（通信与信息系统专业论文）移动环境中无线个域网应用的研究.pdf

中文摘要 摘要 无线个域网是信息化社会的必然发展方向，它为未来个人通信系统打造了关键的最 后“十米”。在众多无线个域网技术中，最受人们关注的当数蓝牙技术。蓝牙技术迎合 了未来个人通信全方位移动的需求，其良好的性能特性为蓝牙的应用推广打下了基础。 因此，研究以蓝牙为主的无线个域网的应用，具有极强的实现意义。 作者着重研究了蓝牙技术在车域范围内的应用，研制开发了符合蓝牙免提应用模型 的嵌入式车载免提终端。整个研发过程分为两个阶段：基于p c 的开发阶段；嵌入式开 发阶段。第阶段的目标是，以本课题组研制的符合标准v 1 1 的蓝牙协议栈和蓝牙演示 开发平台为依托，在w i n d o w s 2 0 0 0 平台下开发车载免提终端及其语音网关，实现蓝牙免 提应用模型规定的所有必选功能。其中，语音网关的硬软件由作者和项目组其他成员共 同设计完成。第二阶段的目标是，将基于p cw i n d o w s 2 0 0 0 平台的免提终端软件移植到 d c l i n u x 操作系统的m c f 5 2 7 2 微处理器中，研制完成符合蓝牙免提应用模型的嵌入式车 载免提终端。嵌入式开发工作主要包括核心驱动模块设计、键盘电路设计及其驱动程序 开发、蓝牙协议栈移植、人机界面设计等。 论文总结了作者关于蓝牙技术在车域范围应用的研究成果，包括蓝牙免提应用模型 分析、基于p c 的车载免提终端及其语音网关的实现、嵌入式车载免提终端的方案设计 及其实现等，针对当前蓝牙尚未普及的几个因素，论述了蓝牙技术发展的趋势，在研究 无线个域网车域应用的基础上，展望了无线个域网在家域和室外空间的应用，介绍了本 课题组在这些领域的研究情况。 关键词：无线个域网蓝牙技术 免提应用模型嵌入式系统 燕墨塑蓬一 a b s t r a c t w p a n q , v t r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ) i st h eo m c o m eo fn o w a d a y si n f o r m a t i o n s o c i e t y i tm a k e st h ep i v o t a ll a s t t e nm e t r e s ”f o rf u t u r ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e r ea l e m a n yw p a nt e 站h r t o l o g i e s ，a n da m o n gt h e mb l u e t o o t ht e c h n o l o g y w i n st h e m a x i m u ma t t e n t i o n b l u e t o o t ht e c h n o l o g yc a t e r sf o rt h ea l l * o r i e n t a t i o nm o v i n gn e e do f f u t u r e p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n i t sw o n d e r f u lp e r f o r m a n c eg r o u n d sw e l lf o rt h ep o p u l a r i z a t i o no f b l u e t o o t h t h e r e f o r e ，i tw i l lh a v et h eg a l a c t i cr e a l i s ms e n s et oi n v e 或i g a t et h ea p p l i c a t i o no f w p a n ，s e p e c i a l l y t h ew p a nb a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g y t h ea u t h o rm a i n l yi n v e s t i g a t e dt h ea p p l i c a t i o no fb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi nv e h i c l ea r e a ， a n d d e v e l o p e d t h ee m b e d d e dh a n d s f r e eu n i t a c c o r d i n g w i t hb l u e t o o t hh a n d s - f r e ep r o f i l e t h e w h o l ed e v e l o pp r o c e s si sd i v i d e di n t ot w op h a s e s ：d e v e l o p i n gh a n d s f r e eu