蓝牙技术与个人局域网PAN.ppt

蓝牙技术与个人局域网 (PAN),一、蓝牙技术的概念 二、蓝牙协议 三、蓝牙的关键技术 四、蓝牙系统组成 五、蓝牙技术优势 六、蓝牙技术与PAN,近年来，随着各种短距离无线通信技术的发展，专业人士提出了一个新的概念，即个人局域网（Personal Area Network, PAN）。PAN核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络。从计算机网络的角度来看，PAN 是一个局域网；而从电信网络的角度来看，PAN是一个接入网。 PAN定位在家庭与小型办公室的应用场合，其主要应用范围包括话音通信网关、数据通信网关、信息电器互联与信息自动交换等。 PAN的实现技术主要有：Bluetooth、IrDA、Home RF与UWB（Ultra-Wideband Radio）四种。其中，蓝牙(Bluetooth)技术是一种支持点到点、点到多点的话音、数据业务的短距离无线通信技术，蓝牙技术的发展极大地推动了 PAN技术的发展，IEEE专门成立了IEEE802.15小组负责研究基于蓝牙的PAN技术。,一、蓝牙技术的概念,蓝牙是一个开放性的、短距离无线通信技术标准，它可以用于在较小的范围内通过无线连接的方式实现固定设备以及移动设备之间的网络互连，可以在各 种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。因为蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的CMOS芯片中，因此它特别适用于小型的移动通信设備.,二、蓝牙协议,蓝牙的通信协议也采用分层结构。层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或 自动查询来发现其他蓝牙设备，从而构成微微网（piconet）或分散网（scatternet），实现系统提供的各种功能，使用十分方便。其中： * Bluetooth radio是蓝牙设备中负责传送和接收调制无线电信号的收发器。出于兼容的原因，采用蓝牙的无线设备应当具有确定的无线收发特性。 * Baseband（基带）即蓝牙的物理层，负责管理物理信道和链路，但不包括错误纠正、数据处理、跳频选择和蓝牙安全等业务。,* ACL即在物理信道上传输数据的异步无连接（Asynchronous Connection-Less）物理链路。ACL链路在主单元（Master）和所有其他从单元（Slave）之间提供分组交换连接。 SCO 即同步连接（Synchronous Connection-Oriented）物理链路，主要用于语音通信之类的信息传输。SCO是主单元和指定从单元之间点对点的对称链路。它和电路交换连接非常相似。 * 链路管理器（Link Manager）主要处理链路建立、链路安全和链路控制等任务。它提供认证、加密控制、功率控制等服务和QoS能力。 * L2CAP即逻辑链路控制和适应层协议（Logical Link Control and Adaptation Layer protocol）。它位于数据链路层，向上层协议提供复用、分段、重组和组抽象等无连接和面向连接的数据服务。L2CAP允许高层协议和应用程序收发长 度最高可达64 Kb的L2CAP数据包。 * SDP即服务发现协议（Service Discovery Protocol），应用程序使用该协议找出哪些服务可用，并确定这些可用服务的特性。,串口仿真协议（RFCOMM）是一种简单传输协议，可在L2CAP之上仿真RS-232串口电路，因此它实际上是一种电缆替代协议。RFCOMM协议支持两台蓝牙设备之间的多达60个并发连接。 TCP（传输控制协议：Transmission Control Protocol）在网络层采用IP协议情况下在传输层建立不同设备之间的可靠连接。,三、蓝牙关键技术,1.跳频技术 蓝牙的载频选用全球通用的2.45GHz ISM频段，由于2.45GHz的频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的任何一个频段都有可能遇到不可预测的干扰源。采用跳频扩谱技术是避 免干扰的一项有效措施。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是 按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰。跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰 可能产生的影响变得很小。,依据各国的具体情况，以2.45GHz为中心频率，最多可以得到79个1MHz带宽的信道。在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为 721kb/s，并采用低功率时分复用方式发射。蓝牙技术理想的连接范围为10厘米10米，但是通过增大发射功率可以将距离延长至100米。 跳频扩谱技术是蓝牙使用的关键技术之一。对应于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒；对应于时隙包，跳频速率有所降低；但在建立链路时则提高为 3200跳/秒。使用这样高的跳频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力。它采用以多级蝶形运算为核心的映射方案，与其他方案相比，具有硬件设备简单、性 能优越、便于79/23频段两种系统的兼容以及各种状态的跳频序列使用统一的电路来实现等特点。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更 短，因此更稳定。