蓝牙电话系统的切换方案 金纯 [1，2] 罗祖秋 [1，2] 蒋小宇1     摘要：蓝牙电话系统是基于蓝牙技术和现有固定电话网络的一种移动通信系统。它具有移动性、高数据传输率、高带宽和费用低等特点。本文首先简要介绍了蓝牙电话系统的结构和工作原理，在此基础上讨论了它的越区切换问题，并提出了解决方案。 关键字 蓝牙 蓝牙电话系统 切换
	该论文发表于《现代电信科技》2005年第4期（总第303期）刊号：ISSN 1002-5316/CN11-2755/TN

Solution of Handover in Bluetooth Telephone System

Abstract : Bluetooth telephone system is a mobile communication system based on bluetooth technology and PSTN. The key features of the system are mobility, high data rate, high bandwidth, inexpensive and etc. In this paper, we briefly introduce the principle and architecture of this system at first, then, discuss the handover problem. Finally, we present a solution of this problem.

Keywords : Bluetooth, Bluethooth telephone system, handover

引言

    英国电信2003年提出了Bluephone项目，今年三月又有七个公司宣布加入这个项目，他们是阿尔卡特、爱立信、摩托罗拉、英特尔、Norwood Systems、IVT、MBT。Bluephone项目的目标是让人们在室内不使用GSM手机，而是使用蓝牙手机通过固定电话网进行通信。我们的蓝牙电话系统也是基于这种思想，同时结合中国的实际情况提出来的。它通过利用蓝牙技术接入到现有的固定电话网络进行通信。由于通信是通过固定电话网进行的，因而通话费用相对于现有的移动电话更低。同时，蓝牙技术提供在2.4GHz的ISM频带上设立的79个带宽为1MHz的信道，语音采用CVSD（Continuous Variable Slope Delta Modulation）编码方式，其抗干扰能力更强，即使误码率达到4％时也能提供可以接受的通话质量。而且其最高传输速率可达1Mbps, 实际数据有效速率为723Kbps。因而从这个层面来说，它同我国现有的小灵通系统相比，具有更高的带宽和数据传输速率。为未来3G的发展提供了有力的支持，为各个电信运营商提供了扩大市场和增加收益的良机。

1 蓝牙电话系统

1.1 网络结构

   蓝牙电话系统的网络结构如图1所示：

图1 网络结构

    在这个系统当中，必须在现有的固定电话网络中增加三种设备：电话服务器(位于PSTN中，和交换机连接在一起) 、蓝牙基站（蓝牙网关）、蓝牙移动手机。电话服务器主要完成网络的管理工作（包括号码的分配、计费、认证等等）。它可以具有多条PSTN接口。蓝牙基站（网关）和蓝牙手机是接入系统中的设备，它们主要实现了蓝牙规范中的CTP（Cordless Telephony Profile）应用协议，内部电话(Intercom Profile)应用协议等。蓝牙基站可以只有一个PSTN接口，也可以有具有三个PSTN接口，以便同时为三部蓝牙手机服务。

1.2 系统工作原理

    每一部蓝牙移动手机的蓝牙模块中都含有一个全球唯一的地址（BD_ADDR），该地址与蓝牙用户（以下简称BT用户）的电话号码一一对应并保存在用户数据库中。每个蓝牙基站（网关）都有标准的RJ11接口和PSTN相连接。当蓝牙移动手机进入基站覆盖范围内时，它们之间通过扫描和查询建立起无线链路，然后完成位置登记。

    我们以蓝牙手机和蓝牙手机之间的呼叫过程为例来说明系统的工作原理。BT用户拨号后，主叫BT用户向蓝牙基站发送SETUP报文，蓝牙手机和蓝牙基站之间开始建立信令连接；然后，蓝牙基站通过DTMF发送拨号请求信息给交换机，交换机通过数据库获知该蓝牙手机的鉴权码，对该蓝牙手机进行鉴权，鉴权成功后，蓝牙基站为BT用户分配信道，蓝牙基站和蓝牙手机之间建立起同步面向连接（SCO）链路；最后交换机确认目的蓝牙基站的地址，并将呼叫请求信息转发到目的蓝牙基站；被叫蓝牙基站通过呼叫扫描被叫蓝牙手机，如果它们之间已经建立起连接，被叫蓝牙基站就向被叫蓝牙手机发送振铃音，并向主叫蓝牙手机回送呼叫接通证实信号；被叫BT用户摘机应答，同时向主叫方回送应答消息，最后双方进入通话阶段。

