Modelado del retardo de transmisión en Bluetooth...
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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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 2 / 78
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
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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
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Introducción Tecnología Bluetooth
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
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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
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Introducción Tecnología Bluetooth
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
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Introducción Tecnología Bluetooth
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
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Introducción Tecnología Bluetooth
Arquitectura de protocolos
Modelado del Retardo de Transmisión en Bluetooth 2.0 + EDR
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
Modelado del Retardo de Transmisión en Bluetooth 2.0 + EDR
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
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Introducción Tecnología Bluetooth
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
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Introducción Tecnología Bluetooth
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)
Modelado del Retardo de Transmisión en Bluetooth 2.0 + EDR
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
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Introducción Objetivo y fases
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
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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
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Estado de la Técnica
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
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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.
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Estado de la Técnica
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.
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Estado de la Técnica
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
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Sin considerar el efecto de las retransmisiones
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
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Sin considerar el efecto de las retransmisiones
Introducción
Modelado del Retardo de Transmisión en Bluetooth 2.0 + EDR
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 )
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Sin considerar el efecto de las retransmisiones
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
Modelos de retardo de transmisión para SPP Sin considerar el efecto de las retransmisiones
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)
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Sin considerar el efecto de las retransmisiones
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
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Sin considerar el efecto de las retransmisiones
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
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Considerando el efecto de las retransmisiones
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
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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)
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Considerando el efecto de las retransmisiones
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
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Considerando el efecto de las retransmisiones
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)
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Considerando el efecto de las retransmisiones
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
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Considerando el efecto de las retransmisiones
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Considerando el efecto de las retransmisiones
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
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Modelos de retardo de transmisión para SPP Considerando el efecto de las retransmisiones
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
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Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Metodología de medida
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
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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
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Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Metodología de medida
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)
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Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 35 / 78
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 36 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 37 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
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Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo (paquetes DH, ACL MTU=384): Tpoll= 25 ms
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo (paquetes DH, ACL MTU=384): Tpoll= 25 ms
MedidoAnalítico
Dependencia de:La capa de transporte HCTL
Dependencia de:La capa de transporte HCTLM→S: El parámetro ACL MTU
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Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
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
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Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
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Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
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
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Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo (paquetes DH, ACL MTU=256): Tpoll= 25 ms
MedidoAnalítico
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
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 DM, ACL MTU=200): Tpoll= 25 ms
MedidoAnalítico
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 43 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
Retardo a nivel de RFCOMM: Ajuste modo EDR
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)))
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo (paquetes DH, ACL MTU=512): Tpoll= 25 ms
MedidoAnalítico
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
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, ACL MTU=1021): Tpoll= 25 ms
MedidoAnalítico
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 44 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
Retardo a nivel de RFCOMM: Hipótesis de ajuste
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)))
toff + nfnf (x) · tcACK (M (LR )) + CUSB
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo (paquetes DH, ACL MTU=1021): Tpoll= 25 ms
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo (paquetes DH, ACL MTU=384): Tpoll= 25 ms
MedidoAnalítico
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 45 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 46 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico sin retransmisiones Validación con dispositivos CSR
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 47 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 48 / 78
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 49 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Reproducción empírica del canal
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 50 / 78
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 51 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Reproducción empírica del canal
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 52 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Tasa BER
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 53 / 78
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 54 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Tasa BER
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
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 55 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Tasa BER
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)
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 56 / 78
Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Relación SNR
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
J. R. Luque Giráldez (Dpto. Tecnología Electrónica) Modelado del retardo en Bluetooth 2.0+EDR Universidad de Málaga 57 / 78
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
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Relación SNR
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.
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Relación SNR
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.
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Relación SNR
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
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Relación SNR
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
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Relación SNR
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
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Relación SNR
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Relación SNR
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)
Probabilidad de error de bit, Pb, en función de la SNR por bit, γb
π/4 DQPSK (General)Medidos 2−DH5
0.001
0.01
0.1
1
6 8 10 12 14 16 18P
bγb (dB)
Probabilidad de error de bit, Pb, en función de la SNR por bit, γb
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
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Retardo de transmisión
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
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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
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Retardo de transmisión
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo con retransmisiones y Tpoll=25ms
MedidaAnalítica con BER medida = 2.30e−03
Analítica con BER teórica (h=0.30) = 3.19e−03Analítica con BER teórica (h=0.35) = 1.11e−03
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Retardo de transmisión
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
Retardo de Transmisión Esclavo−Maestro con retransmisiones y Tpoll=10ms
MedidaAnalítica con BER medida = 2.30e−03
Analítica con BER teórica (h=0.30) = 3.19e−03Analítica con BER teórica (h=0.35) = 1.11e−03
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Reta
rdo (µ
s)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
Retardo de Transmisión Esclavo−Maestro con retransmisiones y Tpoll=10ms
MedidaAnalítica con BER medida = 1.10e−03
Analítica con BER teórica (h=0.30) = 1.04e−03Analítica con BER teórica (h=0.35) = 2.71e−04
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Evaluación empírica del modelo teórico con retransmisiones Retardo de transmisión
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)
Tamaño de los datos de usuario (octetos)
Retardo de Transmisión Maestro−Esclavo con retransmisiones y Tpoll=10ms
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
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Conclusiones y líneas futuras Conclusiones
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
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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
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Conclusiones y líneas futuras Conclusiones
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
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Conclusiones y líneas futuras Conclusiones
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
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Conclusiones y líneas futuras Conclusiones
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
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Conclusiones y líneas futuras Líneas futuras
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
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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.
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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
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