,2.微微网和分散网 当两个蓝牙设备成功建立链路后，一个微微网便形成了，两者之间的通信通过无线电波在79个信道中随机跳转而完成。 微微网信道由一主单元标识（提供跳频序列）和系统时钟（提供跳频相位）来定义，其它为从单元。每一蓝牙无线系统有一本地时钟，没有通常的定时参 考。当一微微网建立后，从单元进行时钟补偿，使之与主单元同步，微微网释放后，补偿亦取消，但可存储起来以便再用。一条普通的微微网信道的单元数量为8 （1主7从），可保证单元间有效寻址和大容量通信。实际上，一个微微网中互联设备的数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为主，7个 为从。蓝牙系统建立在对等通信基础上，主从任务仅在微微网生存期内有效，当微微网取消后，主从任务随即取消。每一单元皆可为主/从单元，可定义建立微微网 的单元为主单元。除定义微微网外，主单元还控制微微网的信息流量，并管理接入。蓝牙给每个微微网提供特定的跳转模式，因此它允许大量的微微网同时存在，同 一区域内多个微微网的互联形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。,蓝牙系统可优化到在同一区域中有数十个微微网运行，而没有明显的性能下降。蓝牙时隙连接采用基于包的通信，使不同微微网可互联。欲连接单元可加 入到不同微微网中，但因无线信号只能调制到单一跳频载波上，任一时刻单元只能在一微微网中通信。通过调整微微网信道参数（即主单元标志和主单元时钟），单 元可从一微微网跳到另一微微网中，并可改变任务。例如某一时刻在微微网中的主单元，另一时刻在另一微微网中为从单元。由于主单元参数标示了微微网信道的跳 转模式，因此一单元不可能在不同的微微网中都为主单元。跳频选择机制应设计成允许微微网间可相互通信，通过改变标志和时钟输入到选择机制，新微微网可立即 选择新的跳频。为了使不同微微网间的跳频可行，数据流体系中没有保护时间，以防止不同微微网的时隙差异。,3.时分多址（TDMA）的调制技术 在1.0版本的技术标准中，蓝牙的基带比特速率为1Mb/s，采用TDD方案来实现全双工传输，因此蓝牙的一个基带帧包括两个分组，首先是发送 分组，然后是接收分组。蓝牙系统既支持电路交换也支持分组交换，支持实时的同步定向链接（SCO）和非实时的异步不定向链接（ACL）。 SCO链路是微微网中单一主单元和单一从单元之间的一种点对点对称的链路。主单元采用按照规定间隔预留时隙（电路交换类型）的方式可以维护 SCO链路。主单元可以支持多达三条并发SCO链路，而从单元则可以支持两条或者三条SCO链路，SCO链路上的数据包不会重新传送。SCO链路主要用于 64 kB/s的语音传输。 ACL链路是微微网内主单元和全部从单元之间点对多点链路。在没有为SCO链路预留时隙的情况下，主单元可以对任意从单元在某一时隙的基础上建 立ACL链路，其中也包括了从单元已经使用某条SCO链路的情况（分组交换类型）。对大多数ACL数据包来说都可以应用数据包重传。ACL链路主要以数据 为主，可在任意时隙传输。,4.编址技术 蓝牙有4种基本类型的设备地址： *BD_ADDR：BD_ADDR是一个48位长地址，该地址符合IEEE802标准，可划分为LAP（24位地址低端部分）、UAP（8位地址高端部分）和NAP（16位无意义地址部分）三部分。 * AM_ADDR：AM_ADDR是3位长的活动成员地址，所有的0信息AM_ADDR都用于广播消息。 * PM_ADDR：PM_ADDR是8位长的成员地址，分配给处于暂停状态的从单元使用。 * AR_ADDR：AR_ADDR是访问请求地址（access request address），被暂停状态的从单元用该地址来确定访问窗口内从单元主单元半时隙，通过它发送访问消息。 任一蓝牙设备，都可根据IEEE802标准得到一个惟一的48bit的BD_ADDR。它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在 BD_ADDR基础上，使用一些性能良好的算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码（ID）在全球的惟一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的 安全保密。 5.安全性 蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保 障，但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层的安全管理。在链路层中，蓝牙系统使用认证、加密和密钥管理等功能进行安全控制。在应用层中，用户可以使用个人标 识码（PIN）来进行单双向认证。,6、纠错技术 蓝牙系统的纠错机制分为FEC和包重发。FEC支持1/3率和2/3率FEC码。1/3率仅用3位重复编码，大部分在接收端判决，既可用于数据 包，也可用于SCO连接的包负载。2/3率码使用一种缩短的汉明码，误码捕捉用于解码，它既可用于SCO连接的同步包负载，也可用于ACL连接的异步包 负载。在ACL连接中，可用ARQ结构。在这种结构中，若接收方没有响应，则发端将包重发。每一负载包含有一CRC，用来检测误码。 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：发送端在TX时隙重发包，在RX时隙提示包接收情况。若加入2/3率FEC 码，将得到I类混合ARQ结构的结果。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FEC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1位序列号就够了。