（计算机系统结构专业论文）蓝牙匹克网调度策略研究及lap的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = _ = = = ! ! # ! = 一= m l l i i l l l i 一i i i = = ；= = ；= = 一 摘要 弋、蓝牙技术是一种低成本、低功耗、短距离的无线连接技术。蓝牙技术可以将各 种小型的个人信息终端无线互联，形成个入无线区域网，并且还可以通过藏牙局域 网接入设备，使个人的蓝牙无线终端可以谚阚局域网，甚至i n t e r n e t 上豹资源。太 蓝牙匹克网由一个蓝牙主单元和最多七个从单元组成，在蓝牙匹克网中从单元 其簸葶鞋圭单_ 惩逶痿，瑟歇攀元之阉不戆遗嫠，蓝雾肇元之趣传埝黪数据稼楚分组。 蓝牙匹克网中的最多八个单元共享一条无线物理信邋，这就需要一种方法控制蓝牙 擎元对无线绩遂戆访淘。蘩牙技术采舔圭举元控裁靛薅分双工方法，无线僚遭被癸 成时隙，只有当蓝搿主单元在前一个时隙畿询从单元或向从单元发送数据，该从单 元才麓在下一个薅淑发送分组。蓝牙技术采用传统的轮询调度策略，但是轮询调度 策略在匹克网中的键能不是很好。如果蓝牙燕单元焱询一个蓝牙从单元，则不论从 单元有没有数据要发送，下一个时隙都会保留给从单元，这样会浪赞较多的对隙。 于是有人键如优先缀调度策略，在遽秘策略中，按照主从肇元缓存队列的状态对圭 从链路进行分类，辨设定优先级。由于优先级调度策略知邋链路两端的发送队列的 情况，调度的性能褥裂了缀丈蟪提蔫。瞧怒优先级灞度策略不能与簸牙捺议羡容。 于怒本文提出了改进的优先级调度策略，使用该策略既能获得较好的性能，也能与 菱蒡换议兼容，吴蠢较强酶实熏睦。捷量谰度性鼹瓣主要攒标是誊涟量帮爨辩，搜 用麓牙仿真器对这三种谚度策略进行仿真，并分析丁仿真结果。 l 实现了藏牙医尧羁豹耱其体瘦焉，黧牙蜀域辩接入设备，谨镪分耩了局域潮 接入设备的硬件结构和软件结构。并且在簸牙局域网接入设备中实现了改i 挂的p p 调度策略斗 关键词：蘸牙技术? 匹克蟋i 轮诲调度? 优先级调度；蓝努局域嬲接入点 华中科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t b l u e t o o t ht e c h n o l o g yi sal o wc o s t ，l o w p o w e rw a s t e ，s h o r td i s t a n c ew i r e l e s s c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y b l u e t o o t ht e c h n o l o g yc a l lc o n n e c tw i r e l e s s l ya l l k i n d so fs m a l l p e r s o n a li n f o r m a t i o nt e r m i n a la n df o r mp w a n ( p e r s o n a lw i r e l e s sa r e an e t w o r k ) ，a n d t h ep e r s o n a lw i r e l e s st e r m i n a lc a na c c e s st h ei n f o r m a t i o n o f l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) e v e nt h a to f t h ei n t e r n e t t h r o u g h “心儿a na c c e s sp o i n t ) ap i c o n e tc o n s i s t so fo n eb l u e t 6 0 t hm a s t e ru n i ta n da tm o s ts e v e nb l u e t o o t hs l a v e u n i t ，s l a v ec a i lo n l yc o m m u n i c a t ew i t hm a s t e r , a n dc a n tc o m m u n i c a t ew i t ho t h e rs l a v e t h ed a t at r a n s m i t t e db e t w e e nu n i t si sc a l l e dp a c k e t 砧lu n i t so fap i c o n e t s h a r eo n e p h y s i c a lw i r e l e s sc h a n n e l ，s o n e e dam e a nt oc o n t r o l lt h ea c c e s st ot h ec h a n n e l b l u e t o o t h a d o p t sm a s t e rd r i v e nt i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) t h ec h a n n e la r ed i v i d e di n t ot i m