无线个域网与Bluetooth

1、无线个域网与Bluetooth张明军友情提示：友情提示：本章内容理论性较强，但提纲n无线个域网WPANn蓝牙体系n蓝牙的核心协议n蓝牙的profile无线个域网n无线个域网络（Wireless Personal Area Network）n是为了实现活动半径更小：数米n业务类型丰富：话音、数据、多媒体n面向特定群体：家庭与小型办公室n智能终端的无缝连接而提出的无线网络技术。无线个域网技术n红外技术nZigbeen超宽带技术（ UWB ）n家庭射频（HomeRF）n蓝牙n无线个域网标准nIEEE WPAN规范标准主要集中在802.15系列n802.15.1：是蓝牙底层协议的正式标准化版本，大多数

2、标准制定仍由SIG完成n802.15.1基于Bluetooth1.1n802.15.1a对应Bluetooth1.2n802.15.2：解决WPAN与WLAN共存问题n802.15.3：WiMedia，802.15.3a物理层使用UWB的多频段OFDM，480Mb/sn802.15.4：Zigbee，是低功耗、低复杂性、低速率的WPAN标准 WPAN标准对比蓝牙UWBZigbeeRFID发起时间1998年初2002年2月准许民用2002年下半年1970年代末开始民用标准程度IEEE802.15.1IEEE802.15.3aIEEE802.15.4未统一通信距离1-10m10m10-75m10c

3、m-10m传输速率1Mb/s几十几百Mb/s20-250Kb/s几K几Mb/s通信方式载波调制基带传输载波调制载波调制使用频段2.4GHz3.110.6GHz2.4GHz, 915M/868MHz50-500KHz, 56MHz, 0.9-2.5GHz典型应用语音和数据传输，无线联网数字家庭网络，超宽带视频传输无线传感器网络，工业检测门禁系统，物流管理，高速公路收费WPAN VisionIEEERFIDWPANWLANsLow performance,low costHigh performance,higher costIEEE 802.15系列Layers FocusedMedium Ac

4、cess Control Sub LayerPhysical LayerPhysicalData LinkNetworkTransportSessionPresentationApplicationISO/OSI Reference Model AreaofFocus蓝牙（Bluetooth）Bluetoothn蓝牙是一种短距无线通信技术规范n目标：替代便携设备的连接线缆n特点：可靠、低功耗、低成本n短程：最大传输距离10米n性能中等：721Kbpsn动态配置：自主联网/漫游n功耗：”Bluetooth”n丹麦的国王（A.D. 940985）n统一了丹麦和挪威n寓意统一不同制造商的不同设备n2

5、000年5月发布了蓝牙应用新图标Bluetooth的应用n蓝牙好在哪里？n没有线缆连接时n个域网（PAN）n使得一组个人设备协同工作n位置感知服务n仅在有限范围内并且需要时访问额外资源n充当进入Internet的桥梁n构建家庭网络n运动中组网连接计算机以及其他外部设备支持自组织网络充当访问Internet的接入点构建家庭网络运动中的连接蓝牙系统蓝牙模块蓝牙应用实例蓝牙传输特性n2.4GHz ISM频带n传输距离为10米n连接便携式和固定设备n点/点和点/多点模式n数据速率n同步（电路交换技术）n64kbpsn异步（分组交换技术）n433.9kbps（对称）n723.2kbps（非对称）蓝牙拓扑

6、结构n点/点模式 point-to-pointn两个蓝牙设备直接通信nPiconet（微网）point-to-multipoint n共享相同信道n8个蓝牙设备可在小型网络内通信n7个从设备和一个主设备通信nScatternet（散网）point-to-multipoint n多达256个piconet可连接成更大的网络蓝牙的piconetnPiconet的组成n1个Master节点控制FH通信的同步n7个Slave active节点n3-bit Active Member address (AM_ADDR) n255个非活跃Parked节点n保持与master的同步n没有AM_ADDRn8-

7、bit Parked Member Address (PM_ADDR) 蓝牙的piconet蓝牙的piconet蓝牙的Scatternetn时间和空间层叠的多个piconets组成一个散射网n几个masters链接到同一个slaven一个master可以是另一个网络的slave蓝牙的Scatternet蓝牙的Scatternet蓝牙标准n两大部分组成nCore规范（核心规范）n描述蓝牙协议各层的功能和详细定义n包括无线接口、数据链路控制以及互操作和其他管理功能nProfile规范（概要规范）n规定了与传统/新应用相适配的协议和功能蓝牙协议栈 CorenCore包含如下5层协议:nRadio -

