Bluetooth Low Energy Performantie Analyse en Optimalisatie in Omgevingen met Interferentie

Als vertegenwoordiger van draadloze communicatieprotocollen met laag vermogen en laag bereik wordt Bluetooth Low Energy steeds meer gebruikt in diverse apparaten en toepassingen. Het is een draadloos protocol dat is gedefinieerd in de 2,4 GHz frequentieband, een licentievrije frequentieband die door vele communicatieprotocollen wordt gedeeld. Als gevolg daarvan wordt Bluetooth Low Energy beïnvloed door de interferentie in deze frequentieband. In het algemeen kan de interferentie voor Bluetooth Low Energy worden onderscheiden in twee categorieën. De eerste is interferentie van andere draadloze communicatieprotocollen, zoals Wi-Fi en ZigBee. Vanwege het brede scala aan toepassingen van Wi-Fi in de 2,4 GHz frequentieband, wordt dit beschouwd als de meest voorkomende storing voor Bluetooth Low Energy. De tweede is de storing door Bluetooth Low Energy zelf. Hoewel alle Bluetooth Low Energy-apparaten hetzelfde protocol implementeren, beïnvloeden naburige apparaten en hun communicatie elkaar omdat ze dezelfde frequentieband delen.

Als gevolg van interferentie daalt de prestatie van Bluetooth Low Energy communicatie. Deze dissertatie richt zich op de prestaties van Bluetooth Low Energy communicatie onder interferentie. In deze dissertatie wordt de classificatie van draadloze interferentie voor Bluetooth Low Energy gevolgd, dus het onderzoek is verdeeld in twee richtingen, te weten, Bluetooth Low Energy communicatieprestaties onder Wi-Fi interferentie, en Bluetooth Low Energy communicatieprestaties onder interferentie van andere Bluetooth Low Energy apparaten. Verder zijn betrouwbaarheid en doorvoer de twee belangrijkste prestatiecijfers die in dit proefschrift worden onderzocht.

De primaire doelstelling van de eerste onderzoeksrichting is het verbeteren van de prestaties van Bluetooth Low Energy in aanwezigheid van Wi-Fi interferentie. Om dit te bereiken worden twee verbeteringen voorgesteld op basis van de prestatievermindering van Bluetooth Low Energy veroorzaakt door Wi-Fi interferentie. Deze verbeteringen richten zich op het optimaliseren van de kanaalselectie-algoritmen van Bluetooth Low Energy. Door informatie over interferentie in de 2,4 GHz frequentieband te verzamelen en overeenkomstige algoritmen te ontwikkelen, wordt het kanaalselectieproces efficiënter. Hierdoor kan Bluetooth Low Energy voorkomen dat kanalen worden gebruikt die tijdens de communicatie worden bezet door Wi-Fi interferentie, wat resulteert in betere prestaties. In vergelijking met bestaand onderzoek bereiken de twee verbeteringen volgens de experimentele resultaten het state-of-the-art niveau. De nieuwe algoritmen en logica die in deze onderzoeksrichting worden voorgesteld, kunnen verder worden overwogen om in de standaard te worden geïntegreerd.

Het doel van de tweede onderzoeksrichting is het verklaren en kwantificeren van de prestatievermindering van Bluetooth Low Energy bij blootstelling aan interferentie van andere Bluetooth Low Energy-apparaten. Op basis van de resultaten van experimenten en simulaties worden twee wiskundige modellen voorgesteld om de degradatie in betrouwbaarheid en doorvoer van Bluetooth Low Energy te verklaren. Deze twee modellen kwantificeren het effect van verschillende factoren op de prestatiecijfers, zoals de Bluetooth Low Energy-communicatieparameters en de interferentiesterkte van andere Bluetooth Low Energy-apparaten. Met deze twee modellen kunnen de betrouwbaarheid en doorvoer van Bluetooth Low Energy worden voorspeld onder de interferentie van naburige apparaten. Bovendien worden deze twee modellen gecombineerd om de afweging tussen betrouwbaarheid en doorvoer bij Bluetooth Low Energy communicatie onder interferentie te illustreren. Vergeleken met de stand van de techniek zijn deze twee modellen de eerste die de prestatiecijfers van Bluetooth Low Energy kwantificeren. Bovendien is de trade-off binnen Bluetooth Low Energy communicatie ook voor het eerst ontdekt. De modellen kunnen de ontwikkelaars en onderzoekers helpen om de Bluetooth Low Energy communicatie efficiënter op te zetten.