuaciones para calcular el retardo extremo a extremoen condiciones ideales: sin retransmisiones

Modo básicoModo EDR

2 Extensión del modelo de SPP para evaluar el efecto en el retardo de laocurrencia de retransmisiones

3 Validación mediante caracterización empírica y corrección del modelo:Sin retransmisionesConsiderando el efecto de las retransmisiones


Estado de la Técnica










Estudios de rendimiento: Líneas de investigación (I)

Esquemas de transmisión TDD (scheduling):Las estrategias seguidas en piconets para direccionar a los esclavos.La gestión del funcionamiento de scatternets.Modelado de tráfico.

Procedimientos de transmisión en función de las condiciones del canal:El mecanismo de retransmisión, ARQ, especificado para Bluetooth o mejorasde dicho esquema.Esquemas de selección dinámica de paquetes.El uso de mecanismos de codificación alternativos.La utilización de nuevos formatos de paquetes.



Estudios de rendimiento: Líneas de investigación (II)

Coexistencia entre 802.11 y BluetoothAnálisis del rendimiento en presencia de interferencia mutua.Evaluación de técnicas de mejora de coexistencia: AFH y otras.

Determinación de la probabilidad de error para distintas técnicas de modulación:GFSK, π/4 DQPSK y 8 DPSK

Diseño e implementación de demoduladores para la tecnología Bluetooth,evaluados en términos de tasa BER o relación SNR.Obtención de la probabilidad de error a partir de la relación SNR paradistintas modulaciones y diferentes modelos de canal, independientemente dela tecnología.Estudios genéricos aplicados a la tecnología BluetoothEstudios específicos de Bluetooth.



Resumen

Estado de la TécnicaPropuestas que suponen la modificación de las especificacionesEscasos estudios empíricos del rendimiento de BluetoothPredominan estudios analíticos:

Estrictamente teóricosValidados mediante simulación

Se echa en falta...1 Análisis y modelado conforme a las especificaciones2 Validación empírica utilizando dispositivos reales3 Detección de problemas de rendimiento


Modelos de retardo de transmisión para SPP Sin considerar el efecto de las retransmisiones










Introducción


Introducción B

lueto

oth

Host

Blu

eto

oth

Contr

olle

r

HCI FIRMWARE

HCI DRIVER

RF

LM

BASEBAND

L2CAP

RFCOMM

HCTL

Perfil SPP

21

tTX (x)tACK (x)

tR = f (tTX , tACK )



Cálculo del retardo para el perfil SPP

tRM (N) =Tpoll

2 + nnff (N) · tACK (M (LR )) + tTX (M (Lff (N)))

LR : Longitud defragmentación RFCOMM:LR = min (N1,MR − 5)

N1: Maximum Frame SizeMR : MTU de L2CAP paraRFCOMM

M (x) = x + OR (x) + HL

OR (L) : Overhead añadido por RFCOMM → 4 ó 5 octetos

HL : Cabecera de L2CAP → 4 octetosnnff : Nº de fragmentos RFCOMM no finales

Lff : Longitud del último fragmento RFCOMM

Tpoll : Periodo de poll: Tiempo máximo entre direccionamientos a un esclavoJ. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 20 / 78


Componentes básicas del retardo de transmisiónSi se excede la máxima capacidad de un paquete BT:

Modelado del Retardo de Transmisión en Bluetooth 2.0 + EDR 28

Componentes básicas del retardo de transmisión (I):

tTX(x) y tACK(x)

ACK

Length Channel

ID Information Payload

CRC PAYLOAD

BODY

LLID=

‘01’ FLOW LENGTH FLOW

UN-

DEFINED CRC

PAYLOAD

BODY LENGTH

LLID=

‘10’

CAC HEADER DATA FIELD

6!Ts

TS=625 µs

B-Frame L2CAP

Frag. inicial Frag. continuación

tTX (N) = tACK (L5) + tTX (N mod L5)



