移动计算技术-无线个域网-2014

1、移动计算技术张冠华教育部软硬件协同设计技术与应用工程研究中心无线个域网内容提要 概述 IEEE802.15标准 蓝牙技术简介 蓝牙无线电规范 蓝牙基带规范 蓝牙链路管理器规范 蓝牙逻辑链路控制和自适应协议 蓝牙服务发现协议概述 无线个人区域网(Wireless Personal Area Network，WPAN，简称无线个域网)技术就是一种满足上述应用需求的小范围无线连接、微小网自主组网的通信技术。 无线个域网无线个域网技术 蓝牙(Blue Tooth) IrDA HomeRF UWB Zigbee IEEE802.15标准 IEEE 802.15工作组是IEEE针对无线个人区域网(WPAN

2、)而成立的，开发有关短距离范围的WPAN标准。 802.15 标准构成 802.15.1是以既有蓝牙标准为基础，制定蓝牙无线通信规范的一个正式标准。 802.15.2工作组目的是要802.11和802.15开发共存的推荐规范。 802.15.3工作组的兴趣在开发对比于802.11设备是低成本和低功耗的设备的标准上。 802.15.3a的目标是要在使用同样的MAC层上提供比802.15.3更高的数据率 802.15.4工作组则开发了一个非常低成本、非常低功耗的比802.15.1数据率要低的设备标准。 IEEE802.15协议体系结构 WLAN与WPAN 蓝牙技术简介 是IEEE802.15.1的

3、基础，源于1994年爱立信公司的一项研究，旨在在移动电话及其附件之间探求一种新的低功耗、低成本的空中接口。 1998年5月，4家公司联合成立蓝牙特殊利益集团(SIG) 1999年7月SIG公布了蓝牙规范1.0版 1999年12月公布了蓝牙规范1.0b版 2001年4月公布了1.1版 2003年11月公布了1.2版本 2004年8月公布了2.0版本 4.3.1 蓝牙技术的诞生与发展蓝牙技术的诞生与发展为什么叫蓝牙？蓝牙是什么？蓝牙技术优点 (1)可以随时随地地用无线接口代替有线电缆连接； (2)具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，如WAP、GSM(全球移动通信系统)、DECT(欧规数字无绳通

4、信)等，引入身份识别后可以灵活地实现漫游； (3)低功耗，对人体伤害小； (4)蓝牙集成电路简单，成本低廉，实现容易，易于推广。 蓝牙标准文档构成 核心规范(core specifications):描述了从无线电接口到链路控制的不同层次蓝牙协议体系结构的细节。 概要规范(profile specifications):考虑使用蓝牙技术支持不同的应用。每个概要规范讨论在核心规范中定义的技术，以实现特定的应用模型(Usage Model)。 蓝牙协议体系结构核心协议(core protocol)形成五层栈 (1)无线电(radio)：确定包括频率、跳频的使用、调制模式和传输功率在内的空中接口细节

5、。 (2)基带(baseband)：考虑一个微微网中的连接建立、寻址、分组格式、计时和功率控制。 (3)链路管理层协议(link manager protocol，LMP)：负责在蓝牙设备和正在运行的链路管理之间建立链路。这包括诸如认证、加密及基带分组大小的控制和协商等安全因素。 (4)逻辑链路控制和自适应协议(logical link control and adaptation protocol，L2CAP)：使高层协议适应基带层。L2CAP提供无连接和面向连接服务。 (5)服务发现协议(service discovery protocol，SDP)：询问设备信息、服务与服务特征，使得在两

6、个或多个蓝牙设备间建立连接成为可能。应用模型 大量应用模型定义在蓝牙的概要规范文档中。本质上，一个应用模型是一套实施特定的基于蓝牙的应用的协议。每个概要文件定义了支持一特定应用模型的协议和协议特性。 文件传输文件传输应用OBEXRFCOMML2CAPSDP拨号联网Modem传真或驱动器应用AT命令RFCOMML2CAPSDPPPPLAN接入LAN接入应用例如IPRFCOMML2CAPSDPPPP同步同步应用IrMCRFCOMML2CAPSDPOBEX无绳电话或内部通信无绳电话或基站应用TCS BIN音频L2CAPSDP耳机HS网关或基站应用AT命令RFCOMML2CAPSDP音频蓝牙应用 连接

