交织和BCH编码对蓝牙2_0数据传输性能的改善
第 39 卷 第 2 期 电 子 科 技 大 学 学 报 Vol.39 No.2
2010年3月 Journal of University of Electronic Science and Technology of China Mar. 2010
交织和BCH编码对蓝牙2.0数据传输性能的改善
牛玉峰，庄奕琪，徐 飞
(西安电子科技大学微电子学院 西安 710071)
【摘要】蓝牙2.0+EDR规范新增DH分组没有有效的纠错机制，其抗干扰能力差。通过在新规范中加入BCH编码和交织编
码，以改善蓝牙的数据传输吞吐量及抗干扰能力。对于新增的数据分组，根据蓝牙标准协议，推导了相应的分组特性；建立
了GE信道下数据传输速率与信道突发错误水平的关系模型；获得了在不同信道突发错误水平下的数据传输吞吐量。结果表明，
在蓝牙2.0+EDR新规范中加入BCH编码和交织编码，在较高突发错误水平的信道中，其数据传输吞吐量提高了一倍以上，明
显改善了数据传输的抗干扰能力。
关 键 词 BCH编码; 蓝牙; 突发错误; GE信道; 交织编码
中图分类号 TN914 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2010.02.011
Improved Bluetooth 2.0 Data Throughput
by Using Interleaving and BCH Codes
NIU Yu-feng, ZHUANG Yi-qi, and XU Fei
(School of Microelectronics, Xidian University Xi’an 710071)
Abstract The new DHx packets are adopted in Bluetooth 2.0+EDR specification. Without any error
correction coding mechanism, it has poor anti-interference ability in the burst errors channel. To enhance the data
transmission throughput and anti-interference ability efficiently, a method by introducing new packets with BCH
codes and interleaving to the Bluetooth 2.0+EDR specification is proposed. The packet properties of new packets
are deduced based on the packet definition of Bluetooth specification. An analytical model of the throughput in
different burst error cases is presented under the Gillbert-Elliott(GE) channel, the throughput of different packets in
different burst error cases are obtained. The simulation result shows that adding new packets with BCH codes and
interleaving to Bluetooth 2.0+EDR specification can improve the anti-interference ability and the data transmission
throughput increases more than 100% in the higher burst errors channel.
Key words BCH codes; Bluetooth; burst errors; Gillbert-Elliott channel; interleaving