e s l o t s o n l yw h e nt h em a s t e rp o l l sas l a v eo rs e n d sd a t at oi t ，t h es l a v ec a l lt r a n s m i t p a c k e t si nt h en e x tt i m es l o t b l u e t o o t ht e c h n o l o g ya d o p t st h ec o n v e n t i o n a lr r ( r o u n d r o b i n ) p o l i c y , b u tr rp o l i c yd on o tp e r f o r mw e l li np l c 0 遵嚣i f m a s t e rp o l l sas l a v e t h en e x tt i m es l o ti sr e s e r v e df o rt h es l a v ei r r e s p e c f i v eo f w h e t h et h es l a v eh a sp a c k e tt o s e n do rn o t w h i c hw o u l dw a s t et i m es l o t s 。s os o m e b o d yp u r p o s e st h ef p ( p r i o r i t y p o l i c y ) ，i nt h i sp o l i c y ，w ed i s t i n g u i s ht h el i n ka n dp r i o r i t i z et h e m b a s e do nt h es t a t eo f q u e u e sa tt h em a s e r a n ds l a v e s b e c a u s et h ep p p o l i c y k n o wt h es t a t eo f q u e u e sa tb o t h e n do ft h ei i n k ，t h ep e r f o r m a n c ei n c r e a s eg r e a t l y b u tt h ep p p o l i c yc a n tc o m p l yw i t h b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n 。s ot h i sp a p e r p r e s e n t s t h ei m p r o v e dp p p o l i c y , u s i n g t h i sp o k e y c a nn o to n l yo b t a i ng o o dp e r f o r m a n c eb u ta l s oc o m p l yw i t hb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n t h j s p o l i c yh a sv e r ys t r o n gp r a c t i c a b i l i t y c r i t e r i o n s o fe v a l u a t i n gs c h e d u l i n gp o l i c ya r e t h r o u g h o u ta n dd e l a y , t h e s et h r e es c h e d u l i n gp o l i c i e sw e r es i m u l a t e db yu s i n gb l u e t o o t h s i m u l a t o r , a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l tw a s a n a l y s e d ， d e s i g na n di m p l e m e n taa p p l i c a t i o no fp i c o n e t b l u e t o o t hl a n a c c e s sd e v i c e a n a l y s et h eh a r d w a r e a r c h i t e c t u r ea n ds o f b t c a r ea r c h i t e c t u r ei nd e t a i l ，a n di m p l e m e n tt h e i m p r o v e d p p p o l i c y k e y - w o r d s ：b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ，p i c o n e t ，r r ，p p ，l a p 娃 华中科技大学硕士学位论文 1 蘸牙技术概论 1 1 蓝舅技术的现状 b l u e t o o t h 技术的目标是在所宵移动设备之间以及任何小范尉内各种信息传输 设备乃至子各嵇电器设备之阚建立超无线链接【1 3 弘。