Esquema de selección de paquetes

DH1

DH3DH5

2-DH1

2-DH32-DH5

3-DH1

3-DH33-DH5

27 54

83

183 367

339

552

679

Criterios de selección:1 Se incrementa la velocidad

de modulación2 Se incrementa el número

de slots ocupados

No se emplean paquetes de modulación GFSK (DH3 y DH5)para tamaños grandes



Curva del retardo de transmisión para el perfil SPP enBluetooth 2.0 + EDR con paquetes DH

12000

13000

14000

15000

16000

17000

18000

19000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)

Tamaño de los datos de usuario (octetos)

Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo (paquetes DH): Tpoll= 25 ms

367 552 679 1021

2-DH33-DH3

2-DH53-DH5


Modelos de retardo de transmisión para SPP Considerando el efecto de las retransmisiones










Procedimiento de cálculo

Tasa BER calculada a partir de la relación SNR por bit (γb):Para cada modulación: GFSK, π/4 DQPSK, 8 DPSK.Modelando el canal de transmisión Bluetooth como un canal de ruido blancogaussiano (AWGN)

Tasa PER suponiendo errores incorrelados:PER = f (nbits,BER)

nbits : número de bits del campo de datos en el paquete Bluetooth.BER = f (γb).

Número medio de retransmisiones (infinitas retransmisiones)NTx = f (PER)

Retardo de transmisión a partir de: NTx → PER = f (nbits,BER)



Comparación de la probabilidad de error de bit (Pb)para las distintas modulaciones Bluetooth

1e−09

1e−08

1e−07

1e−06

1e−05

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

6 8 10 12 14 16 18

Pb

γb (dB)

Probabilidad de error de bit, Pb, en función de la SNR por bit, γb

GFSK h=0.35π/4 DQPSK (General)

8 DPSK (General)

ConclusionesLas modulaciones GFSK(h=0.35) y π/4 DQPSKtienen un comportamientosimilar frente al ruidoLa modulación 8 DPSK tieneun comportamiento muchopeor que GFSK (h=0.35) yπ/4 DQPSK: >5 dB



Retardo medio para SPP incluyendo retransmisiones (I)

Sentido de transmisión maestro-esclavo:

tRMl(N) =

Tpoll

2 + nnffR · tACKl (M (LR )) + tTXl (M (Lff (N)))

Sentido de transmisión esclavo-maestro: tRSl(N) = TS + tRMl

(N)

tACKl (x) =

0 x = 0(NTx − 1

)· tRTx (x) + tACK (x) 0 < x ≤ L5

((NTx − 1

)· tRTx (L5) + tACK (L5)

)·⌊

xL5

⌋+ x > L5

+tACKl (x mod L5)

NTx = 11− Pl

tTXl (x) =

0 x = 0(NTx − 1

)· tRTx (x) + tTX (x) 0 < x ≤ L5

tACKl (L5) ·⌊

xL5

⌋+ x > L5

+tTXl (x) · (x mod L5)

tRTxmin (x) ≤ tRTx (x) ≤ tRTxmax (x)



Retardo medio para SPP incluyendo retransmisiones (II)

tRTxmin (x) ≤ tRTx (x) ≤ tRTxmax (x)

tRTxmax (x) = Tpoll

tRTxmin (x) =

0 x = 02 · TS 0 < x ≤ L14 · TS L1 < x ≤ L36 · TS L3 < x ≤ L5



Representación de la cota del retardo medio para elperfil SPP: Paquetes DM y DH del modo básico

1000

10000

100000

1e+06

1e+07

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo en función de SNR (γb): Tpoll= 10 ms, paquetes DM

γb = 12 dBγb = 11 dB

γb = 10.5 dBγb = 10 dBγb = 9.5 dB

1000

10000

100000

1e+06

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo en función de SNR (γb): Tpoll= 10 ms, paquetes DH

γb = 16 dBγb = 14 dBγb = 13 dB

γb = 12.5 dBγb = 12 dB

tRTxmax (x) = Tpoll

Paquetes DM Paquetes DHSNR, γb (dB) BER SNR, γb (dB) BER12 1,11 · 10−3 16 3,65 · 10−7

