第五章-无线个域网

第五章无线个域网提纲无线个域网—WPAN蓝牙体系蓝牙的核心协议蓝牙的profile无线个域网无线个域网络（WirelessPersonalAreaNetwork）是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无缝连接而提出的无线网络技术。无线个域网标准IEEEWPAN规范标准主要集中在802.15系列802.15.1：是蓝牙底层协议的正式标准化版本，大多数标准制定仍由SIG完成802.15.1基于Bluetooth1.1802.15.1a对应Bluetooth1.2802.15.2：解决WPAN与WLAN共存问题802.15.3：WiMedia，802.15.3a物理层使用UWB的多频段OFDM，480Mb/s802.15.4：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IEEE803.15.1IEEE803.15.3aIEEE803.15.4未统一通信距离1-10m<10m10-75m10cm-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2.4GHz3.1~10.6GHz2.4GHz,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IEEE802.15系列蓝牙（Bluetooth）Bluetooth蓝牙是无线技术规范短程：最大传输距离10米性能中等：721Kbps动态配置：自主联网/漫游低功耗：<2.5mW支持语音和数据传输蓝牙的历史1994年，Ericsson发起multi-communicatorlink的研究；1998年，成立特别兴趣小组（SIG），并更名为bluetooth成员：Ericsson、IBM、Intel、Nokia、Toshiba目标：将计算、通信设备以及附加设备通过短程、低耗、低成本的无线电波连接起来发展：随着Lucent、3Com、Microsoft、Motorola加入SIG，现在SIG成员超过2500个1999年，Bluetooth1.0发布2002年，IEEE采纳了bluetooth的物理层和数据链路层，发布了IEEE802.15.1为什么叫BluetoothEricsson借用了HaraldGormsen的昵称blatand->”Bluetooth”丹麦的国王（A.D.940~985）统一了丹麦和挪威寓意统一不同制造商的不同设备2000年5月发布了蓝牙应用新图标Bluetooth的应用蓝牙好在哪里？没有线缆连接时个域网（PAN）使得一组个人设备协同工作位置感知服务仅在有限范围内并且需要时访问额外资源充当进入Internet的桥梁构建居家网络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应用实例蓝牙系统蓝牙模块蓝牙传输特性2.4GHzISM频带传输距离为10米连接便携式和固定设备点—点和点—多点模式数据速率同步（电路交换技术）64kbps异步（分组交换技术）433.9kbps（对称）723.2kbps（非对称）蓝牙拓扑结构点—点模式两个蓝牙设备直接通信Piconet（微网）共享相同信道8个蓝牙设备可在小型网络内通信Scatternet（散网）多达256个piconet可连接成更大的网络蓝牙的piconetPiconet的组成1个Master节点控制FH通信的同步7个Slave节点255个非活跃Parked节点遵循master的跳频算法蓝牙的Scatternet时间和空间层叠的多个piconets组成一个散射网几个masters链接到同一个slave一个master可以是另一个网络的slave蓝牙规范Core规范定义了蓝牙各层通信协议从逻辑上分为传输协议、中间件协议、应用协议Profile规范如何采用协议实现具体的应用产品通用应用类、电话应用类、联网应用类、对象交换应用类、音频视频应用类蓝牙协议栈（续）蓝牙协议栈逻辑分组传输协议组：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中间件协议组：为了在蓝牙链路上运行应用包括的一些标准协议PPP、IP、TCP、WAP、OBEX等RFCCOMM、AT信令、SDP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规范定义了载波频率和输出功率主要处理空中数据的接收和发送特点2.4GHz的ISM79个信道，1MHzGFSK调制方式（高斯滤波的二进制频移键控）跳频扩频技术1600/s收发器的能量分3级1级：100mW，强制功率控制2级：2.5mW，功率控制可选3级：1mW数据传输期间的频率选择M和S交替发送（TDD模式）数据传输期间保持频率的跳变蓝牙的基带层基本功能执行跳频实现介质访问定义了物理链路定义了packet格式M设备和S设备之间的物理链路ACL(asynchronousconnectionless)链路主要用于Best-effort的数据传输服务M和S之间的点-点/点-多点（广播）连接在没有预留给SCO的时间槽传送无时间规律的分组每个S节点只有1条ACL分别对应1-slot、3-slot、5-slot分组正向最大速率：723.3Kbps(5-slot)反向最大速率：57.6KbpsHalf-duplex通信M设备和S设备之间的物理链路SCO(synchronousconnectionoriented)链路主要用于音频/视频传输M和S之间具有固定带宽的点-点连接M为S预留2个连续时间槽传送实时数据M可同时支持3个SCO每个S可有2～3个SCO（64kbps）Full-duplex通信蓝牙的寻址Bluetooth设备地址（BD_ADDR）48位IEEEMAC地址活跃成员地址（AM_ADDR）3位活跃S设备地址全0广播地址（M->S）驻扎成员地址（PM_ADDR）8位parked的S设备地址蓝牙设备地址48位蓝牙设备地址（BD_ADDR）LAP（LowerAddressPart）UAP（UpperAddressPart）NAP（Non-significantAddressPart）制造商分配的产品编号BluetoothSIG分配的制造商编号LAP（24位）UAP（8位）NAP（16位）蓝牙基带分组基带分组格式接入码（72或68位）分组头（54位）有效载荷（0~2754位）LSBMSB蓝牙基带分组接入码（AccessCode）接入码用于同步、DC补偿和标示信道接入码（CAC）—同步字来源主设备LAP设备接入码（DAC）—同步字来源从设备LAP查询接入码（IAC）—预留LAP蓝牙预留64个LAP地址用于查询操作前导码（4位）同步字（64位）尾码（4位）蓝牙基带分组分组头（Header）AM_ADDR—