n i tb a s e do np c p l a t f o r m ，a n dd e v e l o p i n ge m b e d d e dh a n d s - f l e eu n i t ，t h et a r g e to fp h a s eo n ei st od e v e l o p b l u e t o o t hh a n d s f r e eu n i ta n di t sa u d i o g a t e w a yb a s e d o nw i n d o w s 2 0 0 0o fp c ，u s i n g b l u e t o o t hp r o t o c a ls t a c ka n db l u e t o o t hd e v e l o p & d e m o p l a t f o r mw h i c h a r ed e v e l o p e d b y o u r t a s kg r o u p t h et a r g e to fp h a s et w oi st or e p l a n tt h es o f t w a r em o d u l e si n t ot h ee m b e d d e d h a r d w a r ef l a t m c f 5 2 7 2m i c r o p r o c e s s o r t h em a i n w o r ki sd e s i g no f k e m e ld r i v em o d u l e ， d e v e l o p o f k e y b o a r dd r i v e r , r e p l a n t a t i o n o fb l u e t o o t h p r o t o c a ls t a c k , a n dd e s i g n o f m m i ( m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) t h i st h e s i sc o n c l u d e st h ea u t h o r sf e s e a r c h p r o d u c t i o n ，w h i c hi n c l u d e sa n a l y s e o f b l u e t o o t hh a n d s - f r e e p r o f i l e ，d e v e l o p i n go fh a n d s - f r e e u n i tb a s e do np ca n de m b e d d e d h a n d s f r e eu n i t a n d a i m i n g 戢s o m ef a c t o r s w h i c hb l o c kt h e p r o c e s s o fb l u e t o o t h s p o p u l a r i z a t i o n ，t h et h e s i sa n a l y s e st h ed e v e l o p i n gt r e n d so f b l u e t o o t ht e c h n o l o g y b a s e do n t h es t u d yo f t h ea p p l i c a t i o no f b l u e m o t h t e c h n o l o g yi nv e h i c l ea r e a , t h et h e s i sa l s op r o s p e c t s t h ea p p l i c a t i o no fb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi nh o m ea r e aa n do u t d o o ra r e a , a n di n t r o d u c e so u r t a s k g r o u p ss t u d y t r e n d si nt h e s ef i e l d s k e y w o r d s ：缪朋瓤b l u e t o o t ht e c h n o l o g y , h a n d s - f r e ep r o f i l e 。e m b e d d e ds y s t e m i t 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：鲤盎蓝日期：金丝i ：z ：泣 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。论文电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究 生院办理。 箜二兰壁兰 第一章概述 1 1 课题目的和意义 自人类迈入“信息”社会以来，一个新理念个人通信得到了发展，并日渐受到 人们的关注。