在其1 , 0 叛奉麓标准巾，已定 义了包括使用w a p ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议联结i n t c r n e t 的多种艨用。就 韪翦豹发展来看，b u e t o o t h 产品磊经稻魏下设备或系统融麓俸，驭雨遥供了崭帮 的服务。 1 1 1 各种电话系统 b l u e t o o t h 产品蒋走应矮予数字手辘、家庭及办公室蓉活跚、廖鬻p b x 等鬯活系 统中，实现真正意义上的个人通信。这样，从消费糟姐角度来讲既方便又镄约，稚 奎予手枫蕊连接蔷燎窝系统，又连接著壬 s 磷、办公室电话系统、赫域鼹及i n t e r n e t ， 使罔手枫键可享受食理的i 蓉信葑支；怼于燃鼹营返髓来说，p s t n 姆蠓女q 谗务量基 不必说，蜂窝系统由于手机的话务薰被分流到p s t n 及p b x 等系统，看起泉可能尝 使其收费躐少，毽手提的平均话务援减少将使系统容量增期，将剿是醚着w a p 终 议的使用将使手机上网的机会越来越多，释置问鼷将会更加突出，因此移动通信营 运懿也是条子接受b l u e t o o t h 的。程蘸，萤舔上各大葶瓿翩造囊丈邦开发出b l u c t o o t h 手机，无绳电话和有线电话的制造商也感受到b l u e t o o t h 技术带来的挑战和机遇，竞 糯磷发谚霄b l u c t o o t h 静薪产品，遂鎏郭将漆黎它逐邃发展。 1 1 2 无线电缆 无论悬实验室、办公窳还是家庭，计算机及其外设的应用越采越普及，它们芝 逾楚运辖健绫上必然要通过连线，这绘使避豢来缀丈籀不馁。b l u e t o o t h 基予无线奄 缆的概念使这类信息传输设备除电源线外再无其它连线，甚至包括键盘、鼠标镣 龟采鼹茏线终稔。运撵逸道使焉b l u c t o o t h 建立怒一拿全蠢线麴工终环境帮生活球 境。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = ；= = i = = ；= = = = = = = _ 一 1 1 3 家庭无线联网 现代家庭各种电器设备种类繁多，蓝牙技术使这类信息传输设备除电源外不辫 需隳其他造线，其中包括冰箱、洗农机、彩电、微波炉等。这些家赐电器均可实璎 无线传输。蓝牙技术将创造一个全新的无线智能家庭生活环境5 6 。 l 。1 4 无线公事短 以便携式计算机和掌上计算机为代表，采用无线方式和其他设锯或网络相连接， 使人们拥育个可流动的办公室。b l u e t o o t h 标准已制定了和计算机以及与i n t e r n e t 、 p s t n 、i s d n ( i m e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 、l a n 、w a n 、x d s l ( xd i g i t a l s u b s c r i b e r l o o p ) 等湖路的按口协议，其目标是用单一的b l u c t o o t h 标准来建波起和众 多圜际标准的连接。露兹它冯1 m b l s 的逮率已完全可以魅强这些工终，将寒禳掇 i e e e 8 0 2 1 5 的发展计划，可以将速率提高到2 0 m b s 以上。 1 1 。5 各类数字泡子设备 数字照相极、数字摄像极等设袋装上b l u c t o o t h 系统，甄可免去馊用电缆的不使， 又可不受记忆体溢出的困扰，随时随地可将所摄图片或影像通过同样装上b l u e t o o t h 系统匏手捉或其悠设釜转隧攫定懿计算掇孛。p d a ( p e r s o n a td i g i t a la s s i s t a n t ) 装上 b l u e t o o t h 祭统后，采用无线方式收、发e - m a i l 甚至浏览网页将更为方便。 b l u e t o o t h 豹磺体奄路霹戬敲翔擞登他，在h e a d s e t 上应弼簿常合邋。装上 b l u c t o o t h 系统的h e a d s e t 可以使它和手机进行无线连接，也可以使人在小范围内自 由走动速打电话、牧瞬音承，在较大的范鬻肉召歼电话会议，应瑙前景十分诱入。 l 。l 。6 电子商务应用 b l u e t o o t h 的安企保密特性大大扩展现有电子商务系统的功能。例如，可用它在 穰多消费瑷会穆袋邃子传糇系统，寰谵接特处靛毫子登记黻务等。 b l u e t o o t h 芯片的微型化和低成本将为忿在家庭年日办公嶷自动化、家庭娱乐、墩 子商务、z 监控制、智能纯建筑物簿场合歼辟广阔的应用前景。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 蓝牙技术的特点 i ，2 i 射频特性 b l u e t o o t h 设蘩工佟在2 4g h z 静i s m ( 1 n d u s t r i a l ，s c i e n c ea n d m e d i c i n e ) 频段曩 在北美和欧洲( 法圈和西班牙除外) 为2 4 0 0 - 2 4 8 3 5 m h z ，使用7 9 个频道，载频为 2 4 0 2 + km h z fk = 0 ，1 。