7、计算机和其他设备连接计算机和其他设备支持自组织网络充当访问Internet的接入点构建居家环境案例运动中的连接微微网和散布式网络 蓝牙中的基本联网单元是一个微微网，它由一台主设备和17台活跃的从设备组成。 一个微微网中的设备也可作为另一个微微网的一部分存在，并在每个微微网中，起从设备或主设备功能,这种形式的重叠被称为散布式网络(scatternet)。 主/从关系 无线网络的配置 蓝牙无线电规范拓 扑一个逻辑的星形结构中，高达7条并行链路调制GFSK数据速率的峰值/Mb/s1RF带宽220kHz(-3dB)，1MHz(-20dB)RF波段2.4GHz,ISM波段RF载波23/79载波的间隔/M

8、Hzl传输功率/W0.1微微网的接入FH-TDD-TDMA频跳率/跳/s1600分布式网络的接入FH-CDMA国际上蓝牙的频率分配 区区 域域调节范围调节范围/GHzRF信道信道美国、欧洲的大部分国家和其他国家中的大部分242483 5f2402+nMHz，n0，78日本24712497f=2473+nMHz，n0，22西班牙24452475f=2449+nMHz，n0，22法国244652483 5f=2454+nMHz，n0，22 蓝牙利用波段中的2.4 GHz波段。在大多数国家，此带宽足以定义79个1 MHz的物理信道 无线电规范给出类基于输出功率的发射器定义: 类：最大范围的输出为10

9、0mW(+20dBm)，最小为1mW(0dBm)在该类 发射器中，功率控制是强制的，范围为4dBm20dBm此模式提供最大距离 类：最大输出为24mW(+13.8dBm)，最小为0.25mW(-6dBm)。功率控制是可选的 类：最小功率名义上的输出为1mW. 发射器定义蓝牙基带规范 跳频 物理链路 分组 纠错 逻辑信道 信道控制 蓝牙音频跳频 目的： (1)它阻碍干扰和多路效应。 (2)它为放置在不同微微网中的设备提供多种接入的形式。 总带宽被分为79(几乎所有国家)个物理信道，每个信道的带宽为1MHz。在一个伪随机序列中，通过从一个物理信道跳到另一个物理信道，出现了跳频。 物理链路 面向同步

10、连接(synchronous connection oriented，SCO)：在涉及主设备和一个单独从设备的点对点连接间分配固定的带宽。在规则的间隔中，主设备通过使用预留的时隙维持SCO链路。预留的基本单位是两个连续的时隙(每个在各自的传输方向上)。主设备能支持的并行SCO链路高达3个，而从设备能支持2或3个SCO链路。SCO分组不重传。 异步无连接(asynchronous connectionless，ACL)：主设备与微微网中所有从设备间的一条点对多点的链路。在未预留给SCO链路的时隙中，主设备能与任一以单时隙为基础的从设备交换分组，包括已在SCO链路上的从设备。只有单独的ACL链路可

11、以存在。大多数ACL分组使用分组重传。 分组纠错蓝牙使用三种纠错模式：(1)l/3比例的FEC(forward error correction，前向纠错)。(2)2/3比例的FEC。(3)ARQ(automatic repeat request，自动重发请求)。逻辑信道(1)链路控制(link control，LC) :用于在链路接口管理分组的通信量(2)链路管理(link manager，LM)：在参与站点之间传输链路管理信息(3)用户异步(user asynchronous，UA) ：传送异步用户数据(4)用户等时(user isochronous，UI) ：传送等时用户数据(5)用户同

12、步(user synchronous，US)：传送同步用户数据信道控制 两个主要的状态： (1)维持(standby)：默认状态。这是一个低功率状态，只有一个本地时钟在工作。 (2)连接(connection)：设备作为主站或从站连到微微网。 7个临时子状态 (1)寻呼(page)： (2)寻呼扫描(page scan)(3)主站响应(master response) (4)从站响应(slave response) (5)查询(inquiry) (6)查询扫描(inquiry scan)(7)查询响应(inquiry response)状态转换图 蓝牙音频基带规范规定可以使用两种语音编码模式：

13、 脉冲代码调制(pulse code modulation, PCM)。 连续可变的斜率增量(continuously variable slope delta, CVSD)调制。 注：由两个通信设备的链路管理器进行选择。 蓝牙链路管理器规范 LMP管理主站与从站间的无线电链路的各个方面。协议涉及主站和从站的LMP实体间表现为LMP PDU(protocol data unit，协议数据单元)形式的报文的交换。报文总是作为单个分组发送，该分组带有一位标识报文类型的负载首部，和一个包含与此报文相关的附加信息的负荷实体。 为LMP定义的过程被分为24个功能区，其中每个都涉及一个或多个报文的交换。蓝