个人通信的本质含义是“为地理位置不固定的用户提供全球范围的通信服 务”，也就是我们常说的“无论何时、无论何地为任何人提供通信服务”。随着个人通信 理念的发展，又一新概念应运而生，这就是“无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) ”。时至今日，无线个域网已成为颇受瞩目的新热点，它以个人为通信中心， 将周围所有电子电器设备组成一个自组织的网络，满足个人随时随地通信的需要。无线 个域网将与第三代移动通信网络( 3 g ，t h i r dg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s n e t w o r k ) 、无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ) 一起，互补结合，成为 未来个人通信系统的重要部分。 目前主要的无线个域网标准有i r d a 、蓝牙和i e e e8 0 2 1 5 。 i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 1 1 是由惠普、康柏、英特尔等二十多家公司发起 建立的红外通讯标准。红外通讯具有成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点， 因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。但红外通讯也有很多限制：传输距离只有 5 米，且当传输距离加大时，数据速率下降幅度很大；只能进行视距传输，信道上不能 有障碍物；要求通信设备的位置固定：点对点传输，无法灵活地组成网络；只能传输非 语音数据等。 蓝牙技术是由爱立信、诺基亚、i b m 、英特尔、东芝五家公司发起提出的开放的短 距离无线接入技术。蓝牙在解决用户数据通信“最后1 0 米问题”中脱颖而出，成为当 前人们普遍关注的热门技术。蓝牙技术的优点有：全球统一、技术开放；技术先进与成 本低廉折衷统；支持点对点、点到多点的话音和数据通信；能够穿透障碍物，实现全 方位数据传输；具备a dh o c 网络的典型特征，组网灵活方便等【2 】。此外，蓝牙规范还定 义了一系列应用模型，为不同厂商生产的蓝牙产品互通提供了可靠的保障。蓝牙在推进 网络终端无线化过程中将起到重大作用，因而其应用前景十分广阔。 1 9 9 9 年成立的i e e e 8 0 2 1 5 工作组是专门制定关于无线个域网的有关协议的机构吼 i e e e s 0 2 1 5 包括4 个工作小组，其任务分别是：i e e e8 0 2 1 5 1 讨论建立与蓝牙技术1 1 版本相一致的标准；i e e e8 0 2 1 5 2 探讨蓝牙与i e e e8 0 2 1 1 b ( 无线局域网技术) 共存的 东南大学硕士学位论文 问题：i e e e8 0 2 1 5 3 研究未来蓝牙技术向更高速率( 如1 0 - - 2 0 m b i t s ) 发展的问题；i e e e 8 0 2 1 5 4 研究低速率、超低功率和超低复杂度的无线个域网解决方案。其中，i e e e 8 0 2 1 5 1 标准与蓝牙标准v 1 1 完全兼容。由此可见，i e e e8 0 2 1 5 实质上是蓝牙标准的 翻版和扩充，它必将对蓝牙技术的发展起着推动作用。 可以这么说，蓝牙技术是最具广阔前景的w p a n 技术，它引领着w p a n 的发展方 向，其推广应用程度标志着无线个域网的实用化程度。正因如此，2 0 0 2 年国家标准化 管理委员会以“国标委( 2 0 0 2 ) 4 1 号”文将蓝牙技术列入2 0 0 2 2 0 0 3 年国标制订计划， 并授权信息产业部邮电工业标准化研究所主持起草该系列标准，体现了我国对蓝牙技术 的重视程度。 据估测，3 、4 年后蓝牙产品将广泛登上世界市场，嵌入蓝牙芯片的电子电器设备 将处处出现在人们的周围。可见蓝牙应用的研究正处于发展成熟阶段，若能抓住时机 研制出符合社会需要的蓝牙产品，将有可能在未来的蓝牙产品战中获得一席之地。 蓝牙车载免提设备是具有极好市场前景的无线个域网应用产品。有关人士预计今后 5 年内将有七成手机配备蓝牙功能。若这些蓝牙手机能提供免提应用模型服务，就可以 与蓝牙车载免提设备互通，实现车域中的自由通话功能。论文将研究无线个域网应用的 重点放在蓝牙车载免提设备的研制上，是有重要的现实意义的。 1 2 国际国内研究状况和进展 蓝牙技术自1 9 9 8 提出到现在，已获得世界上2 0 0 0 余个具有相当影响力的电子、计 算机厂商和研究组织的支持。蓝牙s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 于1 9 9 9 年公布了适于 芯片生产的蓝牙标准v 1 0 b ，2 0 0 1 年公布了标准v 1 1 ，并即将于今年9 月公布标准v 1 2 。 在蓝牙s i g 的积极运作下，蓝牙标准正以较快的速度发展着。 