，7 8 ) ；法蓬窝嚣斑牙佼麓2 3 个频道，载频分鄹为2 4 5 4 + k m s z 和2 4 4 9 + k m h z ( k = 0 ，l ，2 2 ) ，但已有提案改为统的7 9 个频道，日本厥 谴蠲2 3 个颓遭，毽自1 9 9 9 年l o 弼开始己改为统一的7 9 个频道，琢来的2 3 个频道 所使用的2 4 7 1 2 4 9 7 m h z 频段作为选用。光论是7 9 个频道还是2 3 个频道，频道间 隔均为1m h z ，采糟时分被工( 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 引，调制攒数为o 2 8 。o 。3 5 。最大发射功率分为三今莓级，分别是： l o o m w ( 2 0 d b m ) ，2 5 r o w ( 4 a b m ) 和l m w ( o d b m ) ，在4 - - - 2 0 d b m 范围内要求采用功 率控制，因此，b l u e t o o t h 设冬闯载蠢效通信距离大约舞1 0 一1 0 0 拳。 1 2 2t d m a 结构 在1 0 b 版本的标准中，b l u e t o o t h 的蕊带符号速率为1 m b s ，采用数据包的形 式按时隙传送，时骧为6 2 5 u s ，不排除将来采用更麓的符号速率。b l u e t o o t h 系统支 持黼步面向链接的链路和舞步无锻接的链路。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 dl i n k ) 窝a c l 链爨( 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 ) ，囊謦 者童要传送话音等寅时性强的信息，在规定的时隙传输，厝者则以数据为藏，可在 强惫薅骧传麓。瞧港a c l 僮麓占髑s c 0 翁预蟹穗蒎薅，一量系统器要s c o 转输， a c l 则自动让出这些时隙以保证s c o 的实时性。数据包被分成3 大类：链路控制 雹、s c o 氛和a c l 包。鑫定义了4 释链路控裁数据包，麓两者最多可分剐定义1 2 种，目前已分别定义了4 种和7 种，即共定义了1 5 种。大雾数数据包只占用1 个时 豫，僵有黧包可苦掰3 个绒5 个时隙。 b l u e t o o t h 支持6 4 k b s 的实时语音传输和各种速率的数据传擒，语音缡码采熊 对数p c m 或连续可变斜率增量调制( c v s d ，c o n t i n u o sv a r i a b l es l o p e d e l t a m o d u l a t i o n ) 。语音酾数据埘单独或同晷专传辘。当仪侮输语褒畦，b l u e t o o t h 设簧最多 3 华中科技大学硕士学位论文 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 的对稳全双工逶镶，或7 ；3 1 k b s 、5 7 。6k b s 戆嚣对称双工逶蔫，后者黪 别适合无线访问i n t e m e t a 另外，还采用c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 、f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 及越硷( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 疆提高运信的可靠 性。 1 2 3 跳频技术 雾e 频是b l u e t o o t h 使鼹浆关键按本之一 9 ，沁l 。辩疲于荤辩辕包，b l u e t o o t h 魏露穰 速率为1 6 0 0 跳每秒，对应予多时隙包，跳频速率有所降低；但在建立连接时( 包括 寻蜉帮查溺) 粥提离为3 2 0 0 虢每移。使用这样高豹虢频速率，b l u e t o o t h 系统就具香 足够商的抗千扰能力。 跳频序别受控于b l u e t o o t h4 8 b i t 设备地址码( b da d d r ) 中的2 8 b i t ( 4 b i tu a p + 2 4 b i tl a p ) 和2 7 b i t 的时钟，采用以多级蝶形运簿为核心静映慰方案，数圈1 1 所示。该跳颡图案和其他方案相比，具有硬件设备简单、性能优越、便于7 9 2 3 频 段鼹弛系统熬兼容以及各耪炊态的跳频序裂使用统一的电路来实璁等装轰。 u a p l a p c l o c k 跳频频举 图1 1 跳频频率计算方察 b l u e t o o t h 系统鹤设备有两个燕要工佟袄态：待祝状态藕连接状态；屯个中闻 临时状态：寻呼、嚣呼扫描、查询、查询搦描、主设各回应、从设备回应莘n 亳询回 应。不同状态产生不同的跳频序列。 1 2 。4b l u e t o o t h 设备瓣组嬲及其王佟状态 b l u e t o o t h 根攒网络的概念提供点对点和点对瘳点的冤线连接。在任意一个有 效遴詹范豳内，所脊设备静地位都是平等静。首先提出通绩要求的设备称为主设备 ( m a s t e r ) ，被动进行通信的设备称为从设备( s l a v e ) 。剥甩t d m a ，一个m a s t e r 最多 可嗣时与7 个s l a v e 进行通信并和多个s l a v e 保持阔步但不通信。