14、牙逻辑链路控制和自适应协议 与IEEE 802规范中的逻辑链路控制(LLC)相同，L2CAP(logical link control and adaptation protocol，逻辑链路控制和自适应协议)在共享媒介网络的实体间提供一个链路层协议。 L2CAP为流和差错控制提供大量服务，它依赖于更低层(基带层)。 L2CAP使用ACL链路，它不支持SCO链路。 L2CAP 信道 三种类型的逻辑信道： (1)无连接(connectionless)：支持无连接服务。每个信道是单向的，该信道类型一般用 于主站向多个从站广播。 (2)面向连接(connection-oriented)：支持面向连接

15、的服务。每个信道是双向的(全双工)。 每个方向中定义一个服务质量(quality of service，QoS)的流规范。 (3)信令(signaling)：提供L2CAP实体问信令报文的交换。实例 L2CAP分组 信令命令码码描描 述述参参 数数0 x01命令拒绝理由0 x02连接请求PSM、源CID0 x03连接响应目的CID、源CID、结果、状态0 x04配置请求目的CID、标志、选项0 x05配置响应源CID、标志、结果、选项0 x06取消连接的请求目的CID、源CID0 x07取消连接的响应目的CID、源CID0 x08回送请求数据(可选)0 x09回送响应数据(可选)0 x0A信息

16、请求信息类型0 x0B信息响应信息类型、结果、数据(可选)服务质量 L2CAP中的QoS参数定义一个基于RFC 1363的通信流规范。一个流规范是一套参数，指出发送站点试图达到的性能级别。流规范参数组成(1)服务类型(2)令牌速率(字节/秒)(3)令牌桶的大小(字节)(4)带宽峰值(字节/秒)(5)等待时间(微秒)(6)时延变化(微秒)令牌桶图解 蓝牙服务发现协议 在蓝牙规范提出之前，服务发现协议已经存在。 在蓝牙设备的无线网络中，本地设备发现、利用远端设备所提供的服务和功能，并向其它蓝牙设备提供自身的服务，这是网络资源共享的途径，也是服务发现协议要解决的问题。 服务发现协议提供了服务注册的方

17、法和访问服务发现数据库的途径。 SIG针对蓝牙网络灵活、动态的特点，开发了蓝牙专用的服务发现协议。 SDP能够提供的服务能力vSDP将为客户提供搜寻所需服务的能力。vSDP允许基于服务类型搜索服务。vSDP可以执行服务浏览，而不用预先知道服务特征。vSDP将提供一种方法来搜索新的服务。当设备进入客户设备邻频或处于客户邻频的设备的新服务可用时，这些服务才可用vSDP将提供一种机制来确定在设备离开客户设备邻频时，或者当处于客户设备邻频的设备上的新服务不可用时，设备在何时变为不可用vSDP将提供对服务、服务类型和属性的唯一标识。vSDP应允许在一方设备上的客户在另一方设备上搜索服务，而不用查询第三方

18、设备。vSDP应适于在复杂性不高的设备上使用。vSDP应提供一种可发现更多服务信息的机制。这样可以减少必须交换的数据量，以便确定客户是否不需要某一特定服务。vSDP应通过中介代理支持服务搜索信息缓存，以提高搜索进程的速度或效率。SDP能够提供的服务能力vSDP应可独立传输。vSDP将在把L2CAP作为其传输协议时工作。vSDP应允许搜索和使用能够提供对其他服务搜索协议访问的服务。vSDP应支持和定义新的服务，而不需要向中心授权机构申请注册。 SDP能够提供的服务能力客户服务器交互v服务搜索协议（ SDP ）包括SDP服务器与SDP客户之间的通信。服务器保持一张描述服务器有关服务特征的服务记录表

19、。每一服务记录都包含一项服务信息。客户可以通过发送SDP请求，从由SDP服务器维护的服务记录中检索信息。v蓝牙设备与SDP服务器应一一对应，且存在一个最大的对应数（如果一台蓝牙设备仅充当一个客户，那它就不需要SDP 服务器）。v一台蓝牙设备既可以作为一个SDP服务器，也可以同时作为一个SDP客户。 服务记录v服务可以以软件、硬件或硬软件混合的形式来实现。v由SDP服务器所维护服务的所有信息都包含于一条服务记录中，该服务记录全部由一张服务属性表组成。v服务记录句柄是一个专门用于标识SDP服务器内每一服务记录的32位的值，每个句柄在每个SDP服务器内都是唯一的 服务属性v服务属性用于描述某一服务的一个特征。v服务属性由两个部分组成：属性ID和属性值。属性ID是16位无精度整数，可用于在服务记录中将不同服务属性区分开来。属性值是可变长