收稿日期： 2008 ? 08 ? 29；修回日期： 2009 ? 03 ? 03
基金项目：国家自然科学基金(60276028)
作者简介：牛玉峰(1976 ? )，男，博士生，主要从事短距离无线通信系统芯片设计方面的研究.
蓝牙特别兴趣小组(SIG)发布了新的蓝牙核心
规范[1]——Version2.0+EDR(增强数据速率)，提高了
蓝牙的数据传输速率并降低了功耗。蓝牙2.0+EDR
新规范增加了6种新的异步无连接(asynchronous
connectionless link，ACL)分组格式，新增的分组格
式均提供了循环冗余校验(cyclic redundancy check,
CRC)机制，但是，并没有提供载荷的前向纠错
(forward error correction, CRC)机制。在信道状态不
佳的情况下，新增数据分组载荷中的任何一位出现
错误都会导致接收失败，从而要求重传，降低了系
统的吞吐量。另外，在实际的无线信道中，其错误
有时是突发性的，会出现连续的多位错误。所以，
有必要采用一定的纠错编解码机制，使接收端译码
器不仅能够纠正一些随机错误，而且能够纠正一些
突发错误，增强数据传输的抗干扰能力，提高数据
传输吞吐量。
文献[2]研究了针对不同无线链路质量，选择不
同的数据分组提高蓝牙数据传输的吞吐量。文献[3]
研究了加性高斯白噪声(additional white Gaussian
noise，AWGN)与瑞利(Rayleigh)准静态衰落信道下
分组重传概率与蓝牙链路吞吐量之间的关系。文献
[4]研究了不同蓝牙数据分组的传输性能。文献[5]研
究了不同载荷长度对蓝牙数据传输吞吐量的影响。
但是，目前对突发错误信道下蓝牙的数据传输吞吐
量的研究还较少。针对蓝牙2.0+EDR新规范中ACL
分组只有DH数据分组格式的情况，本文提出了在新
规范ACL分组中加入具有BCH编码和交织编码机制
的I-BCH(2I-BCH和3I-BCH)数据分组格式(以下对仅
有BCH编码的数据分组称为BCH分组，对同时采用
BCH和交织编码的分组称为I-BCH分组)，以增强蓝牙
第2期 牛玉峰 等: 交织和BCH编码对蓝牙2.0数据传输性能的改善
205
的抗突发错误的能力，增加蓝牙在受干扰信道下数据
传输吞吐量；针对突发性错误的蓝牙无线信道，利用
Gillbert-Elliott信道模型，推导出I-BCH数据分组在不
同错误突发水平时蓝牙的数据传输性能，并且给出了
实验仿真的结果。
1 采用交织编码和BCH编码的数据分
组特性
蓝牙1.2协议中，ACL链路总共定义了7种数据
分组格式[6]。DH类型分组的载荷不受任何纠错编码
机制保护，而DM类型分组的载荷由于采用了2/3比
例的FEC纠错编码机制，所以在有干扰的信道条件
下，能够改善蓝牙数据传输的性能。类似DM分组类
型，在蓝牙2.0+EDR规范中增加BCH编码和交织编
码的新分组也采用2/3比例前向纠错机制。
BCH码是一类重要的循环码，能纠正多个随机
错误，由于它具有纠错能力强、构造方便、编码简
单、译码也较易实现等一系列优点而被广泛采用。
关于 BCH 码的生成多项式已编写成相应的表，在
工程使用中只需查阅即可。根据查表可知与(15,10)
汉明码编码效率较接近的为本原BCH 码(63,39)，可
纠正4个错误。
交织编码是一种很实用而且常用的构造码的方
法，它能把比较长的突发错误或多个突发错误离散
成随机错误，然后再用纠正随机错误的码纠错，则
能取得明显的纠错效果[7]。I-BCH数据分组将交织编
码和BCH编码结合起来，在蓝牙的发射端将数据用
BCH编码后再交织，在接收端将接收到的数据解交
织后再BCH解码，大大增强了蓝牙抗干扰的能力。
在蓝牙I-BCH数据分组模式中，一个长度为n的数据
分组，分为63个编码块，每一个编码块的长度为n/63
位，先将每一块的第一位数据利用BCH编码为一个
编码字，再对每一块的第二位数据利用BCH编码为
另一个编码字，依此类推，总共有n/63个BCH编码字。
I-BCH数据分组继承了BCH数据分组的4位纠错能
力，且由于其每个编码字中的63个数据位不连续，在
突发错误信道中I-BCH数据分组的鲁棒性优于BCH
数据分组。
采用交织和BCH编码的新分组，经过编码以后
的最大数据包的长度与对应的DH分组的数据包长