在蓝牙标准发展的同时，世界各大芯片厂商也积极投入力量进行蓝牙芯片的研制与 测试。目前在蓝牙芯片方面具有全球影响力的厂商主要是瑞典e r i c s s o n ，英国c s r 以及 美国德州仪器( t i ) 等。蓝牙芯片刚面市的价格超过1 0 0 美元，但随着单芯片设计能力 加强，蓝牙芯片的价格逐年下降。英国c s r 生产的蓝牙芯片最先降到7 - 8 美元，随后 m o t o l o r a 公司半导体产品部( s p s ) 、意法半导体( s t ) 和德州仪器分别推出高集成度 的解决方案，使蓝牙芯片价格有了进一步的降低。但由于蓝牙芯片的市场价格还未低于 人们所能普遍承受的价位，从而导致蓝牙产品仍难以在市场上广泛普及。市场需求的不 旺盛导致现阶段蓝牙产品的开发还处于踌躇阶段。 苎= 主垫兰 一一 - _ _ _ _ - _ _ _ - - - ，- _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ 虽然如此，蓝牙技术也已被通信、信息及家庭娱乐等领域的各大厂商所采用。目前 市面上已出现许多蓝牙设备，主要是手机、p c 转接卡、笔记本电脑、p d a 、耳机、数 码相机等数码设备。爱立信和索尼还合作推出了蓝牙车载兔提设备。国内的少数蓝牙企 业也紧随潮流，研制开发了多种蓝牙产品，比如蓝牙收发器等。但还未见国产蓝牙车载 免提设备上市。 由于蓝牙车载免提设备的应用前景非常广阔，所以本文将其作为移动环境中无线个 域网应用的研究重点。 1 3 论文的主要内容及各章节安排 论文给出了作者关于蓝牙技术在车域内应用的研究，详细总结了蓝牙车载免提设备 的研制过程，即在分析蓝牙免提应用模型的基础上，以本实验室自主研制的蓝牙协议栈 和蓝牙演示开发平台为依托，先期研制出基于w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统的蓝牙免提应用 协议软件，然后将免提应用协议软件移植到“c l i n u x 操作系统的m c f 5 2 7 2 微处理器中， 实现嵌入式免提终端的研制。 随后，论文对无线个域网在家域范围和室外空间的应用作了展望，介绍了本课题组 在这些领域的研究动态。最后，论文分析了当前阻碍蓝牙技术广泛应用的几个因素，并 介绍了即将发布的蓝牙标准v 1 2 。 论文共分六章，各章的安排如下： 第一章介绍课题背景和国际国内研究现状，并介绍全文的主要内容和各章安排。 第二章从总体上对蓝牙标准作了综述性的介绍，包括蓝牙标准v 1 1 的特点、蓝牙 应用模型等。并在介绍通用接入应用模型、服务发现应用模型和串口应用模型的基础上， 详细分析了蓝牙免提应用模型。 第三章着重介绍基于p cw i n d o w s 2 0 0 0 操作系统的蓝牙车载免提终端的设计与研 制，包括免提终端的实现功能、总体工作流程，免提终端及其语音网关的软硬件结构设 计与实现，以及a t 指令的交互与解析等。 第四章对嵌入式蓝牙车载免提终端进行了总体方案设计，选用u c l i n u x 操作系统作 为嵌入式开发的软件平台，选用m o t o r o l a 的m c f 5 2 7 2 微处理器作为主要硬件平台。着 重介绍免提终端的硬件方案设计、软件方案设计和人机界面( m m i ) 设计。 第五章在嵌入式蓝牙车载免提终端总体方案设计的基础上，着重介绍嵌入式系统各 个软件模块的具体实现，包括核心驱动模块、蓝牙协议栈移植、l c d 应用模块等，详 东南大学硕士学位论文 细介绍了在m c f 5 2 7 2 微处理器平台上的键盘电路驱动程序开发。 第六章介绍了无线个域网的应用展望。针对当前阻碍蓝牙技术普及的几个因素，分 析了蓝牙技术的发展趋势。并对无线个域网在家域范围和室外空间的应用作了展望，介 绍了本课题组在这些领域的研究动态。 一 茎三主堇! 堑堡量垒墨生旦堡型 一 _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 第二章蓝牙标准与免提应用模型 本章先从总体上对蓝牙标准作综述性介绍，包括蓝牙标准v 1 1 的性能特点、蓝牙 应用模型等。然后在介绍通用接入应用模型、服务发现应用模型和串口应用模型的基础 上，详细分析蓝牙免提应用模型v o 9 6 。 2 1 蓝牙标准v 1 1 的特点 v 1 1 是目前蓝牙s i g 公布的最高版蓝牙标准版本。该版标准主要具备以下8 个方面 的特点鸭 射频特性 蓝牙设备工作在2 4 g h z 的工科医( i s m ，i n d u s t r i a l 。s c i e n c ea n dm e d i c i n e ) 频段， 使用7 9 2 3 个频道，间隔均为1 m h z ；采用时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 方 式；调制方式为b t = 0 5 的g f s k ；最大发射功率分为三个等级：1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) 、 2 5 r o w ( 4 d b m ) 、l m w ( 0 d b m ) ，在4 - 2 0 d b m 范围内要求采用功率控制。