第四章藍牙技術(shù)

1、第四章第四章 短距離無線通信短距離無線通信技術(shù)技術(shù)藍牙技術(shù)ZigBeeUWB一一 藍牙技術(shù)簡介藍牙技術(shù)簡介l丹麥國王l1000年后的今天，世界范圍內(nèi)電子設(shè)備技術(shù)高速發(fā)展。瑞典的愛立信公司于1994年成立了一個專項科研小組，對移動電話及其附件的低能耗、低費用無線連接的可能性進行研究，他們的最初目的在于建立無線電話與PC卡、耳機及桌面設(shè)備等產(chǎn)品的連接。l隨著研究的深入，科研人員越來越感到這項技術(shù)所獨具的個性和巨大的商業(yè)潛力，同時也意識到憑借一家企業(yè)的實力根本無法繼續(xù)研究，于是，愛立信將其公諸于世，并極力說服其他企業(yè)加入到它的研究中來。 一一 藍牙技術(shù)簡介藍牙技術(shù)簡介l 1998年2月，瑞典愛立信（

2、ERICSSON）、芬蘭諾基亞（NOKIA）、日本東芝（TOSHIBA）、美國IBM和英特爾（Intel）公司五家著名廠商，組成了一個特殊利益集團（有的書譯為特別興趣小組）SIG（Special Interest Group）。之后，藍牙引起了越來越多企業(yè)的關(guān)注。一一 藍牙技術(shù)簡介藍牙技術(shù)簡介l藍牙是一個開放性的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計者的初衷是用隱形的連接線代替線纜。其目標(biāo)和宗旨是：保持聯(lián)系，不靠電纜，拒絕插頭，并以此重塑人們的生活方式。它將取代目前多種電纜連接方案，通過統(tǒng)一的短程無線鏈路，在各信息設(shè)備之間可以穿過墻壁或公文包，實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本小功耗的話音和數(shù)據(jù)通信。 一一 藍牙技術(shù)

3、簡介藍牙技術(shù)簡介l 它推動和擴大了無線通信的應(yīng)用范圍，使網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)和語音設(shè)備能互連互通，從而實現(xiàn)個人區(qū)域內(nèi)的快速靈活的數(shù)據(jù)和語音通信?！八{牙”技術(shù)的目的是使特定的移動電話、便攜式電腦以及各種便攜式通信設(shè)備的主機之間在近距離內(nèi)實現(xiàn)無縫的資源共享。一一 藍牙技術(shù)簡介藍牙技術(shù)簡介l具體地說，“藍牙”技術(shù)的作用就是簡化小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如移動PC、掌上電腦、手機）之間以及這些設(shè)備與Internet之間的通信，免除在無繩電話或移動電話、調(diào)制解調(diào)器、頭套式送受話器、PDA、計算機、打印機、幻燈機、局域網(wǎng)等之間加裝電線、電纜和連接器。 藍牙系統(tǒng)的基本術(shù)語：藍牙系統(tǒng)的基本術(shù)語：（1）微微網(wǎng)（Piconet）

4、：是由采用藍牙技術(shù)的所有設(shè)備以對等網(wǎng)方式組成的網(wǎng)絡(luò)。（2）分布式網(wǎng)絡(luò)（Scatternet）：是由多個獨立、非同步的微微網(wǎng)形成的。（3）主設(shè)備（master unit）：在微微網(wǎng)中，如果某臺設(shè)備的時鐘和跳頻序列用于同步其他設(shè)備，則稱它為主設(shè)備。（4）從設(shè)備（slave unit）：非主設(shè)備的設(shè)備均為從設(shè)備。（5）MAC地址（MAC address）：用3 bit表示的地址，用于區(qū)分微微網(wǎng)中的設(shè)備。（6）休眠設(shè)備（parked unit）：在微微網(wǎng)中只參與同步，但沒有MAC地址的設(shè)備。（7）監(jiān)聽及保持方式（sniff and hold mode）：指微微網(wǎng)中從設(shè)備的兩種低功耗工作方式。l藍牙系統(tǒng)

