蓝牙路由系统、蓝牙路由发送及接收方法与流程

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种蓝牙路由系统、蓝牙路由发送及接收方法。

背景技术：

蓝牙(bluetooth)是一种无线技术标准，可以实现固定设备、移动设备和局域网之间的短距离数据交换。在通常使用环境下，蓝牙功能主要用于近距离蓝牙设备之间的数据交换，互相通信的两个蓝牙设备的距离为10米左右。随着科学技术的进步，蓝牙芯片的灵敏度比蓝牙协议上要求的性能提高了很多，两个蓝牙设备在距离达到100米的情况下，仍可以正常通信。但是这样的距离扩展，仍然不能满足家庭传感网的需求。在家庭传感网中，通常需要有一个蓝牙路由器，能够和整栋房屋的各层、各个房间里的多个蓝牙模块通信；由于楼层和墙壁额外的路径损耗，需要进一步增强蓝牙信号的覆盖范围。另一方面，由于蓝牙协议对发射功率的限制，不能通过对蓝牙模块无限制提高发射器的发送功率来扩大覆盖范围。

现有技术中，蓝牙系统可以采用一种灵活的无基站的组网方式，使得一个蓝牙设备可同时与多个其它的蓝牙设备相连接。蓝牙系统的网络结构的拓扑结构有：微微网(piconet)和分布式网络(scatternet)。在蓝牙微微网中，有一个主节点或中心节点，同时和多个其他节点、从节点进行连接。通常情况下，主节点和其他节点具备同样的发射功率和接收性能，在这种情况下，所构建的蓝牙微微网的大小受到中心节点通信能力的限制。由于单个微微网的整体数据吞吐量受限，随着蓝牙模块的数量越来越多，有些传感模块可能会有大数据量的应用，为了保证数据能够及时得到传输，引入多个微微网，即引入另外一个同样的蓝牙路由器，扩展蓝牙组网的覆盖范围。多个蓝牙微微网可以通过桥接的方式连接成为分布式网络(scatternet)，通过无线网格网络(mesh)的方式来扩展蓝牙组网的覆盖范围。在分布式网络条件下，需要一系列的蓝牙设备具备桥的功能，同时和两个或两个以上的微微网连接，在 不同微微网间传递数据，并完成必要的网络层的组网功能。这种蓝牙路由器一般采用多天线的设计，能够和市场上销售的符合蓝牙协议规范的蓝牙模块通信，同时扩大覆盖范围，能够满足家庭或办公传感网的要求。

但是，在多个蓝牙微微网同时工作时，需要使用不同的工作频率，或者使用不同的跳频序列，避免频率碰撞导致通信失败。由于多个微微网的蓝牙传感模块非常多，或者环境干扰严重导致可用工作频率较少时，可能会导致多个蓝牙微微网不能正常使用，降低了用户体验。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是如何有效的提高蓝牙微微网的容量。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种蓝牙路由系统，蓝牙路由系统包括：

多条天线；

多个射频收发器，所述射频收发器的数量与所述天线的数量一致，每一所述射频收发器经由各自对应的所述天线收发蓝牙数据；

多个基带处理单元，所述基带处理单元的数量与所述天线的数量一致；

数据处理单元，用于根据所述蓝牙数据确定能够同时通信的一个或多个蓝牙设备，并在所述多个射频收发器和多个基带处理单元之间进行数据转发。

可选的，所述蓝牙路由系统还包括：

路由单元，适于在多个所述基带处理单元或多个所述基带处理单元与外部网络之间进行数据路由。

可选的，所述数据处理单元包括：

信道估计单元，用于根据所述蓝牙数据进行信道估计，以得到信道估计信息；

用户确定单元，根据所述信道估计信息确定能够同时通信的一个或多个蓝牙设备；

预编码单元，对来自所述基带处理单元的待发送基带数据进行预编码， 并传输至所述射频收发器。

可选的，所述用户确定单元采用如下方式确定能够同时通信的一个或多个蓝牙设备：根据所述信道估计信息，把与多个所述天线耦合的所有蓝牙设备按照信道功率大小进行排序，确定信道功率最大的蓝牙设备为能够同时通信的蓝牙设备；迭代计算所述所有蓝牙设备中剩余的蓝牙设备与确定的能够同时通信的蓝牙设备的信道向量的夹角，所述夹角达到设定值的所述蓝牙设备作为能够同时通信的蓝牙设备，直至迭代进入收敛状态。

