无线通信系统与技术-第10章蓝牙技术

第10章 蓝牙技术, 蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线数据和语音传输的全球性开放式技术规范，工作在2.4GHz ISM开放频段。 它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定或移动通信设备之间提供通信链路，使得近距离内各种信息设备能够提供资源共享。, 尽管蓝牙技术的设计初衷是将智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字信息的外部设备用无线方式连接起来，进而形成一种个人网络，使得在其可达到的范围之内各种信息化的移动便携设备都能无缝地共享资源。, 但实际上它的应用潜力已经远远大于最初蓝牙技术开发者的想象，其与众不同的优越特性，引起了人们越来越多的兴趣，随着蓝牙技术的发展和越来越多的厂商关注蓝牙，确立蓝牙技术发展的最终目的是要建立一个全球统一的无线连接标准。, 使得不同厂家生产的数字信息设备在近距离内不用电缆就可以很方便地连接起来，实现相互操作与数据共享，目前基于蓝牙技术的产品正在不断面市，而蓝牙技术本身也在不断地完善。 本章对蓝牙技术进行简介。,10.1 概述,10.1.1 蓝牙技术的起源与演进,10.1.2 蓝牙技术的特点, 蓝牙技术的开放性。 蓝牙技术的通用性。 短距离。 无线“即连即用”。 抗干扰能力强。, 支持语音和数据通信。 组网灵活。 软件的层次结构。 蓝牙模块体积很小、便于集成。 成本低。,10.2 蓝牙设备组成与蓝牙网络结构,10.2.1 蓝牙设备的组成,图10-1 蓝牙设备的组成结构,1无线射频单元, 蓝牙无线射频单元是一个蓝牙无线收发器，它是任何蓝牙设备的核心，包含中频振荡器、中频滤波器、调制解调器、压控振荡器、频率合成器以及天线控制开关等电路，完成基带数据分组的跳频扩频与解扩功能。,2基带和链路控制器（LC，Link Controller）单元, 基带和链路控制单元完成的蓝牙基带层协议功能主要包括以下几个方面： 建立物理连接（包括跳频序列产生和同步、对接收bit流进行符号定时提取的恢复）； 数据分组打包/解包；, 提供2种不同的物理链路类型、5种逻辑链路和多种分组类型； 差错控制； 鉴权和加密。,3蓝牙链路管理（LM，Link Manager）单元, 完成的主要功能如下： 设备号请求； 链路地址查询； 链路模式协商和建立； 链路连接建立和关闭；, 鉴权； 决定帧的类型； 设备功耗模式设置（监听模式、保持模式或者休眠模式）。,4主机控制接口单元（HCI，Host Controller Interface）, 为了使不同厂商生产的蓝牙模块和主机都能够互相通信，蓝牙协议栈定义了一个蓝牙模块和主机之间的标准接口，称为主机控制接口（HCI）。,5蓝牙主机, 蓝牙的高层协议栈通常设计成一个软件部分，运行在主机设备上，所以有时又称为主机栈（Host Stack）。,10.2.2 蓝牙网络结构, 蓝牙既可以“点到点”也可以“点到多点”进行无线连接。,图10-2 蓝牙网络拓扑结构,1蓝牙微微网, 蓝牙中的基本联网单元是微微网（Piconet），它由一台主设备和17台活跃的从设备组成。,2蓝牙散射网, 在同一个区域内可能有多个微微网，一个微微网中的主设备单元同时也可以从属于另外的微微网，作为另一个微微网中的从设备单元，作为2个或2个以上微微网成员的蓝牙单元就成了网桥节点。,10.3 蓝牙协议,10.3.1 蓝牙标准文档构成 10.3.2 蓝牙协议体系结构,图10-3 蓝牙的协议栈, 第1类是核心协议（Core Protoco1），是由蓝牙SIG专门对蓝牙而开发的核心专用标准协议，形成由下列成分组成的5层栈。, 无线电（Radio）：规范蓝牙无线层的基本技术参数，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。, 基带（BB，BaseBand）：规范媒体访问控制（MAC）和物理层的过程，确定微微网中的连接建立、寻址、分组格式、编/解码、加/解密、计时和功率控制。 链路管理器协议（LMP，Link Manager Protocol）：规范在蓝牙设备链路的建立、拆除及链路的安全控制。, 逻辑链路控制和自适应协议（L2CAP，Logical Link Control and Adaptation Protocol）：是一个为高层传输和应用层协议屏蔽基带协议细节的适配协议，使高层协议不必了解无线层和基带层信号的具体形式。, 服务发现协议（SDP，Service Discovery Protocol）：主要由两大部分组成：服务信息记录数据库和发现/浏览服务功能。, 第2类也是蓝牙SIG开发的协议，但它们是基于现有的协议开发而来的，包括串口仿真协议（RFCOMM）和电话控制协议（TCS，Telephony Control protocol Specification）。, RFCOMM是蓝牙规范中的电缆替代协议（Cable Replacement Protoco1），是一个简单的串口仿真协议，提供了基于L2CAP之上的虚拟串口。, 电话控制协议二进制的通话控制规范（TCS-BIN，Telephony Control SpecificationBinary）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。