11 3,47 · 10−3 14 4,73 · 10−5

10,5 5,65 · 10−3 13 2,71 · 10−4

10 8,78 · 10−3 12,5 5,68 · 10−4

9,5 1,31 · 10−2 12 1,11 · 10−3



Representación de la cota del retardo medio para elperfil SPP: Paquetes DH del modo EDR

1000

10000

100000

1e+06

1e+07

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo en función de SNR (γb): Tpoll= 10 ms, paquetes DH−EDR

γb = 21 dBγb = 20 dBγb = 19 dBγb = 18 dB



Conclusiones del modelo teórico con retransmisiones

γb ≤ 8,5 dBNo es viable mantener el enlace

8,5 dB < γb ≤ 10 dBSólo es factible emplear paquetes DM

10 dB < γb ≤ 13,8 dBSigue siendo óptima el empleo de paquetes DMEs aceptable la utilización de paquetes DH y 2-DH

13,8 dB < γb ≤ 19 dBEs óptima la utilización de paquetes 2-DH y admisibles los paquetes DHA partir de 16 dB, se puede considerar el uso de paquetes 3-DH

γb > 19 dBSe considera óptima la transmisión de información empleando paquetes 3-DH


Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Metodología de medida










Escenario de prueba

Modelado del Retardo de Transmisión en Bluetooth 2.0 + EDR 36

Metodología de medida: Escenario de prueba

Módulos

Bluetooth

BT 1

BT 2

Conexión

USB

Para poder evaluarel retardo evitandola interferencia

Módulos Bluetooth:Versión de HCI: 2.0Revisión de HCI: 0x7a6 y 0xc5cVersión de LM: 2.0Subversión de LM: 0x7a6 y 0xc5cClase 2 con control de potencia

Sistema Operativo:Ubuntu Linux 7.04 y kernel2.6.20-lowlatencyUbuntu Linux 8.04 y kernel2.6.24-rt.Host Bluetooth: BlueZ

Medición del retardoextremo a extremo:

Arquitectura Cliente-Servidorprogramada en lenguaje C sobreBlueZ



Procedimiento de medida

1 Por cada conexión Bluetoothrequerida se ejecutan:

ServidorCliente: Se le especifican:

Modo de funcionamiento: Tx / RxRango de longitudes: (Lmin , Lmax )Periodicidad: TParámetros de QoSTipos de paquetes: DM, DH delmodo básico, DH del modo EDRNúmero de repeticiones: n

2 Se establece la conexión Bluetoothentre Cliente y Servidor

3 A cada longitud, se realizantransmisiones periódicas para lamedición del retardo

Cliente Servidor

T ≥ 100ms

Config. (Tx/Rx,(Lmin , Lmax ),T )

ACK

R1: datos (Li)

R2; datos (Li)

R1000; datos (Li)


Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR










Resultados: Dependencia del parámetro ACL MTU:Sentido M→S, versión 0xc5c de CSR (I)

Modo EDR Modo básico

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de transmisión Maestro−Esclavo en función del parámetro ACL MTU (firmware 0xc5c)

ACL MTU = 1021ACL MTU = 512ACL MTU = 384ACL MTU = 310

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de transmisión Maestro−Esclavo en función del parámetro ACL MTU (DH básico)

ACL MTU = 256ACL MTU = 310ACL MTU = 384ACL MTU = 512ACL MTU = 680

ACL MTU (MACL) ≡ Buffer del dispositivo BTConfiguración de ACL MTU y nº de buffers:

@ comando HCIHerramienta bccmd ACL MTU × nº buffers

≤ 3100 octetos



Resultados: Dependencia del parámetro ACL MTU:Sentido M→S, versión 0xc5c de CSR (II)

Modo EDR Modo básico

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de transmisión Maestro−Esclavo en función del parámetro ACL MTU (firmware 0xc5c)

ACL MTU = 1021ACL MTU = 512ACL MTU = 384ACL MTU = 310

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de transmisión Maestro−Esclavo en función del parámetro ACL MTU (DH básico)