    虽然蓝牙手机与固定电话、移动电话之间的呼叫过程同上述过程有所不同，但仍有许多共同之处，这里我们就不再详细说明。

1.3 系统特点

    蓝牙电话系统同小灵通有一些相似之处，比如有一定的移动能力、通过固定电话网接入等等。但小灵通由于受到自身网络带宽及通讯技术的局限性已慢慢地在开始走入绝境。因而同它相比较，蓝牙电话系统具有以下优势特点。

    从技术上看， 可以以基站的形式大量铺设蓝牙网关。在单位范围内，一个小灵通基站相当于数十个蓝牙网关，使得在单位范围内，蓝牙网关的铺设密度增大，从而形成一个微蜂窝网络。 它又分为中小功率微蜂窝和大功率微蜂窝，小功率微蜂窝多用于覆盖盲区。而采用重叠覆盖技术的500mw大功率微蜂窝基站，使得蓝牙传输距离短的不利情况得到了改善，小区范围扩大，同道干扰减小，切换减少，移动速度更快。由于采用了微蜂窝技术，使得接入点更多，空分复用更高，带宽更宽，因而很好地解决了网络中的拥塞问题。

    从商业的角度来看，采用蓝牙接入方式，成本更低。如果大量使用，一个蓝牙基站的价格大约是小灵通基站的百分之一至千分之一左右，专用蓝牙手机的价格大约是普通手机的十分之一左右。因而可以大量普及和使用，用户会因此而得到更多的方便和实惠，网络运营商可以提高其收益。

    从提供的业务来看，蓝牙电话系统除了提供最基本的语音服务以外，还可以提供大量的增值业务。它包括短消息、盲区呼、双振铃、区域限制服务、彩铃等等。

2. 越区切换

    要实现BT用户的无缝接入，关键的问题就是越区切换。由于蓝牙电话系统采用微蜂窝技术，一个城市可能需要数千个至上万个蓝牙基站才能覆盖，而每个蓝牙基站的覆盖范围有限（几十米到几百米），因此蓝牙手机在移动通话过程中必然会引起频繁的切换。所以切换问题在蓝牙电话系统中是一个必须加以解决的问题。

2.1 蓝牙电话系统面临的切换问题

    在GSM或其它蜂窝通信系统中，手机监测来自基站的信号强度，根据信号强度的大小来决定是否发起切换。但是，这种机制并不能很容易地应用到蓝牙电话系统中，原因如下：

•  在蓝牙电话系统中，蓝牙手机同时监测和比较几个基站的信号强度是比较困难的。为了进行监测和比较信号强度，蓝牙手机必须作为几个微蜂窝网的成员，同时连接几个基站。由于一个蓝牙微蜂窝网只允许7个从设备接入，一个蓝牙手机同时保持较多的链路连接将会降低整个系统的接入量。另外，一个移动设备需不断地变换它所在的微蜂窝网，因为它必须作为一个活动成员来测量信号的强度，但在同一时间它又不能作为几个微蜂窝网的活动成员。因而蓝牙手机同时和几个基站连接的结果是极大地降低了网络的吞吐量。

•  蓝牙不能提供有效的切换机制。蓝牙规范定义了两个主机控制器接口（HCI）命令来为切换服务。它们是HCI_Read_RSSI和HCI_Get_Link_Quality。HCI_Read_RSSI命令主要是用来测量信号的强度。通过主控制器返回RSSI值。RSSI为正表示超过RSSI上限多少dB, 为负表示低于RSSI下限多少dB。为0表示在最佳接收范围内。RSSI值的精确度取决于蓝牙硬件设备，但一些蓝牙硬件设备缺乏测定RSSI的功能，因为这个命令在蓝牙规范中是可选的，因而不能指靠用RSSI这一个参数作为切换的标准。HCI_Get_Link_Quality命令返回指定异步无连接（ACL）链路的Link_Quality值，它返回的是一个8bit的无符号整数来标识链路质量，但蓝牙规范并没有规定每个符号的含义。而且各蓝牙模块供应商将决定怎样测量Link_Quality值。