8、 描述空中接口，包括调频的使用，调制模式和传输功耗.nBaseband - 负责piconet内的连接建立, 寻址, 包格式, 能量控制等.nLink manager protocol (LMP) - 链路建立和管理，鉴权和加密等.nLogical link control and adaptation protocol (L2CAP) - 将上层协议适配到baseband层. L2CAP 提供有连接和无连接两类服务.nService discovery protocol (SDP) - 支持设备信息, 服务和服务特性的查询，为蓝牙设备的互联提供支持.蓝牙协议栈蓝牙协议栈RFCOMM协议nRF

9、COMM是蓝牙规范定义的线缆替代协议. n定义虚拟串口支持尽量透明化的线缆替代. n支持二进制的数据传输n在baseband层模拟 EIA-232 控制信号nEIA-232 (RS-232) 是一类广泛应用的串口标准. TCS BINnTCS BIN (telephony control specificationbinary)n蓝牙定义的 telephony control 协议. n面向bit，定义了蓝牙设备间执行语音和数据呼叫的相关呼叫控制信令。n此外，还定义了相关的移动性管理规程. 自适应协议n其他协议组织定义，融合到蓝牙协议体系中nPPP - point-to-point proto

10、col，是internet标准协议，支持点到点链路上的IP数据包传输;nTCP/UDP/IP - TCP/IP协议栈的基础协议;nOBEX - 对象交换协议，IrDA定义，包括对象的表示和操作模型，类似于简单的 HTTP. 例如，vCard和vCalendar;nWAE/WAP - 涉及wireless application environment 和 wireless application protocol.蓝牙协议栈逻辑分组n传输协议组：使蓝牙设备确认彼此位置，并创建、配置、管理物理和逻辑链路n包括无线、基带、链路管理器、逻辑链路控制和自适应协议及主机控制器接口协议n中间件协议组：为了

11、在蓝牙链路上运行应用包括的一些标准协议nPPP、IP、TCP、 WAP、OBEX等nRFCOMM、AT信令、SDPn应用组：包含使用蓝牙链路的实际应用应用组中间件协议组传输协议组传输协议组中间件协议组应用组蓝牙的无线电层n规范n定义了载波频率和输出功率n主要处理空中数据的接收和发送n特点n低功率n传输距离为10米n2.4GHz的ISMn79个信道，1MHz （2402 to 2480 MHz ）n跳频扩频技术n收发器的能量分3级n1级：100mW，强制功率控制n2级：2.5mW，功率控制可选n3级：1mW蓝牙的基带层n基本功能n执行跳频n实现介质访问n定义了物理链路n定义了packet格式数据

12、传输期间的频率选择nM和S交替发送（TDD模式）n数据传输期间保持频率的跳变M设备和S设备之间的物理链路nSCO ( synchronous connection oriented)链路n主要用于音频/视频传输nM和S之间具有固定带宽的点-点连接nM为S预留2个连续时间槽传送实时数据nM可同时支持3个SCOn每个S可有23个SCO（64kbps）nFull-duplex通信M设备和S设备之间的物理链路nACL (asynchronous connectionless)链路n主要用于Best-effort的数据传输服务nM和S之间的点-点/点-多点（广播）连接n在没有预留给SCO的时间槽传送无时

13、间规律的分组n每个S节点只有1条ACLn分别对应1-slot、3-slot、5-slot分组n正向最大速率：723.3Kbps (5-slot)n反向最大速率：57.6KbpsnHalf-duplex通信半双工/全双工通信nHalf-duplex通信（ACL）n一次往一个方向发送n不对称最大速率723.3kbps，反向为57.6kpbsn对称速率双向发送，每个方向可达433.9kpbsnFull-duplex通信（SCO）n可同时双向发送n速率64Kbpsn使用M预留的slot（避免同步和冲突）n没有为SCO链路预留的Slot可用于ACL链路 蓝牙的寻址nBluetooth设备地址（BD_AD

14、DR）n48位IEEE MAC地址n活跃成员地址（AM_ADDR）n3位活跃S设备地址n全0广播地址（M-S）n驻扎成员地址（PM_ADDR）n8位parked的S设备地址蓝牙的链路管理规范n能量控制：根据接收信号强度要求发送者调整发送能量n能力协商：交换版本号和所支持的特性nQoS协商：轮询时间、延迟、传送能力n同步：修正时钟偏差或者接受特殊的同步packetn改变状态和传输模式：M和S角色的改变n链路控制：控制link活动n安全服务：认证、加密、密钥的分发蓝牙的信道控制n两种管理情形n设备知道其他设备的参数n执行paging过程n设备不知道其他设备的参数n执行inquiring和pagin

