第四章蓝牙技术

1、第四章第四章 短距离无线通信短距离无线通信技术技术蓝牙技术ZigBeeUWB一一 蓝牙技术简介蓝牙技术简介l丹麦国王l1000年后的今天，世界范围内电子设备技术高速发展。瑞典的爱立信公司于1994年成立了一个专项科研小组，对移动电话及其附件的低能耗、低费用无线连接的可能性进行研究，他们的最初目的在于建立无线电话与PC卡、耳机及桌面设备等产品的连接。l随着研究的深入，科研人员越来越感到这项技术所独具的个性和巨大的商业潜力，同时也意识到凭借一家企业的实力根本无法继续研究，于是，爱立信将其公诸于世，并极力说服其他企业加入到它的研究中来。 一一 蓝牙技术简介蓝牙技术简介l 1998年2月，瑞典爱立信（

2、ERICSSON）、芬兰诺基亚（NOKIA）、日本东芝（TOSHIBA）、美国IBM和英特尔（Intel）公司五家著名厂商，组成了一个特殊利益集团（有的书译为特别兴趣小组）SIG（Special Interest Group）。之后，蓝牙引起了越来越多企业的关注。一一 蓝牙技术简介蓝牙技术简介l蓝牙是一个开放性的无线通信标准，设计者的初衷是用隐形的连接线代替线缆。其目标和宗旨是：保持联系，不靠电缆，拒绝插头，并以此重塑人们的生活方式。它将取代目前多种电缆连接方案，通过统一的短程无线链路，在各信息设备之间可以穿过墙壁或公文包，实现方便快捷、灵活安全、低成本小功耗的话音和数据通信。 一一 蓝牙技术

3、简介蓝牙技术简介l 它推动和扩大了无线通信的应用范围，使网络中的各种数据和语音设备能互连互通，从而实现个人区域内的快速灵活的数据和语音通信。“蓝牙”技术的目的是使特定的移动电话、便携式电脑以及各种便携式通信设备的主机之间在近距离内实现无缝的资源共享。一一 蓝牙技术简介蓝牙技术简介l具体地说，“蓝牙”技术的作用就是简化小型网络设备（如移动PC、掌上电脑、手机）之间以及这些设备与Internet之间的通信，免除在无绳电话或移动电话、调制解调器、头套式送受话器、PDA、计算机、打印机、幻灯机、局域网等之间加装电线、电缆和连接器。 蓝牙系统的基本术语：蓝牙系统的基本术语：（1）微微网（Piconet）

4、：是由采用蓝牙技术的所有设备以对等网方式组成的网络。（2）分布式网络（Scatternet）：是由多个独立、非同步的微微网形成的。（3）主设备（master unit）：在微微网中，如果某台设备的时钟和跳频序列用于同步其他设备，则称它为主设备。（4）从设备（slave unit）：非主设备的设备均为从设备。（5）MAC地址（MAC address）：用3 bit表示的地址，用于区分微微网中的设备。（6）休眠设备（parked unit）：在微微网中只参与同步，但没有MAC地址的设备。（7）监听及保持方式（sniff and hold mode）：指微微网中从设备的两种低功耗工作方式。l蓝牙系统

5、由无线电单元、链路控制单元、链路管理支持单元以及主机终端接口所组成。 工作频率：2.4 GHz ISM （工业、科学和医疗）频段。通讯距离：100m 功率等级：Class I, Class II, Class III 调制方式：时分复用TDD和高斯频移键控GFSK 通讯方式：全双工蓝牙网络拓扑结构蓝牙网络拓扑结构（一）微微网（一）微微网l微微网（Piconet）：是由采用蓝牙技术的设备以特定方式组成的网络。微微网的建立是由两台设备的连接开始，最多由8台设备构成。所有的蓝牙设备都是对等的，以同样的方式工作。然而，当一个微微网建立时，只有一台为主设备，其他均为从设备，而且在一个微微网存在期间将一直

6、维持这一状况（二）分布式网络（二）分布式网络l散射网络（Scatternet）：是由多个独立、非同步的微微网形成的。它靠跳频顺序识别每个微微网。同一微微网所有用户都与这个跳频顺序同步。二二 蓝牙协议体系结构蓝牙协议体系结构l蓝牙技术的体系结构分为三大部分：1.底层硬件模块2.核心协议层3.高层应用二二 蓝牙协议体系结构蓝牙协议体系结构1.底层硬件模块底层硬件模块2.核心协议核心协议l1）基带协议 l基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的物理连接。蓝牙的射频系统是一个跳频系统，其任一分组在指定时隙、指定频率上发送。它使用查询和分页进程同步不同设备间的发送频率和时钟，为基带数据