5、由無線電單元、鏈路控制單元、鏈路管理支持單元以及主機終端接口所組成。 工作頻率：2.4 GHz ISM （工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻段。通訊距離：100m 功率等級：Class I, Class II, Class III 調(diào)制方式：時分復(fù)用TDD和高斯頻移鍵控GFSK 通訊方式：全雙工藍牙網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)藍牙網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（一）微微網(wǎng)（一）微微網(wǎng)l微微網(wǎng)（Piconet）：是由采用藍牙技術(shù)的設(shè)備以特定方式組成的網(wǎng)絡(luò)。微微網(wǎng)的建立是由兩臺設(shè)備的連接開始，最多由8臺設(shè)備構(gòu)成。所有的藍牙設(shè)備都是對等的，以同樣的方式工作。然而，當(dāng)一個微微網(wǎng)建立時，只有一臺為主設(shè)備，其他均為從設(shè)備，而且在一個微微網(wǎng)存在期間將一直

6、維持這一狀況（二）分布式網(wǎng)絡(luò)（二）分布式網(wǎng)絡(luò)l散射網(wǎng)絡(luò)（Scatternet）：是由多個獨立、非同步的微微網(wǎng)形成的。它靠跳頻順序識別每個微微網(wǎng)。同一微微網(wǎng)所有用戶都與這個跳頻順序同步。二二 藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)l藍牙技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)分為三大部分：1.底層硬件模塊2.核心協(xié)議層3.高層應(yīng)用二二 藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)1.底層硬件模塊底層硬件模塊2.核心協(xié)議核心協(xié)議l1）基帶協(xié)議 l基帶和鏈路控制層確保微微網(wǎng)內(nèi)各藍牙設(shè)備單元之間由射頻構(gòu)成的物理連接。藍牙的射頻系統(tǒng)是一個跳頻系統(tǒng)，其任一分組在指定時隙、指定頻率上發(fā)送。它使用查詢和分頁進程同步不同設(shè)備間的發(fā)送頻率和時鐘，為基帶數(shù)據(jù)

7、分組提供了兩種物理連接方式，即面向連接（SCO）和無連接（ACL），而且，在同一射頻上可實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)傳送。ACL適用于數(shù)據(jù)分組，SCO適用于話音以及話音與數(shù)據(jù)的組合，所有的話音和數(shù)據(jù)分組都附有不同級別的前向糾錯（FEC）或循環(huán)冗余校驗（CRC），而且可進行加密。此外，對于不同數(shù)據(jù)類型（包括連接管理信息和控制信息）都分配一個特殊通道?；鶐f(xié)議（續(xù)）基帶協(xié)議（續(xù)）l可使用各種用戶模式在藍牙設(shè)備間傳送話音，面向連接的話音分組只需經(jīng)過基帶傳輸，而不到達L2CAP。話音模式在藍牙系統(tǒng)內(nèi)相對簡單，只需開通話音連接就可傳送話音。2.核心協(xié)議核心協(xié)議l 2）連接管理協(xié)議（LMP） l該協(xié)議負責(zé)各藍牙設(shè)備間連接

8、的建立。它通過連接的發(fā)起、交換、核實，進行身份認(rèn)證和加密，通過協(xié)商確定基帶數(shù)據(jù)分組大小。它還控制無線設(shè)備的電源模式和工作周期，以及微微網(wǎng)內(nèi)設(shè)備單元的連接狀態(tài)。2.核心協(xié)議核心協(xié)議l3）邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）l 該協(xié)議是基帶的上層協(xié)議，可以認(rèn)為它與LMP并行工作，它們的區(qū)別在于，當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不經(jīng)過LMP時，L2CAP為上層提供服務(wù)。L2CAP向上層提供面向連接的和無連接的數(shù)據(jù)服務(wù)，它采用了多路技術(shù)、分割和重組技術(shù)、群提取技術(shù)。L2CAP允許高層協(xié)議以64k字節(jié)長度收發(fā)數(shù)據(jù)分組。雖然基帶協(xié)議提供了SCO和ACL兩種連接類型，但L2CAP只支持ACL。 2.核心協(xié)議核心協(xié)議4）服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)