ACL MTU = 256ACL MTU = 310ACL MTU = 384ACL MTU = 512ACL MTU = 680

ACL MTU (tamaño de buffer) nº buffers ACL MTU (tamaño de buffer) nº buffers200 12 420 6256 12 512 6310 10 680 4350 8 740 4384 8 1021 3



Resultados: Comparación de las versiones 0xc5c y 0x7a6de CSR (I)

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo (paquetes DH, ACL MTU=384): Tpoll= 25 ms

versión 0x7a6versión 0xc5c

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de Transmisión Maestro−Escavo (paquetes DH, Tpoll=25ms): media y desviación típica

0x7a6, ACL MTU= 384 octetos0xc5c, ACL MTU= 1021 octetos

En los dispositivos con la versión de firmware 0x7a6:No existe dependencia del parámetro ACL MTUEl retardo presenta una mayor dispersión



Resultados: Comparación de las versiones 0xc5c y 0x7a6de CSR (II)

Versión firmware 0x7a6 Versión firmware 0xc5c

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

17000

18000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)



MedidoAnalítico

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)



MedidoAnalítico

Dependencia de:La capa de transporte HCTL

Dependencia de:La capa de transporte HCTLM→S: El parámetro ACL MTU



Procedimiento de corrección y validación

Caracterización de la capa de transporte HCTL

Redefinición de tTX y tACK considerando:1 El efecto de la capa de transporte HCTL2 El efecto de la fragmentación según el parámetro ACL MTU3 La suma de ambos efectos

Cálculo del retardo a nivel de RFCOMM: tR



Caracterización de la capa de transporte HCTL

Local Loopback Mode

HCI Driver

HCI FirmwareDatos ACL

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 200 400 600 800 1000

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de transmisión en modo loopback local

ACL MTU = 420ACL MTU = 1021

tUSB(x) ={

1, 16 · 103 + 2, 19 · x x ≤ MUSB

2, 39 · 103 + 1, 57 · x x > MUSB



Efecto del parámetro ACL MTU y de la capa detransporte: Ejemplo modo básico

310

310

310

339

310

29

Host Controller

Host Host

Host Controller

HCTL HCTL

Transmisor Receptor

2º

1º

310

29

339

58

3º

368

328

350

328

339

339 3

39

Host Controller

Host Host

Host Controller

HCTL HCTL

Transmisor Receptor

2º

1º

350

339

339

11

328

x = 678 octetosMACL = 310 octetos

x = 678 octetosMACL = 350 octetos



Retardo a nivel de RFCOMM: Ajuste modo básico

tR (x) =

toff + tcTX (M (x)) x ≤ LR

toff + nfnf (x) · tcACK (M (LR )) + CUSB

fnf + x > LR

+tTX (M (Lff (x))) + CUSBff (M (Lff (x)))

DH básico: MACL = 256 octetos DM: MACL = 200 octetos

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)



MedidoAnalítico

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo (paquetes DM, ACL MTU=200): Tpoll= 25 ms

MedidoAnalítico



Retardo a nivel de RFCOMM: Ajuste modo EDR

tR (x) =



fnf + x > LR


MACL = 512 octetos MACL = 1021 octetos

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)



MedidoAnalítico

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)



MedidoAnalítico



Retardo a nivel de RFCOMM: Hipótesis de ajuste

tR (x) =



fnf + x > LR



fnf ++max

(tTX (M (Lff (x))) + CUSB

ff (M (Lff (x))) , tUSB (min(MACL, MUSB)))

MACL = 1021 octetos MACL = 384 octetos

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)



MedidoAnalítico

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)



MedidoAnalítico



Resultados: Efecto de la configuración de la calidad deservicio: Modo EDR

Asimetría del mecanismo de poll

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Transmisión Maestro − Esclavo (paquetes DH, ACL MTU= 1021)

Tpoll= 10 msTpoll= 15 msTpoll= 20 msTpoll= 25 ms

Sin QoS 4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

24000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Transmisión Esclavo − Maestro (paquetes DH, ACL MTU=1021)