15、g过程n两个主要过程nPagen用来建立与其他节点的链路nInquiryn用来了解时钟偏移和其他设备的地址微网的建立Inquiry模式n当一个设备想建立一个piconet时n79个无线载波中有32个用来wake-up载波nMaster依次在这32个载波上广播查询接入码（IAC）n一个standby设备想加入一个piconet时n定期侦听IAC消息n返回一个packet（设备地址和时钟信息）微网的建立Page模式nM设备根据返回的设备地址计算特殊的跳频序列nS设备与M设备时钟同步，并启动M定义的跳频序列蓝牙的节能模式nSniff(呼吸)nM和S设备定期睡眠，并在早期协商的时间间隔“sniff”n

16、Hold(保持)n不释放AMA（活跃成员地址）地址n停止ACL传输，但可交换SCO分组nPark(睡眠)n设备仍旧是该piconet的成员n释放AMA地址但获得一个PMA（parked）地址蓝牙的L2CAP层n仅用于ACLn协议的多路复用/分用n接收上层分组（64KB），分段传输n在接收端重组n处理服务质量蓝牙的逻辑信道n无连接信道（CID=2）n支持无连接服务。每个信道是单向的，该信道主要用于M到多个S的广播n面向连接信道（CID64）n支持面向连接的服务。每个信道是全向的（全双工），每个方向被制定了服务质量流规范n信令信道（CID=1）n提供了两个L2CAP实体之间信令消息的交换蓝牙的逻辑

17、信道nM和S之间只能有一个无连接信道和一个信令信道nM和S之间可有多个面向连接信道蓝牙的服务发现协议（SDP）n基本功能n查询服务n搜索特殊的服务种类n浏览当前的可用服务n检索某个服务的详细属性n建立到其他设备L2CAP连接n建立一个使用某个服务的独立（non-SDP）连接n服务记录n一系列服务属性蓝牙的串口仿真（RFCOMM）n基本功能n在面向packet的链路上仿真串行接口n支持传统应用/协议n支持一个物理信道上的多个串行接口n与HDLC类似RFCOMM蓝牙与IPn基本功能n通过蜂窝电话接入Internetn通过LAN接入点连接PDA或则笔记本到Internetn接入协议nPPP（Poin

18、t to Point Protocol）nBNEP（Bluetooth Network Encapsulation Protocol）蓝牙与IPnAP具有PPP服务器功能n用户名/口令管理仍是问题n漫游不是无缝的蓝牙与IPn从AP隧道发送PPP流量到PPP服务器n可集中管理用户信息n减少AP上的处理时间和状态维护蓝牙的profilenBluetooth v1.1规范了13种应用+相应的协议栈蓝牙的语音应用n三合一电话n呼叫/移动管理/对讲n耳麦蓝牙的个人信息管理n同步应用n提供了设备与设备之间个人信息管理（PIM）的同步，如电话号码、日程安排、消息和通告信息蓝牙的文件传送n传送能力n目录n文件

19、n文档n映像n流媒体n浏览能力n文件夹TypeSpeedRangeCommentsIrDA9.6kb - 115kb (- 4Mb) 6ftInfra-red. The two devices must have their IR ports facing each other. For simple data exchange. Uses very little power.Wi-Fi1Mb - 54Mbsee belowWi-Fi refers to any of the three 802.11 types of wireless service below, and to future

20、 new subcategories yet to be released. Acts like a regular wired network in most respects. Either built in or available as add-on cards or adapters for desktop computers.802.11a1 - 54Mb50ft - 150ftNot commonly used, uses different frequency than 802.11b/g.802.11b1 - 11Mb100ft - 300ftMost common vers

21、ion at present.802.11g1 - 54Mb120ft - 350ftThe latest version, backwardly compatible with 802.11b.Bluetooth120kb - 723kb30ft - 300ftClass 3 devices (eg in most personal computing type devices) have a short 30ft range, high powered Class 1 devices have the longer range. Either built in or available a

22、s add-on cards.GPRS 115kbwherever suitable cellphone coverageData service used by GSM cellphones and by some add-on cards for laptops and pdas. Speed typically about 30kb depending on how many users are sharing the service on each cell at any given time. A 2.5G service.2.5Gvariously up to about 128kbwherever suitable cellphone coverageVarious compromise new types of always on data service for cell phones that