9、議（SDP） l 發(fā)現(xiàn)服務(wù)在藍牙技術(shù)框架中起著至關(guān)緊要的作用，它是所有用戶模式的基礎(chǔ)。使用SDP可以查詢到設(shè)備信息和服務(wù)類型，從而在藍牙設(shè)備間建立相應(yīng)的連接。3.應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)用層協(xié)議l電纜替代協(xié)議(RFCOMM) RFCOMM是基于ETSI-07.10規(guī)范的串行線仿真協(xié)議。它在藍牙基帶協(xié)議上仿真RS-232控制和數(shù)據(jù)信號，為使用串行線傳送機制的上層協(xié)議（如OBEX）提供服務(wù)。3.應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)用層協(xié)議l電話控制協(xié)議 （TCS ） l該協(xié)議是面向比特的協(xié)議，它定義了藍牙設(shè)備間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫的控制信令，定義了處理藍牙TCS設(shè)備群的移動管理進程?；贗TU TQ.931建議的TCSBinary被指

10、定為藍牙的二元電話控制協(xié)議規(guī)范。l點對點協(xié)議（PPP） 在藍牙技術(shù)中，PPP位于RFCOMM上層，完成點對點的連接。lTCP/UDP/IP 該協(xié)議是由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組制定，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)通信的協(xié)議。在藍牙設(shè)備中，使用這些協(xié)議是為了與互聯(lián)網(wǎng)相連接的設(shè)備進行通信。l對象交換協(xié)議（OBEX） IrOBEX(簡寫為OBEX)是由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA）制定的會話層協(xié)議，它采用簡單的和自發(fā)的方式交換目標(biāo)。OBEX是一種類似于HTTP的協(xié)議，它假設(shè)傳輸層是可靠的，采用客戶機/服務(wù)器模式，獨立于傳輸機制和傳輸應(yīng)用程序接口（API）。 電子名片交換格式（vCard）、電子日歷及日程交換格式（vCal）都是開

11、放性規(guī)范，它們都沒有定義傳輸機制，而只是定義了數(shù)據(jù)傳輸格式。SIG采用vCard/vCal規(guī)范，是為了進一步促進個人信息交換。 l無線應(yīng)用協(xié)議（WAP） 該協(xié)議是由無線應(yīng)用協(xié)議論壇制定的，它融合了各種廣域無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其目的是將互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容和電話傳送的業(yè)務(wù)傳送到數(shù)字蜂窩電話和其他無線終端上。藍牙數(shù)據(jù)包藍牙數(shù)據(jù)包l1.藍牙鏈路SCO和ACL藍牙基帶對應(yīng)兩種類型的鏈路：SCO和ACL。lSCO：一對一的點到點鏈路，對應(yīng)voice通信，此鏈路數(shù)據(jù)不可重傳，用于64kbps的語音通信。lACL：微微網(wǎng)內(nèi)點對多點的鏈路，對應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸，此鏈路可以重傳數(shù)據(jù)包.Sco：synchronous connectio

12、n orientedACL：asynchronous connectionlessl2.藍牙前導(dǎo)碼接入碼：時鐘同步，偏移補償，尋呼和查詢。分為三類：信道接入碼，設(shè)備接入碼，查詢接入碼。l信道接入碼標(biāo)識微微網(wǎng)（對微微網(wǎng)唯一），而DAC則用于尋呼及其響應(yīng)。IAC用于查詢。數(shù)據(jù)包報頭包含了數(shù)據(jù)包確認(rèn)、亂序數(shù)據(jù)包重排的數(shù)據(jù)包編號、流控、從單元地址和報頭錯誤檢查等信息。數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分（payload）可以包含語音字段、數(shù)據(jù)字段或者兩者皆有。數(shù)據(jù)包可以占據(jù)一個以上的時隙（多時隙數(shù)據(jù)包），而且可以在下一個時隙中持續(xù)傳輸。數(shù)據(jù)部分還可以攜帶一個16位長的CRC碼用于數(shù)據(jù)錯誤檢測和錯誤糾正。SCO數(shù)據(jù)包則不包