可见蓝牙考虑的 最大通信距离大约为1 0 1 0 0 米。 提供的服务 蓝牙支持6 4 k b s 的实时语音传输和各种速率的数据传输。语音和数据可单独或同 时传输。当仅传输语音时，蓝牙设备最多可同时支持3 路全双工的话音通信：当语音和 数据同时传输或仅传输数据时，支持4 3 3 9 k b s 的对称全双工通信，或7 2 3 2 k b s 、5 7 6 k b s 的非对称双工通信。采用c r c 、f e c 及h g q 机制以提高通信的可靠性。 组网特性 各种蓝牙设备可以迅速组网是蓝牙技术的重要特点之。在任意一个有效通信范围 内，所有蓝牙设备的地位都是平等的。首先提出通信要求的设备称为主设备，接受通信 请求的设备称为从设备。一个主设备和一个以上的从设备构成的网络称为蓝牙微微网 ( p i c o n e t ) 。一个微微网中可同时最多支持8 个处于激活状态的设备，即1 个主设备和 7 个从设备。如果两个或更多个微微网之间存在着设备间的通信，则构成了蓝牙分散网 ( s c a t t e m e t ) 。所以，蓝牙网络是典型的a d h o e 网络。 全球范围内的工作 蓝牙的基本出发点是可使其设备能够在全球范围内应用于任意的小范围通信。任一 带有射频发射功能的蓝牙设备，都可根据i e e e8 0 2 标准得到一个唯一的4 8 b i t 的公开 查鱼垄堂塑主兰堡垒查 的地址码，可以通过人工或自动查询得到工作范围内其它蓝牙设备的地址码。以该地址 码为基础，使用一些性能良好的算法可以获得各种保密和安全码，从而保证通信过程中 设备的鉴权与通信的安全保密。 时分多址 到1 1 版本，蓝牙的基带符号速率仍为1 m b s ，采用数据包的形式按时隙传送，每 时隙o 6 2 5us 。 蓝牙使用时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术提供点对点和点 对多点的无线连接，构成前述的微微网和散布网。它支持实时的同步定向连接和非实时 的异步非定向连接，分别称为s c o 链路( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n o r i e n t e d l i n k ) 和a c l 链路( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s sl i n k ) ，前者主要传送话音等实时性强的信息，后 者则以传输数据为主。 跳频技术 跳频是蓝牙使用的关键技术之一。蓝牙在正常通信时，单时隙包的跳频速率为1 6 0 0 跳，秒，对于多时隙包时跳频速率有所下降。在建链时( 包括查询、寻呼及对应的响应) ， 则提高为3 2 0 0 跳秒。如此高的跳频速率和跳频点的随机性，使用蓝牙系统具有足够高 的抗干扰潜力和多址能力。 协议层次 与许多通信系统一样，蓝牙的通信协议采用层次结构，其底层为各类应用所通用， 高层则视具体应用而有所不同。从功能上可以将整个蓝牙协议体系分成五大类： 蓝牙核心协议：b a s e b a n d 、l m p 、l 2 c a p 、s d p 电缆替代协议：r f c o m m 电话控制协议：t c sb i n a r y 、a t 指令集 其它适配协议：p p p 、t c p a j d p i p 、o b e x 、w a p 、w a e 、v c a r d v c a l e n d a r 主机控制器接口：h c i ( 其作用是为接入基带控制器、链路管理器以及访问硬件 状态和控制寄存器提供一个统一的命令接口) 对于大多数的蓝牙应用来说，蓝牙核心协议以及射频部分都是必需的，而其它的协 议需根据具体的应用需求来定。图2 1 为蓝牙协议体系示意图。本实验室成功研制了符 合蓝牙标准v 1 1 核心规范的蓝牙协议栈，包括h c i 、l 2 c a p 、s d p 、r f c o m m 、t c s 。 该协议栈为蓝牙应用产品的研制提供了很好的软件支持。 图2 1 蓝牙协议体系 不足之处 标准1 1 并没有干扰躲避机制，跳频的抗干扰能力和潜力尚未发挥出来；1 m b s 的 速率在多媒体应用中有较低之嫌；硬件兼容性和软件安全性还有待解决。这些问题已引 起各方面的重视，相信在蓝牙标准的后续版本以及8 0 2 1 5 中会有所改进。 2 2 蓝牙应用模型 蓝牙标准分为三部分：核心部分( c o m ) 、应用模型( p r o f i l e ) 和测试协议( t e s t s p e c i f i c a t i o n ) 部分，其中，应用模型明确了为实现某一种应用必须满足的规定，以保 查查查兰塑主兰垒笙圣 一 - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ _ - _ _ 证互通性和兼容性。