可选的，所述设定值为20—40度。

可选的，所述信道估计单元将所述所有蓝牙设备通过多条所述天线在多个频点上的所述信道估计信息排列成矩阵，形成信道估计矩阵，其中，所述信道估计矩阵包括蓝牙设备信息、天线信息和频点信息。

可选的，所述预编码单元基于所述信道估计矩阵中当前频点上的信道估计信息，计算出预编码矩阵；并根据所述预编码矩阵对处于工作状态的所述基带处理单元的所述待发送基带数据进行预编码。

可选的，所述预编码单元通过波束成形的方式形成所述预编码矩阵。

为解决上述技术问题，本发明实施例还公开了一种基于所述蓝牙路由系统的蓝牙路由发送方法，蓝牙路由发送方法包括：

将与多个所述天线耦合的所有蓝牙设备经过训练得到信道估计矩阵，其中，所述信道估计矩阵包括蓝牙设备信息、天线信息和频点信息；

基于所述信道估计矩阵得到能够同时通信的一个或多个蓝牙设备在当前频点上的信道估计信息，其中，所述信道估计信息包括所述蓝牙设备信息和所述天线信息；

根据所述信道估计信息计算预编码矩阵；

基于所述预编码矩阵对待发送基带数据进行预编码，并经过所述射频收发器调制后传送至所述天线进行发送。

可选的，将所述所有蓝牙设备经过训练得到所述信道估计矩阵包括：

将所述所有蓝牙设备通过多条所述天线在多个频点上的所述信道估计信 息排列成矩阵，形成信道估计矩阵。

可选的，采用如下方式确定能够同时通信的一个或多个蓝牙设备：

根据所述信道估计信息，把与所述多个天线耦合的所有蓝牙设备按照信道功率大小进行排序，确定信道功率最大的蓝牙设备为能够同时通信的蓝牙设备；计算所述所有蓝牙设备中剩余的蓝牙设备和确定的能够同时通信的蓝牙设备的信道向量的夹角，所述夹角达到设定值的所述蓝牙设备作为能够同时通信的蓝牙设备。

可选的，所述设定值为20—40度。

为解决上述技术问题，本发明实施例还公开了一种基于所述蓝牙路由系统的蓝牙路由接收方法，蓝牙路由接收方法包括：

将与多个所述天线耦合的所有蓝牙设备经过训练得到信道估计矩阵，其中，所述信道估计矩阵包括蓝牙设备信息、天线信息和频点信息；

基于所述信道估计矩阵得到能够同时通信的一个或多个蓝牙设备在当前频点上的信道估计信息，其中，所述信道估计信息包括所述蓝牙设备信息和所述天线信息；

多条所述天线将接收到的所述蓝牙数据传送至所述射频收发器进行解调；

根据所述信道估计信息，从解调后的所述蓝牙数据中得到能够同时通信的一个或多个蓝牙设备信息，并基于所述蓝牙设备信息将所述蓝牙数据传送至所述基带处理单元。与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明的蓝牙路由系统设置多条天线、多个射频收发器和多个基带处理单元，所述射频收发器的数量、所述基带处理单元的数量与所述天线的数量一致，每一射频收发器经由各自对应的天线收发蓝牙数据；数据处理单元用于根据所述蓝牙数据确定能够同时通信的一个或多个蓝牙设备，并在所述多个射频收发器和多个基带处理单元之间进行数据转发，实现了同一工作频点多个蓝牙设备的同时通信，提高了以蓝牙路由系统为中心节点的蓝牙微微网 的容量。

进一步，数据处理单元包括信道估计单元、用户确定单元和预编码单元，信道估计单元用于根据所述蓝牙数据进行信道估计，以得到信道估计信息；用户确定单元根据所述信道估计信息确定能够同时通信的一个或多个蓝牙设备；预编码单元对来自所述基带处理单元的待发送基带数据进行预编码，并传输至所述射频收发器。通过对蓝牙数据传输信道的条件进行估计，确定能够同时通信的蓝牙设备，并采用预编码方式处理发送数据，实现了多个蓝牙设备同时通信且不受干扰，进一步提高了蓝牙微微网的数据传输质量。