度是一样的，根据2-DH、3-DH数据分组特性，可以
推导出所有增加的2I-BCH、3I-BCH数据分组的分组
特性，如表1所示。
表1 蓝牙2.0+EDR规范加入的BCH分组特性
类型 用户载荷
/byte?s－1 FEC CRC
非对称最大速率
/kb?s－1
前向 反向
2I-BCH1 0-35 2/3 有 224 224
2I-BCH3 0-244 2/3 有 780.8 112
2I-BCH5 0-452 2/3 有 968.3 74.7
3I-BCH1 0-54 2/3 有 345.6 345.6
3I-BCH3 0-367 2/3 有 1174.4 172.8
3I-BCH5 0-680 2/3 有 1450.7 115.2
2 Gillbert-Elliott无线信道模型中的
编码字(codeword)错误概率
Gillbert-Elliott信道是一阶、离散时间、静态马
尔可夫链，具有Good和Bad两个状态。如图1所示，
其中Pgb为信道从Good状态转变到Bad状态的概率；
Pbg为信道从Bad状态转变到Good状态的概率；Pbb
和Pgg分别表示信道保持在Bad状态和Good状态的概
率，Pgb+Pgg=1，Pbb+Pbg=1，Pbb反映了信道的突发错
误水平。GE信道状态的改变速度依赖于Pgb和Pbg，
Pgb和Pbg越大，则信道状态改变越快。显然，信道的
平均位错 率(BER)Pb=Pgb/(Pbg+Pgb)[8] ，而Pg=Pbg/
(Pbg+Pgb)。
Good Bad
Pgb
Pbg
Pgg Pbb
图1 Gillbert-Elliott信道模型
对长度为n，可以纠正t个随机错误的编码字
[n,t]，在连续的n个状态中有d个错误的概率为[9]：
1
gg b
g
b
1
bb g
(1 )
(( | GG) ( | GB))
()
(( | BG) ( | BB))
(1 )
n
nn
n
nn
n
PP
PP d P d
Pd
PP d P d
PP
?
?
? ?
? + +?= ? +?
? ??
0
1
d
dn
dn
=
<
=
≤ (1)
其中：
min( 1, )
2
11 1
gb gb bg bg
11 (| GG) 12
(1 ) (1 )
dn d
n
i
nd i i d i i
nd dPd ii
PP P P
+?
=
?? ? ? + ?
?? ? ?? ? ?= × ?? ? ??? ?? ? ?
??
∑
(2)
min( , )
1
1
gb gb bg bg
11 (| GB) 11
(1 ) (1 )
dn d
n
i
nd i i d i i
nd dPd ii
PP P P
?
=
?? ? ?
?? ? ?? ? ?= × ?? ? ??? ?? ? ?
??
∑
(3)
min( , )
1
1
gb gb bg bg
11 (| BG) 11
(1 ) (1 )
dn d
n
i
nd i i d i i
nd dPd ii
PP P P
?
=
?? ? ?
?? ? ?? ? ?= × ?? ? ??? ?? ? ?
??
∑
(4)
电 子 科 技 大 学 学 报 第 39 卷
206
min( , 1)
2
11 (| BB) 21
dn d
n
i
nd dPd ii
?+
=
?? ? ?? ? ?=× ?? ? ??? ?? ? ?
∑
11 1
gb gb bg bg(1 ) (1 ) nd i i d i i PP P P ?? + ? ? ??? (5)
此处的Pn(d|GG)是指在信道的初始和结束状态均为
Good时，n个连续的瞬间状态中有d个瞬态处于Bad
状态的条件概率，其他的Pn(d|GB)、Pn(d|BG)、
Pn(d|BB)的定义均参照Pn(d|GG)的定义，则[n,t]编码
字的错误概率为：
()b ggb
bg b
cw e e e e
gb 00 m a x ( 0 , 1 )
( ) (B) 1 (B) (G) (1 (G))
nd n d
de en d ee
n
de e t e
ndd PP d P P P Pee
?
? ??
== = + ?
????????????? =? ??????????? ??????
