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研究生:李頌恩
論文名稱:低功耗藍牙裝置發現研究與優化
論文名稱(外文):Bluetooth Low Energy Device Discovery Research and Optimization
指導教授:黃仁竑黃仁竑引用關係
指導教授(外文):HWANG, REN-HUNG
口試委員:黃仁竑林盈達林柏青
口試委員(外文):HWANG, REN-HUNGLIN, YING-DARLIN, PO-CHING
口試日期:2022-07-15
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:雲端計算與物聯網數位學習碩士在職專班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2022
畢業學年度:110
語文別:中文
論文頁數:61
中文關鍵詞:低功耗藍牙交握裝置發現優化廣告延遲
外文關鍵詞:BLE(Bluetooth Low Energy)handshakingdevice discoveryoptimizationadvertising delay
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低功耗藍牙BLE(Bluetooth Low Energy)主要就是為了改善傳統藍牙BT(BR/EDR)的耗能,因此藍牙技術聯盟SIG(Bluetooth Special Interest Group)才將其命名為LE(Low Energy),通常Bluetooth都是應用在攜帶式的裝置上居多,而攜帶型裝置的電源供應來源通常是電池(battery mode),而非採用直流電或交流電(AC/DC mode)的方式供電,因此透過省電、低功耗來延長使用時間,就是BLE中很重要的一環。
在藍牙連線之前,會先進行交握(handshaking),是透過裝置間的廣告與掃描來進行裝置發現(Device Discovery)的過程,經由這個過程發現彼此之後就可以進行連線。本文重點著重於如何讓裝置端/從機從廣告者的角色能夠更快速的讓手機端/主機透過掃描發現此裝置的存在,並且避免被掃不到的情形發生,透過這樣的改善來降低功耗,以達到省電、延長使用時間的目的。
掃描者可能是不同廠牌的手機,或是不同廠商的主機,掃描間隔與掃描視窗的配置為何並無從得知,且裝置端必須能夠讓所有不同廠牌的手機/主機掃到,裝置端的使用者在下達廣告間隔等的參數並開始廣播之後,上層就不會再進行參數的配置,因此底層控制器如何來偵測交握不到的狀況,或是透過廣告延遲來避免被掃不到的狀況,以及加速讓主機掃到裝置的優化方式,就是本文著重探討研究的部分。
BLE (Bluetooth Low Energy) aims to improve the energy consumption of traditional Bluetooth BT (BR/EDR), so the Bluetooth Special Interest Group (SIG) named it LE (Low Energy). Usually, Bluetooth is mostly used in portable devices, and the power source of portable devices is usually batteries (battery mode) instead of direct current or alternating current (AC/DC mode). Prolonging the use time is a crucial part of BLE.
Before a Bluetooth connection is established, handshaking is performed, a process of device discovery through advertising and scanning between devices. After discovering each other through this process, a connection between two devices can be established. This thesis focuses on how to allow the host device (e.g., a mobile phone) to discover the existence of a slave device (e.g., a Bluetooth headset) by scanning more quickly and reducing the power consumption.
Notably, the host device may be made by different manufacturers. The configuration of the scan interval and the scanning window is unknown, and the slave device must be able to be scanned by a host device made by all kinds of manufacturers. After a user sets parameters such as advertising interval and enables the advertising, the parameter configuration will not be performed again. It may cause the challenge of how does the baseband controller detect the situation that a host device cannot find the slave device or the delay of the scanning process takes too long? This motivates us to develop an optimization mechanism to speed up the scanning process. Our numerical results show that the latency of the scanning process can be reduced from more than 10 minutes to a minimum of 43 seconds.