13、括CRC。藍牙數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)藍牙數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)l1）單時隙、多時隙結(jié)構(gòu)l為了實現(xiàn)在同一信道里的主、從通信，藍牙定義了時分雙工(TDD)的工作模式。工作情況下藍牙跳頻頻率為1600跳/秒，這也說明了在每個跳頻點上停留的時間為625us,這625us就被定義為藍牙的一個時隙，在實際工作中可以分為單、多時隙。工作時隙的選擇根據(jù)當(dāng)前的數(shù)據(jù)流量以及工作狀態(tài)下的無線環(huán)境。lV1.2標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)l有5種普通類型數(shù)據(jù)包、4種SCO數(shù)據(jù)包和7種ACL數(shù)據(jù)包。其簡要說明請見課本表4-1。藍牙地址藍牙地址l為了識別眾多的藍牙設(shè)備，像對待存儲器的存儲單元一樣，每個藍牙設(shè)備都分配了一個48位的地址，簡稱藍牙地址（BDADDR

14、），48位藍牙地址能尋址的藍牙設(shè)備應(yīng)當(dāng)有248=256T個（1T=240），但事實上再大的散射網(wǎng)也用不完如此大的藍牙設(shè)備空間。使用中把藍牙地址分成了三段：低24位地址段LAP；未定義8位地址段NAP；高16位地址段UAP。lUAP和LAP合在一起形成了藍牙尋址空間240。NAP和UAP合在一起形成了24位地址，用作生產(chǎn)廠商的唯一標(biāo)識碼，由藍牙權(quán)威部門分配給不同的廠商。LAP在各廠商內(nèi)部分配。l圖 4-4 藍牙地址分段表l4種基本類型的設(shè)備地址數(shù)據(jù)包頭部負載部分EDR數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)lEDR是藍牙特別興趣小組(SIG)開發(fā)的一種協(xié)議，能使藍牙無線連接的帶寬提高到3Mbps，v2.0+EDR藍

15、牙的主要改進，在于它使數(shù)據(jù)傳輸速率較傳統(tǒng)的藍牙速率提高了三倍（3Mbps：1Mbps）。這就意味著無線單元運行的時間只有原來的三分之一，因此功耗也只有原來的三分之一。因此可以實現(xiàn)更快速的連接，并可同時支持多條藍牙鏈路，以及實現(xiàn)新的更高帶寬的應(yīng)用，比如音頻流。l數(shù)據(jù)速率得以提高的部分原因在于數(shù)據(jù)包傳輸方式的根本改變。基本數(shù)據(jù)包和EDR數(shù)據(jù)包比較圖l藍牙EDR數(shù)據(jù)包仍然采用GFSK來調(diào)制接入碼和數(shù)據(jù)包頭，而對有效載荷采用下列兩種調(diào)制方式之一：一種是強制性的，提供兩倍數(shù)據(jù)速率，并且可以容忍大量的噪音；另外一種是選擇性的，可以提供三倍的數(shù)據(jù)速率。l兩倍數(shù)據(jù)速率采用p/4差分四相移相鍵控（p/4-DQP