7、分组提供了两种物理连接方式，即面向连接（SCO）和无连接（ACL），而且，在同一射频上可实现多路数据传送。ACL适用于数据分组，SCO适用于话音以及话音与数据的组合，所有的话音和数据分组都附有不同级别的前向纠错（FEC）或循环冗余校验（CRC），而且可进行加密。此外，对于不同数据类型（包括连接管理信息和控制信息）都分配一个特殊通道。基带协议（续）基带协议（续）l可使用各种用户模式在蓝牙设备间传送话音，面向连接的话音分组只需经过基带传输，而不到达L2CAP。话音模式在蓝牙系统内相对简单，只需开通话音连接就可传送话音。2.核心协议核心协议l 2）连接管理协议（LMP） l该协议负责各蓝牙设备间连接

8、的建立。它通过连接的发起、交换、核实，进行身份认证和加密，通过协商确定基带数据分组大小。它还控制无线设备的电源模式和工作周期，以及微微网内设备单元的连接状态。2.核心协议核心协议l3）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）l 该协议是基带的上层协议，可以认为它与LMP并行工作，它们的区别在于，当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务。L2CAP向上层提供面向连接的和无连接的数据服务，它采用了多路技术、分割和重组技术、群提取技术。L2CAP允许高层协议以64k字节长度收发数据分组。虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连接类型，但L2CAP只支持ACL。 2.核心协议核心协议4）服务发现协

9、议（SDP） l 发现服务在蓝牙技术框架中起着至关紧要的作用，它是所有用户模式的基础。使用SDP可以查询到设备信息和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。3.应用层协议应用层协议l电缆替代协议(RFCOMM) RFCOMM是基于ETSI-07.10规范的串行线仿真协议。它在蓝牙基带协议上仿真RS-232控制和数据信号，为使用串行线传送机制的上层协议（如OBEX）提供服务。3.应用层协议应用层协议l电话控制协议 （TCS ） l该协议是面向比特的协议，它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令，定义了处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程。基于ITU TQ.931建议的TCSBinary被指

10、定为蓝牙的二元电话控制协议规范。l点对点协议（PPP） 在蓝牙技术中，PPP位于RFCOMM上层，完成点对点的连接。lTCP/UDP/IP 该协议是由互联网工程任务组制定，广泛应用于互联网通信的协议。在蓝牙设备中，使用这些协议是为了与互联网相连接的设备进行通信。l对象交换协议（OBEX） IrOBEX(简写为OBEX)是由红外数据协会（IrDA）制定的会话层协议，它采用简单的和自发的方式交换目标。OBEX是一种类似于HTTP的协议，它假设传输层是可靠的，采用客户机/服务器模式，独立于传输机制和传输应用程序接口（API）。 电子名片交换格式（vCard）、电子日历及日程交换格式（vCal）都是开

11、放性规范，它们都没有定义传输机制，而只是定义了数据传输格式。SIG采用vCard/vCal规范，是为了进一步促进个人信息交换。 l无线应用协议（WAP） 该协议是由无线应用协议论坛制定的，它融合了各种广域无线网络技术，其目的是将互联网内容和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话和其他无线终端上。蓝牙数据包蓝牙数据包l1.蓝牙链路SCO和ACL蓝牙基带对应两种类型的链路：SCO和ACL。lSCO：一对一的点到点链路，对应voice通信，此链路数据不可重传，用于64kbps的语音通信。lACL：微微网内点对多点的链路，对应数据传输，此链路可以重传数据包.Sco：synchronous connectio

12、n orientedACL：asynchronous connectionlessl2.蓝牙前导码接入码：时钟同步，偏移补偿，寻呼和查询。分为三类：信道接入码，设备接入码，查询接入码。l信道接入码标识微微网（对微微网唯一），而DAC则用于寻呼及其响应。IAC用于查询。数据包报头包含了数据包确认、乱序数据包重排的数据包编号、流控、从单元地址和报头错误检查等信息。数据包的数据部分（payload）可以包含语音字段、数据字段或者两者皆有。数据包可以占据一个以上的时隙（多时隙数据包），而且可以在下一个时隙中持续传输。数据部分还可以携带一个16位长的CRC码用于数据错误检测和错误纠正。SCO数据包则不包