附图说明

图1是本发明实施例一种蓝牙路由系统的结构示意图；

图2是本发明实施例另一种蓝牙路由系统的结构示意图；

图3是本发明实施例一种蓝牙路由发送方法的流程示意图；

图4是本发明实施例一种蓝牙路由接收方法的流程示意图。

具体实施方式

如背景技术中所述，在多个蓝牙微微网同时工作时，需要使用不同的工作频率，或者使用不同的跳频序列，以避免频率碰撞导致通信失败。由于多个微微网的蓝牙传感模块非常多，或者环境干扰严重导致可用工作频率较少时，多个蓝牙微微网不能正常使用，降低了用户体验。

本发明实施例为满足同一蓝牙微微网中多个蓝牙设备的通信需求，引入基于多用户多入多出技术(multi-usermultiple-inputmultiple-output,mu-mimo)，通过同时与多个蓝牙设备进行通信的空分的复用方式，在同一个频点上连接多个用户，一个微微网就能支持多个蓝牙设备，提高了以蓝牙路由系统为中心节点的蓝牙微微网的容量。

本发明实施例所称蓝牙路由系统为蓝牙微微网的中心节点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本发明实施例一种蓝牙路由系统的结构示意图。

请参照图1，蓝牙路由系统包括：天线101、射频收发器102、数据处理单元103和基带处理单元104。

其中，天线101的数量可以是n个，n为正整数，相应地，射频收发器102的数量可以是n个，基带处理单元104的数量可以是n个。所述射频收发器102的数量与所述天线101的数量一致，每一射频收发器102经由各自对应的天线收发蓝牙数据，射频收发器102还可以实现变频、信道选择或放大信号的作用。所述基带处理单元104的数量与所述天线101的数量一致。

基带处理单元(又称信源)104发出没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号所固有的频带(频率带宽)。数据处理单元103用于根据来自于射频收发器102的蓝牙数据确定能够同时通信的一个或多个蓝牙设备，并在所述多个射频收发器102和多个基带处理单元104之间进行数据转发。

需要说明的是，数量n可以为任意可实施的数量，由用户根据实际的应用环境做适应性的调整。

图2是本发明实施例另一种蓝牙路由系统的结构示意图。

请参照图2，一并参照图1，蓝牙路由系统包括：天线101、射频收发器102、数据处理单元103、基带处理单元104和路由单元201。

其中，路由单元201适于在多个基带处理单元104或多个基带处理单元104与外部网络之间进行数据路由。能够同时通信的一个或多个蓝牙设备之间的通信可以通过路由单元201完成数据的路由交换；需要连接外部网络的数据则通过路由单元201进行路由转发。

本实施例中，数据处理单元103包括：信道估计单元202、用户确定单元203和预编码单元204，信道估计单元202用于根据所述蓝牙数据进行信道估计，以得到信道估计信息；用户确定单元203根据所述信道估计信息确定能够同时通信的多个蓝牙设备，能够同时通信的蓝牙设备的数量为m；预编码单元204对来自所述基带处理单元的待发送基带数据进行预编码，并传输至所述射频收发器102。

本实施例中，信道估计单元202将所述所有蓝牙设备通过多条所述天线101在多个频点上的所述信道估计信息排列成矩阵，形成信道估计矩阵，其中， 信道估计信息可以包括信道状态信息(csi，channelstateinformation)，csi是通信链路的信道属性，描述信号在每条传输路径上的衰弱因子，如信号散射(scattering)、环境衰弱(fading，multipathfadingorshadowingfading)、距离衰减(powerdecayofdistance)等信息，所述信道估计矩阵包括蓝牙设备信息、天线信息和频点信息三个维度，矩阵中的数据是指对应蓝牙设备和对应天线之间的信道在对应频点的信道状态信息。其中，蓝牙路由系统的工作频点确定时，即信道估计矩阵在当前频点上的信道估计信息为m*n的矩阵，其中，m为能够同时通信的蓝牙设备的数量，n为天线101的数量，从而形成了m*n的矩阵。在m*n的矩阵中，每一行表示m个蓝牙设备其中之一对应于n条天线其中之一的信道向量。其中，m的值小于等于n。