Tpoll= 5 msTpoll= 10 msTpoll= 15 msTpoll= 20 msTpoll= 25 ms

Sin QoS

toff =

2 · TS Sentido maestro-esclavoTpoll

2 + TS Sentido esclavo-maestro



Resultados: Efecto de la configuración de la calidad deservicio: Modo básico

Asimetría del mecanismo de poll

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Transmisión Maestro − Esclavo (paquetes DM, ACL MTU =512)

Tpoll= 10 msTpoll= 15 msTpoll= 20 msTpoll= 25 ms

Sin QoS

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Transmisión Esclavo − Maestro (paquetes DM, ACL MTU =512)

Tpoll= 5 msTpoll= 10 msTpoll= 15 msTpoll= 20 msTpoll= 25 ms

Sin QoS

toff =

3 · TS Sentido maestro-esclavoTpoll

2 + 3 · TS Sentido esclavo-maestro


Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones









Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones

Procedimiento de Validación

Reproducción empírica del modelo de canal AWGN

Medida de la tasa BER

Medida de las potencias de señal y ruido

Determinación de la relación SNR por bit

Cálculo de la tasa BER a partir de la relación SNR

Obtención del retardo de transmisión a partir de:Tasa BER medidaTasa BER calculada teóricamente


Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Reproducción empírica del canal










Reproducción del canal AWGN (I)

S

Combinador

Atenuador 0−11 dB

Agilent 8494B

F. ruidoAtenuador 0−10 dB

Generador de Ruido NC6124A

Placa Bluetooth

BlueGiga WT11E

Placa Bluetooth

BlueGiga WT11E

Atenuador 0−110 dB

Agilent 8496B

RxTx



Reproducción del canal AWGN (II)

S

Combinador

Atenuador 0−11 dB

Agilent 8494B

F. ruidoAtenuador 0−10 dB

Generador de Ruido NC6124A

Placa Bluetooth

BlueGiga WT11E

Placa Bluetooth

BlueGiga WT11E

Atenuador 0−110 dB

Agilent 8496B

RxTx


Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Tasa BER










Medida de la tasa BER (I)

Periodo entre medidas (T) de 200 ms: Evita el efecto de encolamiento

Para cada longitud se obtiene el valor del parámetro Link Quality (LQ):Comando HCI_Read_Link_Quality

HCI Driver HCI FirmwareHCI_Read_Link_Quality

HCI_Command_Complete_EventLQ ∈ [0, 255]

Relación entre LQ y BER

BER =

(255− LQ) · 0,25 · 10−4 215 ≤ LQ ≤ 2550,001 + (214− LQ) · 8 · 10−4 90 ≤ LQ ≤ 2150,1 + (89− LQ) · 64 · 10−4 0 ≤ LQ ≤ 90

Se calculan para el rangocompleto de longitudes:

Promedio: µBERDesviación típica: σBER



Medida de la tasa BER (II)Sentido Maestro-Esclavo Sentido Esclavo-Maestro

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

BE

R


BER

BER medida µBER = 6.929e−02

µBER + σBER = 1.086e−01 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

BE

R


BER

BER medida µBER = 2.120e−01

µBER + σBER = 2.579e−01

Como alternativa se ha utilizado la aplicación BlueTest:Se comunica con los módulos mediante comandos específicos del fabricantePermite configurar parámetros (generales y específicos) de las pruebas del modode Test

Resultadosinconsistentes



Medida de la tasa BER (III)

Configurar ambos módulos, transmisor y receptor, con los parámetros:Tipo de Paquete: DH5Número de octetos del campo de datos: 339 octetosIntervalo entre transmisiones: 5000 µs

Seleccionar en el transmisor la prueba de transmisión radio TXDATA2:Transmite una secuencia de bits pseudoaleatoria PRBS9Sigue una secuencia reducida de salto

Configurar la potencia de transmisión al máximo (12 dBm)