,四、蓝牙系统组成,1.天线单元 蓝牙的天线部分体积十分小巧、重量轻，属于微带天线。蓝牙空中接口是建立在天线电平为0dB的基础上的。空中接口遵循FCC有关电平为0dB的ISM频段的标准。如果全球电平达到100mW以上，可以使用扩展频谱功能来增加一些补充业务。 2.链路控制（硬件）单元 目前蓝牙产品的链路控制硬件单元包括3个集成芯片：连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器，此外还使用了35 个单独调谐元件。基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。,3.链路管理（软件）单元 链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。LM能够发现其他远端LM并通过LMP（链路管理协议）与 之通信。LM模块提供如下服务：发送和接收数据、请求名称、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建立、决定帧的类型等。 4.软件单元 蓝牙的软件是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑，它符合已经制定好的蓝牙规范。蓝牙规范包括两部分：第一部分为核心部分，用 以规定诸如射频、基带、连接管理、业务发现、传输层以及与不同通信协议间的互用、互操作性等组件；第二部分为应用规范（Profile）部分，用以规定不 同蓝牙应用所需的协议和过程。分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量（QoS）、协议的复 用和分用等功能。,蓝牙设备依靠专用的蓝牙微芯片使设备在短距离范围内发送无线电信号，来寻找另一个蓝牙设备。一旦找到，相互之间便开始通信。目前，蓝牙的研制者 主要寻求其ASIC的解决方案，包括射频和基带部分。现在已有多种将基带ASIC电路和射频ASIC电路做成一个电路模块的方案，预计很快将会进入批量生 产的阶段。蓝牙系统的通信协议大部分可用软件来实现，加载到Flash RAM中即可进行工作。,五、蓝牙技术优势,720K bps的传输速度 蓝牙的传输速率为720K bps。实际上的应用而言，可传送低分辨率的数字相片，对音乐数据而言， MP3约3分钟的音乐数据约1分钟可以传送完毕。在动画方面，则可以应用在MPEG 4 上，DVD则因为数据过于庞大则无法达成。 拥有双向通信能力及非对称通信方式 双向通信方面，如：由PDA所输入的资料可以经由蓝芽传送到计算机，相对的由计算机可以经过蓝牙，传送讯息给PDA。关于非对称传方面，双向非对称传送时，一方为723.2 Kbps，另一方为57.6K bps。在实际应用方面，非对称传输是常常出现的，如因特网中的Web，就是一种非对称传输典型例子：服务器传送大量的数据到客户端，客户端只传送少量的请求及数据。在蓝牙应用方面，如：数字相机与打印机之间，就是非对称传输的例子。上传（照片影像数据）与下载（ACK）的数据量有所不同，而蓝牙支持非对称式传输方式，可说是顺应时代潮流。,2.0版预定传输速率达2-10M bps 蓝牙与其它的规格相比较，如IrDA 4M bps、IEEE 802.11b 11M bps (无线局域网络规格，标准正在订定中，蓝牙在第一版时，传输速率（720K bps）可算是略逊一筹。但蓝牙第二版中，预计速度将达到2-10M bps。虽然高速版本的蓝牙规格何时会正式决定尚是个未知数，但如果此一规格确定时，则必定会有相对应的应用产品，此时传送庞大数据，如：动画影响将不是问题，届时可能802.11b产生排挤作用。 无方向性天线的特性 可穿透障碍物的特性也是蓝牙的特征、也是蓝牙应用RF的优点之一。 一般红外线遥控器缺点是只要在障碍物的状况下时，可能电波（红外线）就会被遮断而无法传达。但以装有蓝牙的无线耳机为例，手机放在裤子口袋，或者是放在背包中，透过无线耳机就可以轻易的收听。因为蓝牙应用频段为2.4GHz，其拥有良好穿透性。,具有保密安全特性 蓝牙设备之间可相互间认证，如果判别为蓝牙双方为可信任的设备，就可以展开通信。蓝牙的终端设备会在无线范围内(10公尺）自动发射波段寻找其它蓝牙设备，并随时都处于待机状态。在保密方面，为了使其无法被窃听或盗用，因此在个别设备上相互传送数据时，会判断对方是否为可信任的设备。在技术方面上这类方式是可行，至于在实际应用上，对于要不要做认证工作，要视不同的应用，有不同的作法。 可同时与多个设备通讯 蓝牙可以构成Pico Net（一种小型的网络），而和多个设备同时相互通信。Pico-Net 中有Master与Slave的关系。Master可以同时间和7个Slave相互通讯。同时一个设备可以同时是一个Pico Net的Master，也是另一个Pico Net的Slave，或者是同时两个Pico Net的Slave。由于此项功能，未来的应用将是无限宽广。其中可能的有趣应用之一，如携带型电子游戏机间的通讯对战。,使用世界标准2.4GHz 的频段 蓝牙利用2.4GHz的频段，这个频段在全世界皆可以免费使用，因此具有高自由度的使用性。但在IEEE802.11b，无线局域网络也是利用此频段。一旦大量使用之后。此一频段可能会受到大量干扰，,蓝牙优点归纳 以下将蓝牙和其它规格比较后，将其优点作一总整理。 与红外线（IrDA）比较 通讯范围内能自动辨识其它具有蓝牙功能的设备，而展开存取 非使用时则进入安眠省电状态，具有节约电力的特性 红外线装置只能针对特定的数据进行数据传输，因此没有互换性。而蓝牙则具有某种程度的互换性。 移动中也可以构成无线网络（红外线只能针对静止的装置进行通讯） 具有穿透