微微网中激活从设备地址Type—

分组类型Flow—ACL链路数据分组流量控制标志ARQN—

无编号自动请求重发SEQN—

序列编号HEC—

分组头错误校验AM_ADDR（3位）Type（4位）Flow（1位）ARQN（1位）SEQN（1位）HEC（8位）蓝牙基带纠错机制1/3比例FEC每位重复3次进行编码2/3比例FEC（15,10）海明码自动请求重传蓝牙基带信道控制连接状态连接状态是指连接已经建立，数据分组可以双向传输的状态主从使用主设备接入码和时钟，跳频采用信道跳频序列连接状态设备操作模式活跃模式（Active）呼吸模式（Sniff）保持模式（Hold）驻扎模式（Park）蓝牙的节能模式SniffM和S设备定期睡眠，并在早期协商的时间间隔“sniff”Hold不释放AMA（活跃成员地址）地址停止ACL传输，但可交换SCO分组Park设备仍旧是该piconet的成员释放AMA地址但获得一个PMA（parked）地址待机状态蓝牙缺省低功耗状态蓝牙设备从待机状态转到寻呼扫描，对其他设备的寻呼进行响应，进入连接状态，成为从设备蓝牙设备从待机状态转到查询，完成一个寻呼，进入连接状态，成为主设备蓝牙的信道控制两种管理情形设备知道其他设备的参数执行paging过程设备不知道其他设备的参数执行inquiring和paging过程两个主要过程Page用来建立与其他节点的链路Inquiry用来了解时钟偏移和其他设备的地址微网的建立——Inquriy模式当一个设备想建立一个piconet时79个无线电载波中有32个用来wake-up载波Master依次在这32个载波上广播查询接入码（IAC）一个standby设备想加入一个piconet时定期侦听IAC消息返回一个packet（设备地址和时钟信息）微网的建立——Page模式M设备根据返回的设备地址计算特殊的跳频序列S设备与M设备时钟同步，并启动M定义的跳频序列蓝牙设备的baseband状态基带跳频选择国家模式23跳/79跳地址输入：LAP+UAP低4位时钟输入：Clock频率选择模块跳频序列链路管理器协议LMP主要任务设备功率管理链路质量管理链路控制管理数据分组管理链路安全管理LMP运行在蓝牙模块中，用户通过LMP对本地或远端蓝牙设备的链路进行设置和控制蓝牙的链路管理规范能量控制：根据接收信号强度要求发送者调整发送能量能力协商：交换版本号和所支持的特性QoS协商：轮询时间、延迟、传送能力同步：修正时钟偏差或者接受特殊的同步packet改变状态和传输模式：M和S角色的改变链路控制：控制link活动安全服务：认证、加密、密钥的分发链路管理器协议数据单元LMP_PDU由ACL分组携带协商发起方标识（TransactionID）操作码（OpCode）内容（Content）协商过程设备A向设备B发送协商请求设备B根据自身情况作出接受或不接受响应LMP_PDURequestLM(A)LMP_PDU(Not)AcceptedLM(B)蓝牙设备A蓝牙设备B蓝牙的L2CAP层仅用于ACL协议的多路复用/分用接收上层分组（64KB），分段传输在接收端重组处理服务质量蓝牙的逻辑信道无连接信道（CID=2）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的广播面向连接信道（CID≧64）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信令信道（CID=1）提供了两个L2CAP实体之间信令消息的交换蓝牙的逻辑信道M和S之间只能有一个无连接信道和一个信令信道M和S之间可有多个面向连接信道L2CAP协议分组格式面向连接信道分组格式长度（2字节）信道ID（2字节）有效载荷（长度字段的字节数）无连接信道分组格式长度（2字节）信道ID（0x0002）有效载荷PSM蓝牙的服务发现协议（SDP）基本功能查询服务搜索特殊的服务种类浏览当前的可用服务检索某个服务的详细属性建立到其他设备L2CAP连接建立一个使用某个服务的独立（non-SDP）连接服务记录一系列服务属性服务发现机制服务器具有服务记录列表，包含了与服务器