∑∑ ∑ (6)
式中 Pe(B)和Pe(G)分别为信道处于Bad态和Good
态时的误码率，显然Pe(B)>>Pe(G)。当采用交织深度
为m的交织编码时，其信道状态转换概率为：
gb gb gb bg gb bg(1 (1 ) )/( )mP PP P P P′ =? ? ? + (7)
b gb g g b b g g b b g(1 (1 ) )/( )mP PP P P P′ =? ? ? + (8)
将 gbP′ 和 bgP′ 分别替换式(1)中的Pgb和Pbg，即可得到采
用交织深度为m的[n,t]编码字的误码率。
3 蓝牙数据分组重传概率分析
本文在分析蓝牙2.0+EDR新规范中增加BCH数
据分组格式和I-BCH分组格式对蓝牙数据传输抗干
扰性能的改善时，探讨的是一对主从蓝牙设备链接
的情况，分析主对从单向的最大数据传输速率，即
只有主设备向从设备发送数据，从设备只返回确认
信息，若某分组发送后没有收到发送成功的确认信
息(ACK)，则ARQ机制将重复发送该分组，直到发
送成功为止。分析假设在一个数据分组发送过程中
信道的状态变化概率和在不同状态下的误码率是恒
定值，并且CRC校验总是能够检测出数据载荷传送
过程中出现的错误。
如果知道了数据的编码错误概率，就可以求出
数据分组重传概率。当出现以下5种情况之一便会引
起分组重传[10]。
(1) 事件A：发送分组的接入码同步错误。
(2) 事件B：发送分组的分组头经1/3比例FEC校
验错误。
(3) 事件C：发送分组载荷经过CRC校验错误。
(4) 事件D：返回分组接入码同步错误。
(5) 事件E：返回分组的分组头错误。
数据分组的重传概率分析表达式为：
1 (1 [ ])(1 [ ])
(1 [ ])(1 [ ])(1 [ ])
PP A P B
P CP D P E
=? ? ? ×
?? ? (9)
在GE信道中，对接入码来说，其误码率相当于
n=72，t=72?T 的编码字错误率(在此T取值为65)，
记为Pcw(AC)。由于返回分组也同样使用72位的接入
码，所以事件D有和事件A类似的概率。
前向分组头经1/3比例FEC检测错误导致事件B
和E发生，(3,1)编码可以纠正一个错误，因此：
18
cw [] 1 (1 (HE)) PB P =? ? (10)
Pcw(HE)为n=3，t=1时的GE信道模型中的编码字错误
概率。对于P[E]也有同样的表达式。
事件C最容易发生。由于假设CRC解码可以检测
出所有错误，BCH类型分组的载荷受(63,39)汉明码
保护，可纠正4位错误，所以在GE信道中其误码率
为当n=63，t=4，m=1时的编码字错误概率，记为
Pcw(BCH)，则有：
c
cw [] 1 (1 (BCH))N PC P =? ? (11)
式中 Nc为BCH数据包的编码块数量。
对于经过交织编码的BCH分组(即I-BCH分组)，
其编码字错误概率Pcw(I-BCH)和Pcw(BCH)的区别在
于交织深度m=Nc，并且I-BCH分组和BCH分组的Nc
一样，则有：
c
cw [] 1 (1 ( BCH))N PC P I =? ? ? (12)
对于DH分组类型，由于其没有纠错能力，只要
载荷的任何一位发生错误即可导致事件C发生，所以
GE信道的编码错误率和BCH分组的区别仅仅在于
其纠错数t=0。
4 增加BCH和I-BCH分组蓝牙数据吞
吐量分析
对于任何类型的分组，平均吞吐量R为平均重传
次数 N 的函数[11]：
6
(1 )
0.000 625625 10
KK PR DDN ?