16、SK）。l三倍數(shù)據(jù)速率采用8-DPSK。8-DPSK類似于p/4-DQPSK，但允許差分移動至八個可能相位中的任何一個。相鄰相位之間較小的相差和相位躍變的利用，意味著8-DPSK更易受到干擾，但它允許每個符號有三個比特的數(shù)據(jù)進行編碼。藍牙狀態(tài)藍牙狀態(tài)l藍牙控制器主要運行在以下兩個狀態(tài)：待命（Standby）和連接（Connection）。微微網(wǎng)內(nèi)總共有7種子狀態(tài)可用于增加從單元或者實現(xiàn)連接。這些狀態(tài)是l尋呼（page）l尋呼掃描（pagescan）l查詢（inquiry）l查詢掃描（inquiryscan）l主單元響應(yīng)（masterresponse）l從單元響應(yīng)（slaveresponse）l

17、查詢響應(yīng)（inquiryresponse）。藍牙連接狀態(tài)藍牙連接狀態(tài)l連接（Connection）狀態(tài)開始于主單元發(fā)送POLL數(shù)據(jù)包，通過這個數(shù)據(jù)包主單元即可檢查從單元是否已經(jīng)交換到了主單元的時序和跳頻信道。從單元即可以任何類型的數(shù)據(jù)包響應(yīng)。 l連接狀態(tài)的藍牙設(shè)備可以處于以下4種狀態(tài)之下：激活（Active）、保持（Hold）、休眠（Sniff）和監(jiān)聽（Park）模式。藍牙技術(shù)中一個顯著的技術(shù)難點就是如何實現(xiàn)這些狀態(tài)之間的遷移，特別是從監(jiān)聽到活動（或者反之）更是相當(dāng)有難度。這些模式在以下簡要說明：藍牙狀態(tài)轉(zhuǎn)換藍牙狀態(tài)轉(zhuǎn)換l在微微網(wǎng)建立之前，所有設(shè)備都處于就緒(STANDBY)狀態(tài)。在該狀態(tài)下，

18、未連接的設(shè)備每隔1.28秒監(jiān)聽一次消息，設(shè)備一旦被喚醒，就在預(yù)先設(shè)定的32個跳頻頻率上監(jiān)聽信息。跳頻數(shù)目因地區(qū)而異，但32個跳頻頻率為絕大多數(shù)國家所采用。l連接進程由主設(shè)備初始化。如果一個設(shè)備的地址已知，就采用頁信息(Page message)建立連接；如果地址未知，就采用緊隨頁信息的查詢信息(Inquiry message)建立連接。查詢信息主要用來查詢地址未知的設(shè)備(如公用打印機、傳真機等)，它與頁信息類似，但需要附加一個周期來收集所有的應(yīng)答。在初始頁狀態(tài)(PAGEstate)，主設(shè)備在16個跳頻頻率上發(fā)送一串相同的頁信息給從設(shè)備，如果沒有收到應(yīng)答，主設(shè)備就在另外的16個跳頻頻率上發(fā)送頁信

19、息。l在微微網(wǎng)中，無數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備轉(zhuǎn)入節(jié)能工作狀態(tài)。主設(shè)備可將從設(shè)備設(shè)置為保持方式(HOLDmode)，此時，只有內(nèi)部定時器工作；從設(shè)備也可以要求轉(zhuǎn)入保持方式。設(shè)備由保持方式轉(zhuǎn)出后，可以立即恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸。連接幾個微微網(wǎng)或管理低功耗器件（如溫度傳感器）時，常使用保持方式。監(jiān)聽方式(SNIFFmode)和休眠方式（PARKmode）是另外兩種低功耗工作方式。在監(jiān)聽方式下，從設(shè)備監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的時間間隔增大，其間隔大小視應(yīng)用情況由編程確定；在休眠方式下，設(shè)備放棄了MAC地址，僅偶爾監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)同步信息和檢查廣播信息。各節(jié)能方式依電源效率高低排列為：休眠方式保持方式監(jiān)聽方式。藍牙關(guān)鍵技術(shù)藍牙關(guān)鍵技術(shù)1無線頻段的