本实施例中，蓝牙路由系统处于工作状态时，用户确定单元203采用如下方式确定能够同时通信的一个或多个蓝牙设备：根据所述信道估计信息，把与所述多个天线101耦合的所有蓝牙设备按照信道功率大小进行排序，确定信道功率最大的蓝牙设备为能够同时通信的蓝牙设备；迭代计算所述所有蓝牙设备中剩余的蓝牙设备与确定的能够同时通信的蓝牙设备的信道向量的夹角，所述夹角达到设定值的所述蓝牙设备添加至能够同时通信的蓝牙设备，直至迭代进入收敛状态。所述收敛状态是指计算出所有满足条件的蓝牙设备，或者是计算出所有m个蓝牙设备。

其中，“达到”指的是大于等于。具体实施中，所述设定值为20—40度。优选的，所述设定值为30度。即任意两个同时通信的蓝牙设备的信道向量之间的夹角大于等于30度。通过蓝牙设备之间的夹角大于等于设定值，可以使得蓝牙设备在当前频点通信时，相互之间的信号干扰较小。

可以理解的是，所述设定值可以根据实际应用环境做适应性的调整。

本实施例中，预编码单元204基于所述信道估计矩阵中当前频点上的信道估计信息，计算出预编码矩阵；并根据所述预编码矩阵对处于工作状态的所述基带处理单元的待发送基带数据进行预编码。

具体实施中，预编码单元204通过波束成形(beamforming)的方式形成所述预编码矩阵。采用波束成形，一方面可以获得足够大的信噪比，另一方面 可以得到高精度的目标分表率，实现定向传输的目的。蓝牙路由系统发送的数据到达蓝牙设备时，由于蓝牙设备距离蓝牙路由系统远近不同，接收到的数据存在差异，需要进行补偿，使得补偿后的信号相同。为了使数据发送的波束最大值对准指定的蓝牙设备方向，对数据发送的信号施加不同延时。对于窄带信号，时延可以通过窄带相移实现。

本发明实施例中，由于多个蓝牙设备在同一频点通信会造成互相干扰，通过对蓝牙数据传输信道的条件进行估计，确定同时通信的蓝牙设备，并采用预编码方式处理发送数据，利用有用信号和干扰信号在角度等空间信道特性上的差异，通过适当加权处理，在空间上隔离有用信号与干扰信号，实现了多个蓝牙设备同时通信且不受干扰，进一步提高了蓝牙微微网的通信容量和质量。

图3示出了本发明实施例一种蓝牙路由发送方法。

请参照图3，一并参照图1和图2，蓝牙路由发送方法包括：步骤s301，将与多个所述天线耦合的所有蓝牙设备经过训练得到信道估计矩阵。

其中，所述信道估计矩阵包括蓝牙设备信息、天线信息和频点信息。

本实施例中，蓝牙路由系统发送数据至蓝牙设备，可以叫做下行链路。蓝牙路由系统将多个数据流传输给不同的蓝牙设备，通过在数据处理单元103采用波束成形的方式，提前分离不同蓝牙设备的数据流，从而简化蓝牙设备接收端的操作。

具体实施中，信道估计的实现需要获取无线信道的信息，例如可以是信道的阶数、多普勒频移、多径时延或者信道的冲激响应等参数。

步骤s302，基于所述信道估计矩阵得到能够同时通信的一个或多个蓝牙设备在当前频点上的信道估计信息。

其中，所述信道估计信息包括所述蓝牙设备信息和所述天线信息。

本实施例中，蓝牙路由系统的工作频点确定时，基于所述信道估计矩阵得到在当前频点上的信道估计信息，得到的信道估计信息形成m*n的矩阵，其中，m为能够同时通信的蓝牙设备的数量，n为天线101的数量，m*n的 矩阵中的每一行表示m个蓝牙设备其中之一对应于n条天线其中之一的信道向量。所述预编码矩阵的计算可以基于信号与干扰噪声比(signaltointerferenceplusnoiseratio,sinr)最大化原则。