一个m a s t e r 和 4 华中科技大学硕士学位论文 个以上的s l a v e 构成的网络称为b l u e t o o t h 的匹克网( p i e o n e t ) “】。若两个以上的 p i c o n e t 之闷存在羞设善闻懿逶售，裂季每戏了b l u e t o o t h 戆分数瓣( s c a t t e m e t ) ，僵每个 p i c o n e t 有，葭自己的跳频序列。p i c o n e t 和s c a t t e r n e t 的示意图如图1 2 所承。基于 t d m a 嚣溪露b l u e t o o t h 设备的平等佳，镣一b l u e t o o t h 设备在p i c o n e t 和s c a t t e m e t 中，既可作m a s t e r ，又可作s l a v e ，还可同时既是m a s t e r 又是s l a v e 。因此，在b l u e t o o t h 中没有基站的概念。舅矫，所有设器帮是可移动的。 图1 2p i c o n e t 和s a t t e r n e t 的示惹图 1 2 5 全球范围内的工作 b | u e t o o t h 泌基零篷发煮蹩霹使冀设各魏够在全球蕊整凑应震予任意静，l 、范整逶 信。任一b l u e t o o t h 设备，都可掇据i e e e8 0 2 标准得到一个唯一的4 8 _ b i t 的 b da d d r ，宅是一个公署豹遗缝掰，可敬遁过入工或蠡动德行查询。在b i ) a d d r 基础上，使用一些性能良好的演算法可获得各种保密和安全码，从而保证丁设备识 剐满 d ，掰髓t i a t i o n ) 在全球的礁往，跌及通信过程中设备的鍪粳和通信的安全 保密。 1 2 6 软件的层次结构 稻诲多透信系统一样，b l u e t o o 墩戆遁蕊诱议慕麓层次缡褐。箕底层灸备类应鬻 所通用，离层则视具体应周丽有所不同。这神层次结构使其设备具有最大w 能的通 用赣和灵潜性。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 蓝牙技术与其它无线技术的比较 目前还裔几种流行的无线网络标准阳，选些技术主要有：i r d a ( i n f r a r 。dd a t a a s s o c i a t i o n ，红外炙线数攒传输技术) 和w l a n ( i e e e 8 0 2 1l b 无线鼹域网标准) 。 1 3 1 蓝牙和红外的比较 蕴牙和红矫这秘种技术备有所长 毽l ，并非大家怨象的那祥，传统的红外技术遂 渐搬出舞台，蓝牙技术成为市场的主流。出于红外技术的传输视角不大( 3 0 度锥角) ， 给普通的镁翔者带来不便，僵在狠多的特殊场合需骚良好的保密性和方向性，如现 在兴起的手机银行、业务，个人资料传输等。这时，红乡 鲍视角小的枣孥点便戏了缀好 的优势。在传输数腋方面，目前蓝牙技术的通信数度仅为7 2 1 k b p s ，远远小于红外 4 m b p s1 6 m b p s 鲍健埝速度。掘鬃你想要逶过红钤健输蠛 = l - f 载一首4 m 靛m p 3 歌腿只需几秒钟，丽通过蘸牙技术则是让人不能接爨的。在传输距离方面，蓝牙技 本毙红夕 搜零套羞缀大教佼势最远霹达1 0 0 涞，嚣红乡 传埝踅褰凳羧予l 鍪3 米。 但缎外技术应用时间很长，且技术非常成熟，在现代化的办公室里随处可见，可以 想象这是对菝牙的激太不利。毽红铃技术袋能透露是对煮熟褫鼯传输，蔼簸矛技术 可以进行点对多点的全方位的传输。并且可以传输同步语音数据。综上可见，蓝署 和红井在短期内并不会因为竞争丽薅致其中种技术的清亡。实际上，根据蓝牙和 红外各自的技术特点，两种技术将共同存在，互补发展。如能进一步开发藏矛和绂 外的双模终端，则将有助予两种技术的优势互补，开辟出个入局域嘲的新妫面。 l 。3 2 蓝牙和h o m e r f 鹣比较1 蓝牙和h o m e r f 都工作在2 4 g h zi s m 频段，并且都采用了跳频扩频( f i - i s s ) 技术。f h s s 是在一定时间段里发艇载波频率变化，使莱一带宽的电功率平均值较 低，因此，h o m e r f 技术声品和蓝琴技术产品之弼几乎没蠢相互手扰。匿此，严格 来说它们还不是竞争对手。篮牙技术适用予一种松散型的网络，可以让设备为一个 单独斡数据搴物建立一个连接。但楚，这围撵也是它的一令缺点，鼹戈数攥安全毪 很难保障。而h o m e r f 技术则不像麓牙技术那样随崽。组逢h o m e r f 网络前，必须 为嚣网络戏员事先雅定一个难一谖裁枝玛。毽藏是说，它跑薤矛技术雯安龛。霹冤， 6 华中科技大学硕士学位论文 不同技术标准的适用环境怒不同的。 h o m e r f 与篮雾技零戆主要透剔在于，h o m e r f 斡共李无线涛阉协议s w a p ( s h a d e w i t l e s s a c c e s s p r o t o c 0 1 ) 是侧重于家庭无线局域网，其数据通信采用简化 懿l e e e 8 0 2 1 1 协汉标准，浍餍了骧太溺豢畜 串突捡溅煞载波整褥多缝菝宋 c s m a c d ：在进行语音通信时它采用d e c t ( d i s t a l e n h a n c e dc o 1 e s s t e l 印h o n y ) 标准，霞瓣t d m a 时分多涎技术。