Seleccionar en el receptor la prueba de recepción radio BIT_ERR2:Sigue una secuencia reducida de saltoCompara la información recibida con la secuencia PRBS9 esperada

Se estima la tasa BER residual ≈ BER real (Paquete DH, sin FEC)


Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Relación SNR










Medida de la potencia de ruido

Atenuación(dB) BW = 2 MHz(dBm/Hz) BW = 80 MHz(dBm/Hz)0 −109,12 −109,181 −110,33 −110,262 −111,44 −111,363 −112,32 −112,204 −113,27 −113,155 −114,44 −114,266 −115,22 −115, 127 −116,15 −116,148 −117,48 −117,409 −118,09 −118,0810 −119,11 −119,10

Diferencia de ruido promedio en toda la banda frente al canal central (2441MHz) < 1 dB → Ruido blanco en toda la banda.DEP de −109,1 dBm/Hz, atenuables de 0 dB a 10 dB → ruido mínimo−119,1 dBm/Hz



Medida de la potencia de señal (I)

Configurar el módulo Bluetooth con los siguientes parámetros:Tipo de Paquete: DH5Número de octetos del campo de datos: 339 octetos.Intervalo entre transmisiones: 5000 µs.

Seleccionar en el transmisor la prueba específica TXDATA1.

Configurar el transmisor para transmitir a máxima potencia, 12 dBm.

Medir la potencia para la frecuencia central:1 Directamente a la salida del transmisor: −53,44 dBm/Hz2 Intercalando el atenuador calibrado a 45 dB: −98,11 dBm/Hz.3 Conectando la salida del atenuador a la entrada del generador de ruido, y

midiendo a la salida del combinador: −102,60 dBm/Hz.

Repetir la medida utilizando el método (3) para otras frecuencias: 2402,2420, 2460 y 2480 MHz.



Medida de la potencia de señal (II)

Frecuencia(MHz) Potencia de señal(dBm/Hz)2402 –101,772420 –102,532441 –102,602460 –102,032480 –101,73

Se ha medido la potencia de transmisión de forma alternativa:Sintonizando el analizador de espectro en el canal correspondiente al centro dela banda: 2441 MHz.Fijando el span a cero.Manteniendo el ancho de banda de resolución a 3 MHz.Configurando el tiempo de barrido a 5 ms.Promediando en potencia (RMS) 100 medidas.



Medida de la potencia de señal (II)

A la salida del transmisor A la salida del combinador

Potencia emitida total: 9,57 dBm ≡ −53,44 dBm /Hz medidos en el ancho debanda considerado de 2 MHz por el método anterior



Medida de la potencia de señal (III)

Paquete 2-DH5 con 679 octetos Paquete 3-DH5 con 1021 octetos

Los parámetros de ganancia del amplificador interno del chipset y del amplificadorexterno se han ajustado a 255 y 80, en vez de a 255 y 30



Cálculo de la relación SNR

A partir de las medidas de potencia de ruido y de señal:El nivel de ruido a la entrada del receptor, sin aplicar atenuación en elgenerador de ruido:

Valor medio de −109,1 dBm/HzVariación inferior a 1 dB, en toda la banda considerada

El nivel de señal a la entrada del receptor:Comprendido entre −101,7 dBm /Hz y −102,6 dBm /Hz, según el canal medidoValor promedio de la banda de transmisión: −102,15 dBm /Hz

SNR a la entrada del receptor = 6,95 dB para una atenuación nula delgenerador de ruido



Comparación de la tasa BER medida y obtenida a partirde la relación SNR: Modo básico (GFSK)

1e−09

1e−08

1e−07

1e−06

1e−05

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

6 8 10 12 14 16 18

Pb

γb (dB)

Probabilidad de error de bit, Pb, en función de la SNR por bit, γb, para GFSK

GFSK h=0.35GFSK h=0.30GFSK h=0.28Medidos DH5

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo (paquetes DM), Tpoll=10ms

Atenuación de ruido 8dB (BER = 1.30e−04)Sin pérdidas

γb < 10 dB: Los valores medidos están por debajo de la curva de h = 0,35No se computan los paquetes perdidosEn un escenario de aplicación real provocaría la pérdida de la conexión