? == =
×
净荷长度
分组传输时间
(13)
式中 D为包括返回分组的每次传输所占用的时隙
数；K为分组中数据位的大小。
在GE信道中，蓝牙数据传输吞吐量是信道状态
变化概率的函数，要分析计算平均吞吐量R的值，必
须求出平均 P 的值。在此考察的是不同的信道状态
变化概率时的蓝牙数据传输吞吐量，其瞬时信道变
第2期 牛玉峰 等: 交织和BCH编码对蓝牙2.0数据传输性能的改善
207
化概率等于平均信道变化概率，而且有 P = P 。为了
仿真计算的方便，本文令Pe(B)=1.0，Pe(G)=0.005，
令Pgb分别为0.000 5和0.005，改变Pbb使信道处于不
同的突发错误水平，得到不同蓝牙数据分组的数据
传输吞吐量。
在Pgb= 0.005时，蓝牙2DH、2BCH和2I-BCH分
组数据传输吞吐量与信道状态变化概率的关系如图
2所示。在Pgb为0.000 5或0.005时，蓝牙3DH、3BCH
和3I-BCH分组数据传输吞吐量与信道状态变化概
率的关系分别如图3和图4所示。
数据传输吞吐量
/b·s
?1
突发错误概率
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
8
7
6
5
4
3
2
1
0
×105
2DH1
2DH3
2DH5
2-BCH1
21-BCH1
2-BCH3
21-BCH3
2-BCH5
21-BCH5
图2 2DH、2BCH、2I-BCH分组数据传输速率(Pgb=0.005)
数据传输吞吐量
/b·s
?1
突发错误概率
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
16
14
12
10
8
6
4
2
0
×105
3DH1
3DH3
3DH5
3-BCH1
31-BCH1
3-BCH3
31-BCH3
3-BCH5
31-BCH5
图3 3DH、3BCH、3I-BCH分组数据传输速率(Pgb=0.000 5)
从图2和图4可以看出，当信道状态变差时(Pgb=
0.005)，无论是 5时隙还是3时隙的数据分组，其传输
速率比较关系都是I-BCH＞BCH＞DH，而且随着突
发错误水平的增加，其数据传输速率成倍地提高。
因此该情况下引入交织编码和BCH编码对蓝牙数据
传输吞吐量的改善也最显著。从图3可以明显地看
出，5时隙的I-BCH和BCH分组的传输速率都明显高
于原有的DH分组。而对于3时隙分组，3I-BCH3分组
的传输速率大于3DH3；而BCH分组和DH分组的数
据传输速率差别不大。这是因为在信道质量较好
(Pgb=0.000 5)时，数据分组最长的5时隙受到的干扰
最大，对没有任何纠错能力的DH分组的传输速率影
响也最大，此时采用加入交织和BCH编码的办法可
以起到明显的纠错效果。对于3时隙分组，只有在突
发错误较多时，新加的纠错编码机制才起到明显的
效果。值得注意的是，随着突发错误的降低(即Pbb
降低时)，所有分组的数据传输吞吐量均变大，所以
干扰较小时引入交织编码和BCH编码的作用不大。
基于上述讨论，在干扰较强、信道中突发错误较多
时，增加交织编码和BCH编码，可以明显改善蓝牙
数据传输能力，弥补蓝牙2.0+EDR原有DH分组没有
纠错能力的缺陷。
数据传输吞吐量
/b·s
?1
突发错误概率
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
8
7
6
5
4
3
2
1
0
×105
3DH1
3DH3
3DH5
3-BCH1
31-BCH1
3-BCH3
31-BCH3
3-BCH5
31-BCH5
图4 3DH、3BCH、3I-BCH分组数据传输速率(Pgb=0.005)
5 结 论
本文以GE信道为信道模型，提出了在蓝牙2.0+
EDR新规范中加入BCH编码和交织编码，以提高蓝
牙在突发错误信道中数据传输的抗干扰能力和数据
传输能力；推导出了新增数据分组的分组特性；分析
了蓝牙在GE信道中编码字的错误概率，进而求出原
有的2-DH、3-DH数据分组形式以及新增的2-BCH、
3-BCH、2I-BCH和3I-BCH数据分组形式在不同突发
错误水平下的数据传输速率。仿真结果表明，在蓝
牙2.0+EDR新规范中加入BCH编码和交织编码，能
够有效地改善蓝牙的抗干扰性能，提高蓝牙在突发
错误信道中的数据传输吞吐量。
参 考 文 献
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编 辑 张 俊
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