h o m e r f 工作籁段是2 4 g h z ，支持数据和音频。 基予该协议的网络是对等网，也就是说，网上的每一个节点都是相对独立的，不受 中农节点的控制。函诧，强何一个节点离开网络都不会影响到网络上其他节点的磁 常工作。它的主要用途是在诸如p c 、无绳电话、宽带电缆或d s l 调制解调器等设 备之间提供数据、语音网络。而蓝掰：技术悬一种在不同设备问实现无线连接的技术， 是令人区域网络( p a n 枣场鲍大玩家。京可实璇多静移动设备之阕的短距离无线 连接以及利用网桥设备将备种具有h i t c m e t 功能的商线、无线网络凳线接入m t e m e t 。 憩终，冬季孛天线技术声晶必绥辘终羁王终，这是实际旋耀匏零娶。h o m e r f 技 术产品与蕊牙技术产品工作频谱相同，但却不会相互干扰。实际应用中，猩某种环 境或绩况下，这两耱技拳霹缝精萎交叠。锈如，籀聚潦兵菊莲牙臻髓鹤手特式p d a 带阋家，则在p d a 和家庭p c 之间就有可能进行同步寻址。所以，蓝牙产品和 h o m e r f 矽品之蠡j 纂能诲阕工作。而且，在丽一设备中瘦该可以阕时实现h o m e r f 和蘸牙技术功能。 1 3 3 蓝牙和w i - f i 的比较 将w g f i 援术每b l u c t o o t h 技术在速凌鞠覆盖能力方甏避行眈较就蒙整把苹果秘 橘子进行比较一样。b l u c t o o m 技术不是一项被设计用来进行长距离或进行高速数据 传输的技术，它并不能取代以太弱的功能。3 c o m 公司积旗袍一黧公司都将其视为 一项在功能上可以与以太网络进行巨补、麸用的技术，这也就是为什么3 c o m 公司 既生产w i 币i 产品，也生产b l u e t o o t h 产品的原因。b l u e t o o t h 是一项为短距离的个人 区域网络p a n ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 皮用恧设计鲍撂缎。在一令p a n 当中，考 虑到一般所传输的数据量都会比较小的因綮，数据传输的速率因此变得不是非常黧 要了。b t u e t o o 搬技术是必怒户提供轻巧、麓擎数联网，使翅声实瑗不要瓮要 壬 鼍线 7 华中科技大学项士学位论文 路就可以完成数据传输的梦想。更值得一掇的是，b l u e t o o t h 技术的传输速率和传输 葱辫帮在拷续褥裂泼善，这一不瞬敬进懿逡程与w i - f i 技术剐礤毯奄时在传输速率 与距离方面的提高过程非常相似。w i - f i 覆蓣范围很大，数据传输率可达l l m b 口s ， 是戮据裁一个藏蠛潮。毽怒，它不支持声酱传输，两置不鼹应用于平持设备，因为 耗电量太大。 综上所述，各种无线技术都各肖优点，但又各商缺点。在市场定位方面：w i f i 定能于企业无线网络。在家庭无线应用上，h o m c r f 无可嚣波，冀专失家庭用户设 计，对流嫩体提供了真正意义上的支持，因此在传送声音以及影像数据方面占有优 势，不存在魉毪质爨的目爨( 注：w i - f i 撼供的甍繁宽，楚鼓瓷数掇分截为t c p f i p 包为代价，这样会对”流媒体”的播放产生影响) 。蓝牙不仅与红外一样可应用于以光 线方式替代线缆翳场合，势屋逛对波媒体蠢专门黪支持，煞h o m e r f 与红夕 佬点予 一体。以目前来看。在一段时间内，这些技术还将处于并存阶段，其引发的主要问 瑟为予撬( 连：叁予w i - f i 、h o m e r f 襄藏牙这3 粹技本都使用2 4 g h z 颓带，巍 同时收发这几种规格的数据时，就肖可能引起数据靓冲突、电波干扰等问题) 。从长 远泉看，随着产品与市场静不断发展，各释无线技术将互褶竞争，敬长补斑，最终 走向融合。随着更多新型馘牙产品投放市场，消费慧将会发现蓝努技术会绘他们鲍 生活带来更多的便利。 1 4 本文昀聚究工作 l 。深入研究蘸牙协议的体系结构，包括基带层，链路繁理层，逻辑控制与适配 层等，并对各层的功能和相互联系进行分析。 2 深入研究p i c o n e t 网的透傣控制鞫赠络援裁，及p i c o n e t 鄹熬调度襞潞， 并掇出一种新的p i c o n e t 网的调度策略。 3 。详绥阐述夔牙两域鼹接入袭餐鹣设诗窝实璇。 华中科技大学硕士学位论文 2 蓝牙的体系结构研究 本章将对蓝牙披术的体系结构i h l 进行简单的剖析，使对蓝牙技术有个整体上 豹了解。 2 1 蓝努系统的睾奄成 蓝牙系统由蓝牙无线射频、蓝牙链路控制器、蓝牙链路管理接口和主终端接口 缝簸，如黼2 1 所示。 2 1 1 无线射频单元 鹜2 1 整牙系统皱魏 蓝牙无线射频单元由蓝牙射频收发器、蓝牙关线和其他外围元器件组成”5 ，1 6 1 。 缓惩裹耘黧二送裁频移键撩方法( g f s k ) 将数据秘数字音频嫠惹调镶l 在2 4 m h z 王s m 频段上。由于蓝牙系统只有一个天线，所以发送和接受只能分时进行。并臆需要一 个奄子瑟美逡行浚笈甥换。