20、選擇和抗干擾2多址接入體系和調(diào)制方式3媒體接入控制（MAC）4基于包的通信5以物理連接類型建立連接6糾錯7功率管理8微微網(wǎng)間通信1無線頻段的選擇和抗干擾24002483.5Hz抗干擾方法：避免干擾、抑制干擾。頻域避免干擾的方法更為有效。2多址接入體系和調(diào)制方式l頻分多址和碼分多址。l3媒體接入控制（MAC）l同一微微網(wǎng)內(nèi)，主單元負責(zé)接入控制，為非自由競爭。l微微網(wǎng)間的干擾，利用Aloha技術(shù)解決。藍牙糾錯機制藍牙糾錯機制l藍牙系統(tǒng)的糾錯機制分為：FEC和包重發(fā)。lACL用ARQ機制lSCO用FEC機制。l1/3 速率FEC采用1/3速率FEC則每個位被重復(fù)三遍作為冗余 l2/3速率FEC2/3

21、方式則采用一個生成多項式把10位代碼編碼為15位代碼lARQ結(jié)構(gòu)分為：停止等待ARQ、向后N個ARQ、重復(fù)選擇ARQ和混合結(jié)構(gòu)。為了減少復(fù)雜性，使開銷和無效重發(fā)為最小，藍牙執(zhí)行快ARQ結(jié)構(gòu)：藍牙使用快速的不編號確認(rèn)，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)腁RQN值來使用正確認(rèn)和負確認(rèn)。如果傳輸超時，藍牙丟棄數(shù)據(jù)包并處理下一個數(shù)據(jù)包。lACKNACK信息加載在返回包的包頭里，在RXTX的結(jié)構(gòu)交換時間里，判定接收包是否正確。在返回包的包頭里，生成ACKNACK域，同時，接收包包頭的ACKNACK域可表明前面的負載是否正確接收，決定是否需要重發(fā)或發(fā)送下一個包。由于處理時間短，當(dāng)包接收時，解碼選擇在空閑時間進行，并要簡化FE

22、C編碼結(jié)構(gòu)，以加快處理速度?？焖貯RQ結(jié)構(gòu)與停止等待ARQ結(jié)構(gòu)相似，但時延最小，實際上沒有由ARQ結(jié)構(gòu)引起的附加時延。該結(jié)構(gòu)比向后N個ARQ更有效，并與重復(fù)選擇ARQ效率相同，但由于只有失效的包被重發(fā)，可減少開銷。在快速ARQ結(jié)構(gòu)中，僅有1bit序列號就夠了（為了濾除在ACKNACK域中的錯誤而正確接收兩次數(shù)據(jù)包）。l功率l藍牙設(shè)備根據(jù)發(fā)送器的輸出功率可以劃分為三種功率類型。l功率控制器即根據(jù)設(shè)備的功率需要來限制和優(yōu)化輸出功率。l跳頻l24GHz的ISM頻段中還有80211b，HomeRF及微波爐、無繩電話等電子設(shè)備，為了與這些設(shè)備兼容，以及有效利用頻譜、防止通信設(shè)備之間相互干擾，藍牙采用了自適應(yīng)跳頻AFH（AdaptiveFrequencyHopping），先聽后說LBT（ListenBeforeTalk）、功率控制等一系列獨特的措施克服干擾，避免沖突。跳頻周期跳頻周期l每個微微網(wǎng)的跳變序列是唯一的，由主設(shè)備的Bluetooth設(shè)備地址決定。跳變序列的相位由主設(shè)備的時鐘決定。在微微網(wǎng)中，所有單元都在時間上和跳頻上與信道同步。信道分為時隙，每個時隙長625us。每個時隙相應(yīng)地有一個跳頻頻率，通常跳頻速率為1600跳/秒。時隙數(shù)根據(jù)微微網(wǎng)中主設(shè)備的Bluetooth時鐘決定。時隙數(shù)從0到227-1，周期為2。系統(tǒng)使用TDD方案來使主設(shè)備和從