γb > 14 dB: Los valores medidos son superiores a los teóricosNo se tiene en cuenta el efecto de la ISIEl retardo es prácticamente indistinguible del caso ideal



Comparación de la tasa BER medida y obtenida a partirde la relación SNR: Modo EDR

Modulación π/4 DQPSK Modulación 8 DPSK

1e−09

1e−08

1e−07

1e−06

1e−05

0.0001

0.001

0.01

0.1

6 8 10 12 14 16 18

Pb

γb (dB)


π/4 DQPSK (General)Medidos 2−DH5

0.001

0.01

0.1

1

6 8 10 12 14 16 18P

bγb (dB)


8 DPSK (General)Medidos 3−DH5

Las tasas BER previstas teóricamente se ajustan en gran medida a lasobtenidas de forma empírica, para el rango en el que ha sido factible llevar acabo la medida


Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Retardo de transmisión










Retardo de transmisión: Correcciones

El término toff , que representa un offset promedio, ha de ser modificado:

Sentido maestro-esclavo:

toff = 3 · TS V toff = 4 · TS

Sentido esclavo-maestro:

toff =Tpoll

2 + 3 · TS + δ

δ ={

4 · TS M(N) > L50 en otro caso

Esclavo Maestro1º DM5

ACK10 · TS

2º DM5

ACK6 · TS

3º DM5

ACK6 · TS



Retardo de transmisión: Sentido maestro-esclavo

tRTxmax (x) = Tpoll + tRTxmin (x) Tpoll = 16 · TS

SNR = 10,95 dB SNR = 11,95 dB

0

50000

100000

150000

200000

250000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo con retransmisiones y Tpoll=25ms

MedidaAnalítica con BER medida = 5.00e−03

Analítica con BER teórica (h=0.30) = 7.93e−03Analítica con BER teórica (h=0.35) = 3.47e−03

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)







Retardo de transmisión: Sentido esclavo-maestro

tRTxmax (x) = Tpoll + tRTxmin (x) Tpoll = 16 · TS

SNR = 11,95 dB SNR = 12,95 dB

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

60000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de Transmisión Esclavo−Maestro con retransmisiones y Tpoll=10ms



5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Reta

rdo (µ

s)


Retardo de Transmisión Esclavo−Maestro con retransmisiones y Tpoll=10ms





Retardo de transmisión: Sentido maestro-esclavo conpaquetes DH del modo EDR

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Re

tard

o (µ

s)



MedidaAnalítica con BER medida 1.300e−04

Pese a forzar el uso de paquetes EDR, el dispositivo emplea paquetes DMen respuesta al nivel de pérdidas


Conclusiones y líneas futuras Conclusiones










Modelo teórico sin retransmisiones (I)Elaboración de un modelo formal: Retardo para SPP en Bluetooth 2.0 + EDRCriterios de selección:

1 Se incrementa la velocidad demodulación

2 Se incrementa el número de slotsocupados

DH1

DH3DH5

2-DH1

2-DH32-DH5

3-DH1

3-DH33-DH5

27 54

83

183 367

339

552

679

No se emplean paquetes de modulación GFSK para tamaños grandes

Validación con dispositivos CSR1 La influencia de dos efectos:

La capa de transporte HCTL USBLa fragmentación realizada de acuerdo con el parámetro ACL MTU

2 La asimetría del funcionamiento del mecanismo de poll



Modelo teórico sin retransmisiones (II)

Validación con dispositivos CSR1 Caracterización de la capa de transporte HCTL USB:

Incremento abrupto a los 512 octetos→ Expresión que aproxima el retardoNo influye en el esquema de transmisiónAfecta a la comunicación entre Host y Host Controller

2 La fragmentación al valor del parámetro ACL MTU condiciona:La transferencia a través de la capa de transporteLos paquetes BB utilizados en la transmisión Bluetooth