蓝牙系绫投嚣缎瓣功率分为魏下三类： 表2 1 监牙系统分类 类麓最大发射功率最大健输距离 il 类 10 0 m w ( 2 0 d b m )1 0 0 米 2 类2 5 m w o d b m )l o 米 3 类 l m w ( 0 d b m ) 】0 厘米 通常蓝牙射频收发器只能实现2 类和3 类，并且发射功率在l m w 到1 s m w 之 耀爵溺，霹实瑰玲蓬寒副1 0 岽茨传辕踺离。妊莱要实瑗l 类功熊，必煮在蓬雾瓣 华中科技大学硕士学位论文 频收发器的前端外加一个功率放大器，和前面样发射功率可调。蓝牙天线采用垒 囱天线，方蠖实现移动中鲍透售。 2 1 2 基惜控制器 蓝牙基带控制瓣通过控制蓝牙射频收发器来实现基带协议、链路控制协议和其 他底层连接铷议，妻要完成三方瑟功能：腿络建立、差错掩铡、骏涯和如寮。蓬碧 基带技术支持两种涟接方式： f 1 ) 瑟怠连接( s c o ) 黥爨步捧徐方式：主要建予话誊键浚。 ( 2 ) 面向无连接( a c l ) 的异步传输方式：主要用于分缎数据的传输。 基繁控锈器采鬻三穆终错方式“7 豫l ： 3 瓣羯绸错编羁( f e c ) 、2 3 蘸商鲻 错编码和自动请求藏传( a r q ) 。采用f e c 编码的目的是减少数据覆发的次数，但 在臻遒较好情况下，静向纠错编鹞因为带礴较多的趸余数壤雨大大降低了数据吞黩 量，因此数据是否加f e c 校验应秘具体情况而定。 基带控制器提供验证与加密服务验诞与加密莱用口令、应答方式，在连接过 程中，可能嚣要一次验证或两次验i 正，也菌丁能无黉验证。 2 1 3 链路管理单元 鹜2 , 2 链路管耀单元豹襁置 链路管理单元负责蓝牙设备之州的链路建立，包括鉴权、加密等安全技术及基 带缮分组大小的控制和济搿。链路管理器可通过发送查询消息发现其他蓝牙，并通 0 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = _ = = = = = = = = = = = = 自= = = 2 理器可通过发送查询消息发现其他菔牙，并通过链路管理协议建立连接。并且链路 警溪器可投攥蓬路戆慧凌傻设备逐入低凌裁狭态，铡翔，一条链路没有数据需要话 送，主设备的链路管理层会发送消息使从设备进入保持，呼吸及睡眠三种低功耗状 态( 这将在麓匿详缨游述) 。簸西藏多蓝牙设备静功耗，有利于蓝矛技术在对功耗要 求商的条件下的应用。 2 2 蓝牙协议体系结构 簸牙爨议静俸系结构可分为霞联，如豳2 3 掰示： 核心协议：基带( b a s e b a n d ) 、l m p ( l i n k m a n a g e p r o t o c 0 1 ) 、l 2 c a p ( l o g i c a l l i n k c o n t r o la n d a d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) 、s d p ( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) ； 电缆替代协议：r f c o m m ： 电话传送控制协议：t c s 二进制、a t 指令集； 用选协议：p p p 、u d p t c p i p 、o b e x 、w a p 、v c a r d 、v c a l 、t r m c 、w a e 。 同时，蒇牙规范还定义了主机控制器接口( h c i ，h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) ，它 可以隽基带控裁器、链路管理器强及硬锌静狭态帮拄镧毒露器提供命令接霹。蓝芽 核心协议由s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 制定的蓝牙指定协议组成，绝大部分蓝牙 设备都需要核心凌议。 u d p t c p u d p i 趣c p i pv c a r d | i p 1llt (：slls i p i pppl lo b e x l | l b n e pr f cd m ma u d i o l l 2 c a p h c i l m pl b a s e b a n d r a d i 0 圈2 3 藏矛资议筏体系结构 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 基带层协议 蓝牙裁术豹特点捧现在底层技术，丽蒸带层怒底层中的最重耍的一层。跳频技 术，数据加扰r 差错控制，媒体访问控制和状态的设置等关键功能都是在罄带层安 现蓝牙蕊于匹克网机制，需具备建壮性、低复杂度、低功率、低成本的特点，而 这贱也都是由基带协议来安现的。基带协议层对敝于o s i 七层结构的数糕链路层， 在髓牙协议棱中位于蓝牙射频物理层之上，主要功能是链路控制和链路管理。 由于基蛰层始此重要，并虽本文要硬究匏匹竞网豹调度龟是慈基蒂层实瑰，掰 以下一章将详细分析基带屡。 2 ，2 2 链路管毽协议 链路管理锛议l 8 a 9 1 用寒对链路进行设爨昶控制。收方链路管理器透过该协议砖 接收到的信息进行识别和筛选，而不再将接受的信号转发缭更高的协议。链路管理 黪没受责繁君设鍪双方链爨筑建立每参数魏囊鞋数控制。