如果一个蓝牙产品的制造商申明其产品符合某个应用模型或者几个 应用模型，则必须支持模型中所规定的必备功能( 过程命令) 。 蓝牙标准中定义的应用模型1 5 1 基本上涵盖了蓝牙技术的主要应用场合，包括通用接 入应用模型、服务发现应用模型、无绳电话应用模型、对讲系统应用模型、串口应用模 型、耳机应用模型、拨号网络应用模型、传真应用模型、局域网接入应用模型、通用对 象交换应用模型、对象推出应用模型、文件传送应用模型、同步应用模型、高质量音频 和视频无线传输应用模型、免提应用模型、基本静态图像应用模型等。需要注意的是， 上述模型与实际的应用之间并不一定是一一对应的关系，这些模型中有一定的依赖关 系。 通用接入应用模型定义了有关蓝牙设备发现的一般过程( 空闲模式过程) 、有关蓝 牙设备链路管理情况( 连接模式过程) 和安全级别相关流程。此外，该模型中还包括了 在用户界面层次上可以使用的参数的一般格式要求。 服务发现应用模型中定义的特性及过程，则可以使蓝牙设备发现另一蓝牙设备已登 记的服务，并返回与这些服务相关的有效信息。 l 上述两个应用模型是所有蓝牙应用的基础，任何蓝牙应用都必须符合这两个应用模 型的相关规定。蓝牙免提应用模型除需要扮合通用接入应用模型和服务发现应用模型之 外，还需要符合串口应用模型。因此，下橱就简单介绍免提应用模型所依赖的三个应用 模型。 2 2 1 通用接入应用模型分析 所有蓝牙设备必须遵守通用接入应用模型以确保基本的互通性和兼容性；具备其它 应用模型的蓝牙设备可以使用由那个模型指定的基本过程的改进版。但是，它们必须在 基本过程方面与遵守本模型的设备兼容。 为保证互操作性，蓝牙设备通常具有阻下参数：设备名称( 可长达2 4 8 字节，但一 般不超过4 0 字节，对于蜂窝电话一般仅使用前2 0 个字符) ；口令( p i n ，在一对蓝牙设 备还没有通过交换链路密钥的方式建立信任关系前，p i n 用于对这两个设备进行鉴权操 作) ：设备类型( 该参数提供该设备的类别以及所提供的服务类别的信息) 。 鉴权过程包括两种：如果存在链路密钥，则为l m p 层的一般身份验证过程，否则 为l m p 层的配对( p a i r i n g ) 过程，该过程亦称为“蓝牙身份验证”。 蓝牙设各有以下几个安全模式等级： l 苎三主垄墨堡垒鱼垒墨生旦垄型 一 j _ _ _ - _ _ _ _ _ 一一 安全模式1 ：非安全模式。当一蓝牙设备处于该安全模式时，它不得发起任何安 全过程； 安全模式2 ：服务级别安全模式。当一蓝牙设备处于该安全模式时，它只有在收 到l 2 c a p 信道建立请求或发出l 2 c a p 信道建立请求后才能进行安全过程； 安全模式3 ：链路级别安全模式。当一蓝牙设备处于该安全模式时，它必须在送 出消息l m pl i n ks e t u p _ c o m p l e t e 之间开始安全过程，处于该安全模式的设备可以拒绝 主机的连接请求。 身份验证与安全模式的关系是：如果蓝牙设备仅支持安全模式1 ，那么对身份验证 的支持是可选的，否则是必须的。 空闲模式过程有以下参数： 一般查询( i n q u i r y ) ：向发起者提供一般可发现蓝牙设备的设备的设备地址、时 钟、设备类型以及使用的寻呼扫描模式( p a g e s c a nm o d e ) 。 受限查询：向发起者提供受限可发现蓝牙设备的设备的设备地址、时钟、设备类 型以及使用的寻呼扫描模式。 设备名称发现：向发起者提供可连接设备的设备名称。在名称发现过程，发起者 需要使用远程可连接设备的设备类型。 设备发现：该过程的目的是向发起者提供可发现蓝牙设备的设备地址、时钟、设 备类型、使用的寻呼扫描模式。 绑定：其目的是通过一个共用的链路密钥在一对设备之间建立信任关系。 上述5 个参数中，查询( 一般查询或受限查询) 过程和设备发现过程必须满足。 连接模式过程有以下参数： 发现模式：对于查询过程，蓝牙设备必须处于可发现或不可发现状态中的一种。 可发现状态又分为受限可发现状态和一般可发现状态。 连接模式：对于寻呼过程，蓝牙设备必须处于可连接状态或不可连接状态的一种。 配对模式：配对用于相互验证两个尚未交换密钥的蓝牙设备，并且在他们之间建 立信任关系。蓝牙设备必须处于可配对或不可配对状态的一种。 上述3 个参数中，可连接状态是通用接入应用模型规定必须支持的，其它状态可选。 2 2 2 服务发现应用模型分析 服务发现应用模型的目的是，告知本地设备的用户，该设备能从远程设备得到什么 东南大学硕士学位论文 服务。该应用模型定义了下列角色：本地设备( 发起服务发现过程的一方，因此本地设 备包含用户用来发起搜索并显示搜索结果的服务发现应用) ；远程设备( 在服务搜索过 程中响应由本地设备发出的服务请求的所有设备) 。一个设备的本地或远程属性并不是 永久的也不是唯一的。一个设备可以同时作为某种服务发现操作的本地设备和另一服务 发现操作的远程设备。 服务发现应用模型允许对己连接设备进行服务查询，因此并不要求本地设备始终为 主设备，同样远程设备并不一定为从设备。该模型不需要验证和加密过程，但如果有设 备用到了这些过程，那么服务搜索只在通过验证和加密的设备之间进行。