13、括CRC。蓝牙数据包结构蓝牙数据包结构l1）单时隙、多时隙结构l为了实现在同一信道里的主、从通信，蓝牙定义了时分双工(TDD)的工作模式。工作情况下蓝牙跳频频率为1600跳/秒，这也说明了在每个跳频点上停留的时间为625us,这625us就被定义为蓝牙的一个时隙，在实际工作中可以分为单、多时隙。工作时隙的选择根据当前的数据流量以及工作状态下的无线环境。lV1.2标准数据包结构l有5种普通类型数据包、4种SCO数据包和7种ACL数据包。其简要说明请见课本表4-1。蓝牙地址蓝牙地址l为了识别众多的蓝牙设备，像对待存储器的存储单元一样，每个蓝牙设备都分配了一个48位的地址，简称蓝牙地址（BDADDR

14、），48位蓝牙地址能寻址的蓝牙设备应当有248=256T个（1T=240），但事实上再大的散射网也用不完如此大的蓝牙设备空间。使用中把蓝牙地址分成了三段：低24位地址段LAP；未定义8位地址段NAP；高16位地址段UAP。lUAP和LAP合在一起形成了蓝牙寻址空间240。NAP和UAP合在一起形成了24位地址，用作生产厂商的唯一标识码，由蓝牙权威部门分配给不同的厂商。LAP在各厂商内部分配。l图 4-4 蓝牙地址分段表l4种基本类型的设备地址数据包头部负载部分EDR数据包结构数据包结构lEDR是蓝牙特别兴趣小组(SIG)开发的一种协议，能使蓝牙无线连接的带宽提高到3Mbps，v2.0+EDR蓝

15、牙的主要改进，在于它使数据传输速率较传统的蓝牙速率提高了三倍（3Mbps：1Mbps）。这就意味着无线单元运行的时间只有原来的三分之一，因此功耗也只有原来的三分之一。因此可以实现更快速的连接，并可同时支持多条蓝牙链路，以及实现新的更高带宽的应用，比如音频流。l数据速率得以提高的部分原因在于数据包传输方式的根本改变。基本数据包和EDR数据包比较图l蓝牙EDR数据包仍然采用GFSK来调制接入码和数据包头，而对有效载荷采用下列两种调制方式之一：一种是强制性的，提供两倍数据速率，并且可以容忍大量的噪音；另外一种是选择性的，可以提供三倍的数据速率。l两倍数据速率采用p/4差分四相移相键控（p/4-DQP

16、SK）。l三倍数据速率采用8-DPSK。8-DPSK类似于p/4-DQPSK，但允许差分移动至八个可能相位中的任何一个。相邻相位之间较小的相差和相位跃变的利用，意味着8-DPSK更易受到干扰，但它允许每个符号有三个比特的数据进行编码。蓝牙状态蓝牙状态l蓝牙控制器主要运行在以下两个状态：待命（Standby）和连接（Connection）。微微网内总共有7种子状态可用于增加从单元或者实现连接。这些状态是l寻呼（page）l寻呼扫描（pagescan）l查询（inquiry）l查询扫描（inquiryscan）l主单元响应（masterresponse）l从单元响应（slaveresponse）l

17、查询响应（inquiryresponse）。蓝牙连接状态蓝牙连接状态l连接（Connection）状态开始于主单元发送POLL数据包，通过这个数据包主单元即可检查从单元是否已经交换到了主单元的时序和跳频信道。从单元即可以任何类型的数据包响应。 l连接状态的蓝牙设备可以处于以下4种状态之下：激活（Active）、保持（Hold）、休眠（Sniff）和监听（Park）模式。蓝牙技术中一个显著的技术难点就是如何实现这些状态之间的迁移，特别是从监听到活动（或者反之）更是相当有难度。这些模式在以下简要说明：蓝牙状态转换蓝牙状态转换l在微微网建立之前，所有设备都处于就绪(STANDBY)状态。在该状态下，