2.2 解决方案

    蓝牙手机在进行切换时，必须和新的蓝牙基站建立连接。这种新的连接，要通过查询和呼叫扫描过程才能实现。查询过程使一个蓝牙手机能发现那些在其范围（10～100m，增加基站功率之后最多可达500m）之内的其它蓝牙手机，以及它们的设备地址和时钟。通过呼叫过程，能够确定实际的连接。而查询和呼叫过程要花掉较长的时间（1～2秒），而且还有可能和新的基站连接不上，这样的结果是，要么通话过程中停顿时间过长（一般通话过程中停顿时间不超过300毫秒），要么掉话。这两种情况都是用户无法忍受的。

    我们提出的方案能够较好地解决这两个问题，它的原理如图2所示：

图 2 切换原理

    蓝牙手机要进行通话过程，首先它必须和蓝牙基站建立起ACL链路，然后在此基础上再建立起SCO链路。SCO链路用于语音通信，ACL链路在我们的系统中主要用它来传递一些控制信息。

    在蓝牙电话系统中，我们同时采用HCI_Read_RSSI和HCI_Get_Link_Quality这两个参数作为越区切换的准则，而不是仅仅用RSSI这一个参数，HCI_Get_Link_Quality以BER（Bit Error Rate）来进行度量。

    蓝牙手机在通话的同时，它通过查询过程和周围基站建立联系，并不断地监听周围基站的信号，周围基站返回查询结果，这个结果中含有RSSI值，同时蓝牙手机中的蓝牙模块计算出BER值。并把它们存储在一个参数表中。蓝牙手机通过ACL链路向蓝牙基站发送参数表，基站通过网络向周围其它基站发送这个参数表，这个参数表每隔一定的时间要进行更新。这样做的好处是：当蓝牙手机要进行切换时，它就再不需要一个查询过程，直接就进入呼叫过程。显然这种处理节约了大量的切换时间。

   当蓝牙手机从原小区A逐渐移向新小区B时，其同小区A的基站链接的信号强度将逐渐减弱，而小区B的基站的信号强度逐渐增强。当蓝牙手机的RSSI值低于某个阈值参数，同时BER达到一定的百分比时，蓝牙手机就发起切换过程。它通过查询其参数表，综合考虑RSSI、BER以及基站可用度等各方面参数后，选择一个最适于其切换的基站（图中小区B的基站），然后通过ACL链路传送给小区A的基站，基站接收到以后，通过网络通知要切换的小区B的基站，如果小区B的基站同意它的请求，它就发出确认信号。当蓝牙手机收到确认信号以后，它就断开原链路的SCO连接，并同新的基站建立起SCO连接，这样整个切换过程就完成。

3. 结束语

    切换是移动性管理的一个重要内容。由于蓝牙电话系统中的蓝牙基站的覆盖范围有限，切换在蓝牙电话系统中不但不可避免，而且相当频繁。而蓝牙规范并没有对切换做出具体的说明，所以它是我们所研究系统的一个重要问题。

    我们提出不中断和原基站的连接，采用在蓝牙手机和蓝牙基站中建立参数表的方案，我们的试验显示，它可以显著地降低越区切换的失败概率、越区切换引起的通信中断的时间间隔以及越区切换发生的时延，提高了越区切换的速率，为我们进一步研究整个系统扫清了一个障碍。

参考文献：

Bluetooth Specifications,Bluetooth SIG

金纯，许光辰，孙睿。蓝牙技术。北京：电子工业出版社， 2001

郭梯云，邬国扬，李建东。移动通信。西安：西安电子科技大学出版社， 2000

作者简介：

    金纯 [1，2] ： 留美博士，1，重庆邮电学院光互联网与无线信息网络中心教授，硕士生导师；2，重庆金瓯科技发展有限责任公司总经理。曾任美国微软资深软件工程师与项目主管，参与过Oracle、SQL Server、Hotmail等大型项目并因在Hotmail项目中表现杰出获比尔·盖茨亲授奖牌，主持开发了国内第一套蓝牙开发平台、蓝牙网关、蓝牙通用无线接口模块、蓝牙耳机等系列产品，参与863项目：基于"蓝牙"技术的工业现场设备、监控网络及其关键技术研究，现有专著包括《蓝牙技术》、《802.11b无线局域网》、《无线网络安全》，现为重庆蓝牙无线技术研究所所长。

    罗祖秋：1，重庆邮电学院通信与信息学院硕士研究生，2，重庆交通学院应用技术学院讲师。主要研究方向：短距离无线通信，无线传感器网络。

    蒋小宇：1，重庆邮电学院通信与信息学院硕士研究生。

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