换言之，任何 服务发现操作的安全限制都遵从已存在于蓝牙链路上的安全限制。 2 2 3 串口应用模型分析 该模型基于通用接入应用模型，定义了如何通过r f c o m m 来仿真串行电缆。 r f c o m m 是一个简单的传输协议，它用于在一对设备间仿真串行口。每一个r f c o m m 会话都建立在一个l 2 c a p 信道上。传统的串口应用通过虚拟串口就如同在真正的串口 上工作一样。一台设备作为发起者与另一台设备进行连接操作，当发起者开始连接过程 时，需要进行服务发现过程。 在本模型中对于设备的主从配置没有规定，双方完全是对等的。 2 3 蓝牙免提应用模型 蓝牙s i g 于2 0 0 1 年1 2 月公布了免提应用模型v o 9 6 规范【6 】o 该应用模型与其它应 用模型之间的层次关系如图2 2 所示。 如2 2 节所述，免提应用模型是建立在通用接入应用模型、服务发现应用模型和串 口应用模型之上的。无论是直接还是间接地建立在其它应用模型之上，都需要遵循这些 应用模型的互操作性要求。蓝牙免提应用模型定义了以下两个功能单元： 语音网关( a g ，a u d i og a t e w a y ) ：充当语音网关角色的典型设备是蜂窝电话，它既 要处理免提终端往外部网络( 目前为g s m 网络) 的电话呼出，同时也要处理来自外部 网络的电话呼入。 免提终端( h f ，h a n d s f r e eu n i t ) ：免提终端充当着语音网关的远端语音输入输出设 备，也提供一些远程控制的方式。 第二章蓝牙标准与免提应用模型 图2 ，2 免提应用模型与其它蓝牙应用模型 2 3 。1 应用场景 图2 , 3 示意了免提终端的应用场景：嵌入式免提终端设备安装在汽车上，支持蓝牙 免提应用模型的手机充当语音网关。通过语音网关，免提设备可以访问蜂窝网，实现远 程拨打和接昕电话的功能，从而提高车辆行驶过程中的安全性。 圈2 3 蓝牙免提应用场景 2 3 2 功能特性 蓝牙免提应用模型定义了该模型所提供的所有主要功能，免提控制实体是实现这些 功能所应满足的互操作性要求以及应用层的必要操作。 东南大学硕士学位论文 1 、连接管理：s l c ( s e r v i c el e v e lc o n n e c t i o n ) 的建立以及相应的低层连接管理。 2 、话务状态信息：包括服务注册信息和通信状态。服务注册信息指示a g 能否使 用蜂窝网的服务；通话状态指示a g 是否处于通话中，是否有电话呼入等。a g 向h f 报告话务状态信息，h f 应能正确处理a g 关于话务状态的报告，及时更新h f 端的状 态。 3 、语音连接处理：语音连接的建立和拆除。 4 、接听呼入电话：当a g 被呼叫时，可以从a g 或h f 接听来电。如果从h f 接听， 要求h f 和a g 之间已经建立了语音连接。 5 、拒绝呼入电话：当a g 被呼叫时，可以拒绝接听呼入电话。 6 、结束通话：在通话过程中，结束本次通话。 7 、通话时语音连接切换：在通话过程中，i - i f 和a g 都可以发起“语音连接建立” 过程。 8 、h f 端拨号发起呼叫：h f 能够作为主叫，发起对蜂窝网的语音呼叫。 9 、以存储拨号的方式发起呼叫：h f 能根据a g 的电话本记录对蜂窝网发起语音呼 叫。 1 0 、重拨最后次呼叫：h f 能重拨最近一次拨打的电话号码。 1 1 、呼叫等待通知：如果支持三方通话功能，当通话进行中有第三方呼入时，能够 提供呼叫等待提示。 1 2 、三方通话：通过a g 的通话保持功能达到在三方进行通话切换的能力。 1 3 、来电显示：能够提供主叫用户号码。 1 4 、回波抵消和噪音抑制：h f 能打开和关闭a g 的回波抵消和噪音抑制。 1 5 、语音识别：对电话本中的记录加入语音识别信息。 1 6 、语音拨号：通过语音进行拨号。 1 7 、传输双音多频信号：在通话过程中，发送双音多频信号。 1 8 、远端音量控制：a g 对h f 的麦克风和扬声器的音量控制。 上述1 8 项功能有必须和可选之分，具体见表2 1 。 2 3 3 应用协议分析 免提应用协议栈如图2 4 所示。基带、l m p 和l 2 c a p 是蓝牙协议中对应o s i 的第 一、二层；r f c o m m 是串口仿真实体；s d p 是服务发现协议；免提控制实体负责免提 第二章蓝牙标准与免提应用模型 设备控制信令的处理，这些信令是基于a t 指令的；语音端口仿真层实现a g 的语音端 口仿真；语音驱动程序指免提设备上的驱动软件。 表2 1免提终端和语音网关的功能特性列表 功能特性i - i f 端 a g 端 1 连接管理必须 必须 2 话务状态信息 必须必须 3 语音连接处理必须必须 4 接昕呼入电话必须可选 5 拒绝呼入电话 必须必须 6 结柬通话必须必须 7 通话时语音连接切换必须 必须 8 h f 端拨号发起呼叫 可选必须 9 以存储拨号的方式发起呼叫可选 必须 1 0 重拨最后一次呼叫可选必须 1 1 呼叫等待通知 可选必须 1 2 三方通话可选可选 1 3 来电显示可选 必须 1 4 回波抵消和噪音抑制可选 可选 1 5语音识别可选可选 1 6 语音拨号可选可选 1 7 传输双音多频信号可选 必须 1 8 远端音量控制可选必须 a g 端 图9 4 蓝牙免提应用协议栈 实际上，免提控制实体还能直接访问底层的一些操作，如s c o 链路等。 