3 Combinación de los efectos ⇒ Pérdida de rendimiento4 Minimizar el retardo de transmisión:

Modo básico: ACL MTU ≥ máxima capacidad de un paquete de 5 slotsModo EDR: ACL MTU = 512 octetos



Modelo teórico con retransmisiones (I)

Procedimiento:BER = f (SNR):

Calculada para cada modulación: GFSK, π/4 DQPSK, 8 DPSK.Modelando el canal de transmisión Bluetooth como un canal AWGN

PER = f (nbits,BER) suponiendo que los errorres son incorrelados

Número medio de retransmisiones: NTx = f (PER) (infinitas retransmisiones).

Retardo de transmisión a partir de NTx

ConclusionesGFSK y π/4 DQPSK tienen un comportamiento similar frente al ruido8 DPSK tiene un comportamiento mucho peor que GFSK y π/4 DQPSKSe han propuesto criterios de decisión sobre la utilización de los distintostipos de paquetes según la SNR



Validación del modelo con retransmisiones (II)

Comparación de la tasa BER calculada y medida:GFSK: Los valores medidos ajustan con los teóricos en el rango de utilidadpráctica: 10 dB < γb < 14 dBπ/4 DQPSK y 8 DPSK: Las tasas BER calculadas se ajustan en granmedida a las obtenidas de forma empírica

Validación del retardo de transmisión:Modo básico (paquetes DM):S→M: offset de 4 slots adicionales si se requiere más de un paquete de 5 slotsTiempo entre RTx.: 16·TS + retardo de Tx. (incluyendo confirmación)Ajuste con un error relativo medio inferior al 6 %Modo EDR: Pese a forzar el uso de paquetes EDR, en respuesta al nivel de

pérdidas, el dispositivo pasa a emplear paquetes DM


Conclusiones y líneas futuras Líneas futuras









Conclusiones y líneas futuras Líneas futuras

Líneas futuras

1 Análisis teórico de la inclusión de formatos de paquete nodefinidos en el estándar Bluetooth: 2-DM y 3-DM.

2 Análisis del origen del retardo introducido por la capa detransporte.

3 Empleo de otros modelos de canal: Rice con desvanecimientoslentos.

4 Perfil SPP: Extensión del modelo para piconets y scatternets.5 Perfil PAN: Aplicación del modelo en diversos escenarios.6 Extensión para las versiones Bluetooth 3.0 HS y Bluetooth 4.0.


Anexo Publicaciones

Publicaciones relacionadas

Publicaciones en revistas incluidas en el JCR:[1] LUQUE, R., M. MORÓN, y E. CASILARI.

«Minimum Transmission Delay in Bluetooth 2.0 + EDR».Electronics Letters, tomo 46, no 13, jun. 2010, págs. 955–957.

[2] MORÓN, M., R. LUQUE, E. CASILARI, y A. DÍAZ-ESTRELLA.«Characterization of Bluetooth Packet Delay in Noisy Environments».IEEE Communications Letters, tomo 13, no 9, sep. 2009, págs. 661–663.

[3] MORÓN, M., R. LUQUE, E. CASILARI, y A. DÍAZ-ESTRELLA.«Overhead and Segmentation Mismatch Effect on Bluetooth WPAN Performance».Wireless Personal Communications, tomo 50, no 2, jul. 2009, págs. 161–180.

[4] MORÓN, M., R. LUQUE, E. CASILARI, y A. DÍAZ-ESTRELLA.«Minimum Delay Bound in Bluetooth Transmissions with Serial Port Profile».Electronics Letters, tomo 44, no 18, ago. 2008, págs. 1099–1100.

[5] MORÓN, M., R. LUQUE, E. CASILARI, y A. DÍAZ-ESTRELLA.«An Analytical Study of the Delay in Bluetooth Networks Using the Personal Area NetworkProfile».IEEE Communications Letters, tomo 11, no 11, nov. 2007, págs. 845–847.

Adicionalmente, un total de 3 contribuciones a congresos internacionales


modelado del retardo de transmisión en bluetooth...

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