步骤s303，根据所述信道估计信息计算预编码矩阵。

本实施例中，在预编码过程中，可以根据信道条件，对发送信号的空间特性进行优化，使发送信号的空间分布特性与信道条件相匹配，有效地降低对接收端蓝牙设备算法的依赖程度。在下行链路中，由于能够同时通信的各个接收端蓝牙设备在物理位置上是分散的，此时可以在蓝牙路由系统的发射端对信道状态信息加以利用，采用预编码方式，通过波束成形的方式形成所述预编码矩阵，对发射信号进行预处理，使得能够同时通信的各个接收端蓝牙设备接收到不受其它蓝牙设备干扰的信号。

步骤s304，基于所述预编码矩阵对待发送的所述蓝牙数据进行预编码，并经过所述射频收发器调制后传送至所述天线进行发送。

本实施例中，根据所述预编码矩阵对处于工作状态的所述基带处理单元的待发送基带数据进行预编码，使用预编码使得待发送蓝牙数据使用不同的扰码序列，蓝牙设备接收端从而可以正确区分蓝牙路由系统发送端针对多个蓝牙设备发送的信息，达到发送分集的效果。

具体实施中，在发送端，待发送信号为s，假设一次发送b个字符，即s为b*1维向量。使用预编码矩阵wt(n*b)进行波束成形，输出n*1维信号x，进行调制后从天线101进入m*n维mimo信道h；在接收端，接收预编码矩阵wr(m*b)对接收信号进行波束成形合并，输出b*1维估计信号x’，再进行解码和解调等处理得到信号s。对于同时通信的m个用户，分别求取预编码矩阵wt，并通过m个信道同时发送数据信号，根据获得信道估计信息和功率分配最大化原则确定每个信道的发送功率，实现有方向性地发送，并根据信道变化自适应地调整发射方向，降低发射功率。

本发明实施例通过波束成形处理，可以有效消除下行链路的多用户干扰，从而提高同时通信的容量；还可以简化蓝牙设备接收端解调数据的操作，性能更优。

本发明实施例的具体实施方式可参照前述相应实施例，此处不再赘述。

图4示出了本发明实施例一种蓝牙路由接收方法。

请参照图4，一并参照图1和图2，蓝牙路由接收方法包括：步骤s401，将与多个所述天线耦合的所有蓝牙设备经过训练得到信道估计矩阵。

其中，所述信道估计矩阵包括蓝牙设备信息、天线信息和频点信息。

步骤s402，基于所述信道估计矩阵得到能够同时通信的一个或多个蓝牙设备在当前频点上的信道估计信息。

其中，所述信道估计信息包括所述蓝牙设备信息和所述天线信息。

步骤s403，多条所述天线将接收到的所述蓝牙数据传送至所述射频收发器。所述射频收发器可以对来自于天线的蓝牙数据做进一步处理，例如解调等。

本实施例中，能够同时通信的一个或多个蓝牙设备向蓝牙路由系统传送数据的过程也可以成为上行链路。不同蓝牙设备使用相同的时频资源向蓝牙路由系统进行数据发送，每个蓝牙设备为单天线发送。从路由系统接收端来看，接收到的所有的数据流可以看作来自一个蓝牙设备的不同天线，从而构成了一个虚拟的mimo系统。

步骤s404，根据所述信道估计信息，从所述射频收发器输出的蓝牙数据中得到能够同时通信的蓝牙设备信息，并基于所述蓝牙设备信息将所述蓝牙数据传送至所述基带处理单元。

由于信道的信道状态信息是实时变化的，在数据的接收阶段，本发明实施例通过在解调后的所述蓝牙数据中得到能够同时通信的一个或多个蓝牙设备信息，从而对当前传输信道的信道状态进行监测，在当前信道状态发生变化时，更新所述信道估计矩阵，以便在数据发送时进行适应性的调整，提高数据传输的质量；基于所述蓝牙设备信息将所述蓝牙数据传送至对应的基带处理单元104，至此实现了从蓝牙设备到蓝牙路由系统的数据传送过程。

具体实施中，多个蓝牙设备之间数据需要进行交换时，通过路由单元201将数据进行路由交换至对应的基带处理单元104，并进入蓝牙路由发送的流 程。

本发明实施例的具体实施方式可参照前述相应实施例，此处不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。