18、未连接的设备每隔1.28秒监听一次消息，设备一旦被唤醒，就在预先设定的32个跳频频率上监听信息。跳频数目因地区而异，但32个跳频频率为绝大多数国家所采用。l连接进程由主设备初始化。如果一个设备的地址已知，就采用页信息(Page message)建立连接；如果地址未知，就采用紧随页信息的查询信息(Inquiry message)建立连接。查询信息主要用来查询地址未知的设备(如公用打印机、传真机等)，它与页信息类似，但需要附加一个周期来收集所有的应答。在初始页状态(PAGEstate)，主设备在16个跳频频率上发送一串相同的页信息给从设备，如果没有收到应答，主设备就在另外的16个跳频频率上发送页信

19、息。l在微微网中，无数据传输的设备转入节能工作状态。主设备可将从设备设置为保持方式(HOLDmode)，此时，只有内部定时器工作；从设备也可以要求转入保持方式。设备由保持方式转出后，可以立即恢复数据传输。连接几个微微网或管理低功耗器件（如温度传感器）时，常使用保持方式。监听方式(SNIFFmode)和休眠方式（PARKmode）是另外两种低功耗工作方式。在监听方式下，从设备监听网络的时间间隔增大，其间隔大小视应用情况由编程确定；在休眠方式下，设备放弃了MAC地址，仅偶尔监听网络同步信息和检查广播信息。各节能方式依电源效率高低排列为：休眠方式保持方式监听方式。蓝牙关键技术蓝牙关键技术1无线频段的

20、选择和抗干扰2多址接入体系和调制方式3媒体接入控制（MAC）4基于包的通信5以物理连接类型建立连接6纠错7功率管理8微微网间通信1无线频段的选择和抗干扰24002483.5Hz抗干扰方法：避免干扰、抑制干扰。频域避免干扰的方法更为有效。2多址接入体系和调制方式l频分多址和码分多址。l3媒体接入控制（MAC）l同一微微网内，主单元负责接入控制，为非自由竞争。l微微网间的干扰，利用Aloha技术解决。蓝牙纠错机制蓝牙纠错机制l蓝牙系统的纠错机制分为：FEC和包重发。lACL用ARQ机制lSCO用FEC机制。l1/3 速率FEC采用1/3速率FEC则每个位被重复三遍作为冗余 l2/3速率FEC2/3

21、方式则采用一个生成多项式把10位代码编码为15位代码lARQ结构分为：停止等待ARQ、向后N个ARQ、重复选择ARQ和混合结构。为了减少复杂性，使开销和无效重发为最小，蓝牙执行快ARQ结构：蓝牙使用快速的不编号确认，通过设置适当的ARQN值来使用正确认和负确认。如果传输超时，蓝牙丢弃数据包并处理下一个数据包。lACKNACK信息加载在返回包的包头里，在RXTX的结构交换时间里，判定接收包是否正确。在返回包的包头里，生成ACKNACK域，同时，接收包包头的ACKNACK域可表明前面的负载是否正确接收，决定是否需要重发或发送下一个包。由于处理时间短，当包接收时，解码选择在空闲时间进行，并要简化FE

22、C编码结构，以加快处理速度。快速ARQ结构与停止等待ARQ结构相似，但时延最小，实际上没有由ARQ结构引起的附加时延。该结构比向后N个ARQ更有效，并与重复选择ARQ效率相同，但由于只有失效的包被重发，可减少开销。在快速ARQ结构中，仅有1bit序列号就够了（为了滤除在ACKNACK域中的错误而正确接收两次数据包）。l功率l蓝牙设备根据发送器的输出功率可以划分为三种功率类型。l功率控制器即根据设备的功率需要来限制和优化输出功率。l跳频l24GHz的ISM频段中还有80211b，HomeRF及微波炉、无绳电话等电子设备，为了与这些设备兼容，以及有效利用频谱、防止通信设备之间相互干扰，蓝牙采用了自适应跳频AFH（AdaptiveFrequencyHopping），先听后说LBT（ListenBeforeTalk）、功率控制等一系列独特的措施克服干扰，避免冲突。跳频周期跳频周期l每个微微网的跳变序列是唯一的，由主设备的Bluetooth设备地址决定。跳变序列的相位由主设备的时钟决定。在微微网中，所有单元都在时间上和跳频上与信道同步。信道分为时隙，每个时隙长625us。每个时隙相应地有一个跳频频率，通常跳频速率为1600跳/秒。时隙数根据微微网中主设备的Bluetooth时钟决定。时隙数从0到227-1，周期为2。系统使用TDD方案来使主设备和从