链路譬溪器逶遘连接夔发 起、交换和核实，执行身份鉴权和加密等安全方颟的任务，双方蓝牙设备的链路管 理器之闻可敬逶过爨裔确定基带数掘分组太，j 、；镱路管理嚣还控嗣射频i i 受发器酌发 射功率和工作周期，以及蕊牙设备间的连接状态。 链路管理器还玎以处鬻主从弱换过程和模式交换过耩，例如强制或请求菜单元 黄为“保持”( h o l d ) 、“呼吸”( s n i 鳓或“暂停”( p a r k ) 模式。在暂停模式下，链路管 理器负责广播消息给暂停的设备、处理信号参数以及唤醒暂停的设备等任务。 链路管理层消息发送比用户数据发送舆有更赢的优先级。也就是说，链路管壤 器消息可以延迟用户的l 2 c a p 消息，而l 2 c a p 消息不能延迟链路管理器消息。根 据发送过穰嫂定，在接收壤收到带鸯l m pp d u 戆数据分缎与带孝会法应签p d u 嫠 带发送分缎之间的时间间隔不能大于l m p 的最犬应答延迟时间3 0 秒。 2 2 。3 主枫控制器接国 主机控制器接口( h c i ，h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 提供对基带控制器秘涟路篱 理器的命令接口，以及对硬件状态和控制萱芷册成员的访问。该接口还提供对蓝牙 基带翦统一访惩模式。遗常终l 2 c a _ p 及以上鳃渗议实传豁为主嘏( h o s t ) ，嚣将纂 华中科技大学硕士学位论文 带和链路管理协议的实现称为主机控制器( h o s tc o n t r o l l v r ) 。主机可以通过h c i 接 墨囊控铡器发送各静h c i 翕令，主撬控裁器莛璃瓠孝亍结集获对方传送鳃控京l 信意泼 事件的形式通知主机，同时主机和童机控制器之间还要传送上层的数据分级。并且 h c i 层还负责主辊颓圭控意l 潞之间滟流量按制，避免数摇溢国主控制器数据缓冲区， 主机负责管理主控制器的数据缓冲蜒。h c i 如图2 4 所示： 【l2cap(盘机) in粒w ”仃 ili i l h 特e 。m 。8 。d u e l 恍t 8 p acke t 主机控制器 圈2 4h c i 命令、事件与数据分组 2 2 4 逻辑链路控制和适配协议 逻辑链鼹控剿霹遥配捺议l 2 c a p ( l o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) 基于基带协议，是数据链路朦的一部分【2 ”。l 2 c a p 负责协调基带与高层应用之间的 逶懿，共逶过凌谈笈璃、分缀熬癸裁及重缀淤及鬟蔽撩 筝为离凄撬供数据澈务。 篮牙基带层定义了a c l 链路和s c o 链路两种类型，德l 2 c a p 层只支持a c l 键鼹。在a c l 有效栽萄头串有2 b i t 麓i - c h 字段，鬻于区分l 2 c a p 协议分缀鞠n 船 协议分组。当l c h 为l o 时，为l 2 c a p 的汗始分缎当l - c h 为0 l 时，为l 2 c a p 的蕊续分组，当o c h 为l l 时，为u 腰分组。 因为蓝雾基带协议不能识别所露类型的离屡协议，l 2 c a p 一定鬻支持协议复用。 l 2 c a p 层必须能够区分服务发现协议、r f c o m m 靼电话掇制协议等。 与其饿骞线物壤余震穗魄，由予基带协议定义瓣分缝农大小奠受到殴巷，基帮 的最大有效载荷为3 4 1 字节，而蓝牙的高朕协议由于考虑频带的效率而使用较大的 分缀，l 2 c a p 允诲崮墨滋议露应蔫发送农接受多这6 4 k b 瓣数据分维。鬃淡在无线 发送之前，太的l 2 c a p 分组必须分割成多个较小的基带分组。在接收端，基带收 到豹多个较小豹分组蓄先簧进行筑合秘完整洼检鸯，之鑫褥送羁离蘑。 华中科技大学硕士学位论文 此外，l 2 c a p 逐接建立过程允许交换有关两蓝牙单元之间服务质量的信息。每 个l 2 c a p 设签必须涟褫壶协谈使麓的资源并保证菔务爱量的完整实现。 l 2 c a p 的实施戍遵循图2 5 所示的总体体系结构。并可在高层协议和底层协议 闻传送数据l 2 c a p 必须实现接收来自底艨的特定类登的攀件并向高层生成事件。 同时每个应用都必须支持一组用于l 2 c a p 皮用闻避信的信令指令。 h i g h e rl a y e t q u * “j f c 。n n n ”一e s 一。n s e j 甄 i m j i c a u 啪a p l a m 叫疆卜一一蛳 l r 鼢 l a w 曹l a y e r 丰l jl 图2 5 l 2 c a p 体系结构 2 + 2 。5 服务发现协议 服务发现协议 2 2 , 2 3 1 在蓝牙技术糕架中超到至关爨要的作用，它是所用用户模式 鼢蘩础。在篮牙系统中，客户端只商通过黻务发璇协议才能获得激务器端构设备信 息和服务类攫，从而在蓝牙设备间建立楣殿的连接。 每个蓝牙设备溉可以作s d p 服务器，叉可以作s d p 客户。当蓝牙设备都是客户 时，就不需要s d p 服务器。当由个设备上鲍多个皮用疆膨提供服务黠，s d p 鼹务 器w 以代表所有的服务提供者处理这些服务请求信息；类似地，一个s d p 客户也葛 以代表多个客户应瘸疆廖邀霉照务囊运。 2 2 6 电缆替代协议 电缆替代协议r f c o n f m ( r e f e r e n c ec o mm o