蓝牙个域网改型及芯片化实现技术研究

论文摘要

随着个人无线通信技术的发展,越来越多的消费类电子产品使用短距离无线通信技术作为无线接口进行数据交换,个人无线通信技术已经逐步深入到我们生活的各个角落,我们身边的这些电子产品就组成了无线个域网（WPAN）。现阶段WPAN使用最多最广泛的是蓝牙技术,本论文针对蓝习WPAN,从多个方面对其关键技术进行改型研究,以达到提高WPAN数据传输性能的目的；同时以设计改型的蓝牙SoC芯片为目标,将改型技术应用到芯片实现中去,并进行芯片化的工作。论文的主要工作包括：首先,以组成蓝牙WPAN的基本元素蓝牙微微网为主要研究对象,建立了AWGN信道中的蓝牙微微网数据传输模型。根据蓝牙协议规定的数据收发机制、数据分组的结构纠检错算法和重传机制,分析了影响蓝牙微微网数据吞吐量性能的因素,推导了在AWGN信道中蓝牙微微网的数据吞吐量公式。其次,根据影响蓝牙微微网数据吞吐量性能的因素,采用多种方法进行改型来提高其数据吞吐量性能。针对大功率噪声干扰情况,设计了大发射功率的改型蓝牙模块来提高数据通信中的信噪比来抵消噪声的影响；设计了多频段改型蓝牙模块,采用规避噪声干扰严重的频段来提高蓝牙微微网的数据吞吐量；提出使用MSK调制解调来替换原有的GFSK调制解调,利用MSK在小信噪比情况下的良好性能来改善蓝牙微微网的数据吞吐量性能。针对2/3FEC纠错算法的性能不足,提出使用BCH纠错编码来对原有技术进行改型,通过提高数据分组的纠错能力来达到目的。结合RSSI功能,通过设计更好的系统级软件来实现数据收发时的自适应分组选择算法,使蓝牙微微网始终处于最佳的收发状态,达到数据吞吐量的最大值。仿真和测试的结果证明,以上采用的方法都能有效的达到目的。再次,为了提高WPAN的数据传输安全性能,分析蓝牙现有的安全机制,根据芯片设计实现的要求将实现方法划分为软件实现和硬件实现。针对硬件实现的数据加密采用的E0加密算法的不足,设计了两种方案来对其进行改型。其一是使用钟控互缩序列生成器对原有算法进行加固,这样可以将对原有加密算法进行攻击的线性复杂度从O（249）提高到O（268）；另一方案是对数据进行二次加密,在数据进入蓝牙处理流程之前,使用AES算法对其先进行一次加密,这样即使E0算法被破解,得到的也是AES的密文而不是原始数据。而对于安全性的提升,AES算法的加密级别毋庸置疑。然后,本文从整体考虑WPAN的数据传输性能,数据传输安全性由底层蓝牙微微网提供,而WPAN的数据吞吐量并不完全由蓝牙微微网的数据吞吐量决定。本文建立了宏观的WPAN数据传输模型,推导出了WPAN数据吞吐量表达式,分析了影响其数据吞吐量性能的因素,证明蓝牙微微网采用的跳频算法的互相关性能在其中起主要作用。在分析了蓝牙现有跳频算法的互相关性能之后,提出了使用Safer+算法,AES算法和基于Chebyshev映射的混沌算法改型的三种跳频算法来对其进行替换来提高WPAN的数据吞吐量性能。仿真和测试都证明,改型的跳频算法可以有效的提高WPAN的数据吞吐量。最后,在标准蓝牙基带IP的基础上,验证了将各种改型算法加入其中的可行性,并实现了改型的蓝牙基带IP设计,给出了数字版图和各种性能参数,并且通过测试和仿真验证证明了其功能的完备性。另外由于AES算法在改型研究中多次用到,本文专门针对便携移动设备的要求,设计实现了低功耗、低资源消耗的AESIP,并给出了数字版图,面积功耗等参数。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 WPAN技术概述

1.2 蓝牙WPAN及其现状

1.2.1 蓝牙技术概述

1.2.2 蓝牙WPAN

1.3 论文主要工作和结构安排

1.3.1 论文的主要工作

1.3.2 论文结构安排

第二章蓝牙微微网数据传输性能研究

2.1 蓝牙微微网内数据传输模型

2.2 蓝牙数据传输性能分析

2.2.1 蓝牙数据吞吐量分析

2.2.2 影响蓝牙数据吞吐量的因素

2.2.3 决定信道中误码率的因素

2.3 仿真结果

2.4 本章小结

第三章蓝牙数据传输性能的改型研究

3.1 模块级改型蓝牙数据传输性能研究

3.1.1 大发射功率改型模块设计

3.1.2 多频模块设计

3.2 芯片级蓝牙数据传输性能改型研究

3.2.1 基于MSK调制解调的改型

3.2.2 基于BCH纠错编码的芯片改型

3.3 基于自适应分组选择算法的改型

3.4 本章小结

第四章蓝牙微微网数据安全性改型研究

4.1 蓝牙的数据安全机制

4.1.1 蓝牙密钥生成和管理

4.1.2 蓝牙认证及加密过程

4.2 蓝牙数据加密机制的分析

0加密算法概述'>4.2.1 蓝牙E₀加密算法概述

0算法加密流发生器的攻击'>4.2.2 针对E₀算法加密流发生器的攻击

4.3 对蓝牙加密算法的改型

0算法进行改型'>4.3.1 使用钟控互缩序列生成器对E₀算法进行改型

4.3.2 使用AES算法的二次加密

4.4 本章小结

第五章蓝牙WPAN数据吞吐量分析及改型

5.1 蓝牙WPAN数据吞吐量分析

5.1.1 蓝牙WPAN网络模型

5.1.2 蓝牙WPAN吞吐量分析

5.2 改善蓝牙WPAN数据吞吐量的改型算法

5.2.1 基于Safer+的改型算法

5.2.2 基于AES的改型跳频算法

5.2.3 基于混沌算法的改型跳频序列

5.3 本章小节

第六章基于IP的SoC改型芯片设计

6.1 基于IP的SoC设计概述

6.1.1 IP核的特点与分类

6.1.2 IP的设计和验证

6.1.3 基于SoC开发平台的验证

6.2 改型蓝牙基带IP设计

6.2.1 改型蓝牙基带IP的实现

6.2.2 改型蓝牙基带IP的实现结果

6.3 改型蓝牙基带IP的仿真验证与测试

6.3.1 改型基带IP电路仿真验证

6.3.2 改型蓝牙SoC系统仿真验证

6.3.3 改型蓝牙SoC系统仿真结果

6.3.4 改型蓝牙SoC系统功能测试

6.4 AES IP的实现

6.4.1 AES IP的设计

6.4.2 层次化动态功耗管理

6.4.3 AES IP的实现结果

6.5 本章小节

第七章总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在读期间研究成果

主要缩略语对照表

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