a t 指令由i - i f 发送给a g ，a g 在解析这些指令后将通过蓝牙串口连接将响应传给 一查塑查兰堡主堂壁丝圭一 _ _ _ _ _ _ _ w h - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ h f 。这是h f 与a t 的主要交互方式。 2 3 3 1 参数配置 总结免提应用模型v o 9 6 中描述的与通用接入应用模型相关的参数配置，包括空闲 模式过程、连接模式过程和安全级别，如表2 2 所示。由该表可知： 表2 2 免提应用中有关通用接入模型的参数配置 过程h f 端a g 端 安全模式3 种模式任选 一般查询可选必须 受限查询不支持可选 设备名称发现可选 设备发现必须可选 绑定 可选 一般可发现模式 必须 可选 可连接模式必须 可配对模式可选 1 、查询发现过程总是由a g 发起的，a g 必须采用一般查询过程，h f 必须采用一 般可发现模式。h f 不主动发起查询，即h f 不可能处于查询状态，a g 也不会进入查询 扫描状态。 2 、当h f 可发起般查询过程时，a g 和h f 都可以发起寻呼过程，即连接过程没 有固定的主从关系。 3 、安全模式的选择取决于应用的需要。如果需要鉴权和加密，那么就需要输入p i n 码，或将p i n 固定存储在设备中。 2 3 3 2 协议规定的卢汀指令和结果码格式 a t 指令和结果码( r e s u l tc o d e ) 的格式如下所示， 表示回车符( 其a s c i i 值为 1 3 ) ， 表示换行符( 其a s c i i 值为1 0 ) ： 1 、从h f 发送到a g 的a t 指令： 2 、a g 发送到h f 的o k 结果码： o k 3 、a g 发送到h f 的e r r o r 结果码： 第二章蓝牙标准与免提应用模型 l 肛e r r o r 4 、a g 发送到h f 的其它结果码： l 侈 n n n ；、a t + c c w a 、 a t + c h l d 、a t + c h u p 、a t + c i n d 、a t + c l i p 、a t + c m e r 、a = 1 1 + v t s 、a t + b l d n 、a t + v g s 等。a g 发送给h f 的结果码有：o k 、e r r o r 、r i n g 、+ c c w a 、+ c l i p 、+ c i e v 等。 在h f 与a g 之间发送的所有a t 指令和结果码都符合上述格式要求。 2 4 小结 本章在介绍蓝牙标准v 1 1 的特点之后，着重分析了应用于车域范围内的蓝牙免提 应用模型，包括功能特性、应用协议、与通用接入应用模型相关的参数配置、a t 指令 和结果码格式等。需要说明的是，由于服务发现应用模型和串口应用模型在蓝牙免提应 用模型中没有任何变化，所以这里不作介绍，具体内容请见参考文献 6 】。另外，蓝牙 s i g 于今年4 月公布了蓝牙免提应用模型v 1 0 规范。v 0 9 6 与v 1 0 有两个区别：v 1 0 增加了一个蓝牙专用a t 指令：a t + b r s f ，该指令在建立s l c 过程中发送，而v o 9 6 没有该指令。v 1 0 规定a g 必须支持绑定过程，而在v o 9 6 中绑定过程是可选的。论 文介绍的免提终端符合v 0 9 6 规范。 苎三主垄王! 塑堕! 墨墨堡苎箜堡塑 一 第三章基于p c 的蓝牙免提终端的研制 本章着重介绍基于p cw i n d o w s 2 0 0 0 操作系统的蓝牙免提终端及其语音网关的设计 与实现，包括总体工作流程、终端和网关的软硬件模块、网关串口通信模块、h f 控制 实体模块、a t 指令和结果码的交互与解析等。 3 1 概述 3 1 1 实现的功能特性 研制的免提终端具有蓝牙免提应用模型中规定的所有必须以及部分可选的功能特 性，表3 1 给出功能清单，并标注了“必须”、“可选”以便于对照。需要指出的是，h f 关于第9 个功能特性是可选，由于研制时间较紧，所以a g 端也未实现该功能。 表3 1 实现的免提应用模型功能特性( 表示实现，表示未实现) 功能特性h f 端a g 端 l连接管理( 必须) ( 必须) 2话务状态信息( 必须)( 必须) 3语音连接处理4 ( 必须)( 必须) 4 接昕呼入电话4 ( 必须)( 必须) 5 拒绝呼入电话( 必须)( 可选) 6 结束通话4 ( 必须) 必须) 7 通话时语音连接切换 ，( 必须)( 必须) 8 h f 端拨号发起呼叫( 可选)( 必须) 9 以存储拨号的方式发起呼叫( 可选)( 必须) l o 重拨最后一次呼叫( 可选