誌謝 i
摘 要 ii
Abstract iii
目 錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的與動機 1
1.3 論文架構 3
第二章 背景知識與相關研究 4
2.1 低功耗藍牙簡介 4
2.2 低功耗藍牙架構 5
2.3 低功耗藍牙鏈結層 7
2.3.1 鏈結層狀態 7
2.3.1.1 待機狀態 8
2.3.1.2 廣告狀態 8
2.3.1.3 掃描狀態 9
2.3.1.4 發起狀態 9
2.3.1.5 連線狀態 10
2.3.1.6 同步狀態 10
2.3.1.7 同步廣播狀態 10
2.3.2 封包格式與類型 10
2.3.3 廣告事件 15
2.3.3.1 可連線可掃描無指定事件 16
2.3.3.2 可連線指定事件 17
2.3.3.3 不可連線不可掃描無指定事件 18
2.3.3.4 可掃描無指定事件 19
2.3.4 掃描事件 20
2.3.5 裝置發現與廣告延遲 21
2.4 相關文獻探討 23
第三章 實驗問題說明與研究方法 24
3.1 實驗說明與問題描述 24
3.1.1 實驗說明 24
3.1.2 問題描述 25
3.2 實驗方法 25
3.2.1 廣告延遲效用驗證 26
3.2.2 裝置發現交握延遲判別 27
3.2.3 進階動態調整機制 27
第四章 系統架構與實驗結果 29
4.1 系統架構與流程 29
4.1.1 系統流程 29
4.1.1.1 廣告者廣告事件流程 29
4.1.1.2 掃描者掃描事件流程 30
4.1.1.3 裝置發現流程 31
4.1.2 系統架構 32
4.1.3 硬體介紹 33
4.1.3.1 FPGA 33
4.1.3.2 嗅探器 34
4.1.3.3 邏輯分析儀 35
4.2 實驗結果 36
4.2.1 實驗一 39
4.2.2 實驗二 41
4.2.3 實驗三 42
第五章 結論與未來展望 48
5.1 結論 48
5.2 未來展望 48
參考文獻 50

[1]“Bluetooth Technology Website - Bluetooth Wireless Technology”, [Online]. Available: https://www.bluetooth.com/
[2]Bluetooth Core Specification Version 5.2, Bluetooth SIG, Dec. 2019.
[3]“Microchip Technology - SAM D10 Datasheet”, [Online]. Available: https://www.microchip.com/
[4]“Rafael Micro, the radio frequency IC design leader - Bluetooth + Sub-GHz dual-band multiple protocol RF transceiver”, [Online]. Available: https://www.rafaelmicro.com/
[5]“Logic Analyzers Zeroplus - Products, Logic Analyzer”, [Online]. Available: https://www.zeroplus.com.tw/zp/
[6]“Ascendant technologies - IOT/BT, Teledyne lecroy, protocol analyzer”, [Online]. Available: https://www.ascendant.com.tw/
[7]“Frontline Test Equipment – Bluetooth Analyzer”, [Online]. Available: https://fte.com/
[8]“Bluetooth Low Energy – Wikipedia”, [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_Low_Energy
[9]“Bluetooth Special Interest Group - Wikipedia”, [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_Special_Interest_Group
[10]“Bluetooth - Wikipedia”, [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth
[11] K. Cho, G. Park, W. Cho, J. Seo, K. Han, "Performance Analysis of Device Discovery of Bluetooth Low Energy (BLE) Networks," in Computer Communications, vol.81, pp.72-85, 2016.
[12] G. Shan and B. Roh, "Advertisement Interval to Minimize Discovery Time of Whole BLE Advertisers," in IEEE Access, vol. 6, pp. 17817-17825, 2018, doi: 10.1109/ACCESS.2018.2817343.
[13] Jihun Seo; Changsu Jung; Bhagya Nathali Silva; Kijun Han, "A dynamic advertisement interval strategy in Bluetooth low energy networks," in International Journal of Sensor Networks (IJSNET), Vol. 27, No. 1, 2018
[14] H. -W. Tseng, H. Kao and C. -F. Kuo, "Adaptive Advertising Interval for Electronic Shelf Label System Based on Bluetooth Low Energy," in IEEE Sensors Journal, vol. 22, no. 12, pp. 12369-12385, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/JSEN.2022.3172405.
[15]“Nordic Semiconductor - nRF Connect SDK”, [Online]. Available: https://www.nordicsemi.com/
[16]“Qorvo, Inc. – QPG6095 Software Development Kit”, [Online]. Available: https://www.qorvo.com/
[17]“Telink Semiconductor –Telink Chips for Bluetooth® LE”, [Online]. Available: https://www.telink-semi.com/

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