,第3类是接纳协议（Adopted Protocols），是在由其他标准制定组织发布的规范中定义的，并被纳入总体的蓝牙结构。, 蓝牙战略是仅仅发明必需的协议，尽量使用现有的标准。 接纳协议包括以下内容。, PPP：点对点协议是在点对点链路上传输IP数据报的因特网标准协议。 TCP/UDP/IP是TCP/IP协议簇的基础协议。, OBEX：对象交换协议是为了交换对象，由红外数据协会（IrDA，1nfrared Data Association）开发的会话层协议。 WAE/WAP：蓝牙将无线应用环境和无线应用协议包含到它的结构中。,10.3.3 蓝牙应用模型, 图10-4给出了最高优先级的应用模型，包括如下内容。 文件传输（File Transfer）：文件传输应用模型支持目录、文件、文档、图像和流媒体格式的传输。,图10-4 蓝牙的应用模型, 拨号网络（Dial-up Networking）：使用此应用模型，一台带有蓝牙功能的PC可以通过装有蓝牙芯片的调制解调器或手机以无线方式接入拨号网络，提供拨号连网和传真的功能，对于拨号连网，AT命令用于控制移动电话或Modem。, 局域网接入（LAN Access）：此应用模式使得微微网上的设备可以接入LAN。 同步（Synchronization）：同步操作应用模型提供了手机、电脑、个人数字处理（PDA）等设备间个人信息管理（PIM，Personal Information Management）信息的同步，如商务卡、电话簿、日程、消息和通知等。, 三合一电话（Three in One Phone）：实现此应用模型的电话手机可以作为一台连接到语音基站的无绳电话，作为一部与其他电话相连的内部通信设备和作为一部蜂窝电话。, 头戴式设备（Headset）：可以作为音频输入输出接口和远端设备连接起来，这种应用可以保证人们在通话的时候自由活动。,10.4 蓝牙无线电规范, 蓝牙无线电规范蓝牙设备的最大发射功率定义了三个等级。,1类：最大范围的输出为100mW（+20dBm），最小为1mW（0dBm）。 2类：最大输出为24mW（+4dBm），最小为0.25mW（6dBm）。 3类：最小发射功率。,10.5 蓝牙基带规范,10.5.1 物理信道,图10-5 跳频的时分复用,图10-6 多时隙分组的例子,10.5.2 时钟与编址,（1）本地时钟（CLKN） （2）主时钟（CLK） （3）预计时钟（CLKE）, 蓝牙基带协议规定，蓝牙设备在同一微微网有4种类型的地址。,（1）蓝牙设备地址（BD_ADDR） （2）活动成员地址（AD_ADDR） （3）休眠成员地址（PM_ADDR） （4）访问请求地址（AR_ADDR）,10.5.3 物理链路, 根据对传输业务特性要求的不同，主从设备之间能建立两类链路。 面向同步连接（SCO，Synchronous Connection Oriented）：在涉及主设备和单独从设备的点对点连接时分配固定的带宽。, 异步无连接（ACL，Asynchronous Connectionless）：主设备与微微网中所有从设备间的一条点对多点的链路。,10.5.4 逻辑信道, 根据在SCO和ACL物理链路上传递的不同信息，蓝牙规范定义了5种类型的逻辑信道，它们是为传输不同类型的通信负荷而设计的。, 链路控制（LC，Link Control）：用于链路接口管理分组的通信流，LC信道被映射到分组首部，此信道传送像ARQ、流控制和负荷特征等低级链路控制信息。 除了ID分组之外，LC信道在所有分组中传递，因为ID分组无分组首部。, 链路管理（LM，Link Manager）：在参与站点之间传输链路管理信息。 此逻辑信道支持LMP通信，并能在SCO或ACL链路上传送。, 用户异步（UA，User Asynchronous）；传送异步的用户数据。 正常情况下此信道在ACL链路上传送，但可能在SCO链路上的DV分组中传送。, 用户等时（UI，User Isochronous）；传送等时的用户数据。 此信道正常情况下在ACL链路上传送，但可能在SCO链路的DV分组中传送。, 在基带级，U1信道的处理方式与UA信道相同。 计时提供的等时属性由更高层提供。, 用户同步（US，User Synchronous）：传送同步的用户数据。 此信道在SCO链路上传送。,10.5.5 分组, 接入码（Access Code）：用于计时同步、偏移量补偿、寻呼和询问。 首部（Header）：用于标识分组类型及携带协议控制信息。 负荷（Payload）：如果有，在大多数情况下，它包含用户语音或数据和负荷首部。,图10-7 蓝牙的基带格式,1接入码, 存在3种类型的接入码： 信道接入码（CAC，Channel Access Code）：标识微微网（对微微网是唯一的）。, 设备接入码（DAC，Device Access Code）：用于寻呼及接下来的响应。 询问接入码（IAC，Inquiry Access Code）：用于询问。,2分组首部, 微微网激活成员地址（AM_ADDR）：回忆一下最多可容纳7个活跃的从设备的微微网。 类型（Type）：标识分组的类型（见表10-4），为SCO和ACL链路共有的控制分组预留了4个类型码。, 流（Flow）：仅为ACL通信提供1位的流控制机制。 当收到流：0的分组时，收到分组的站点必须临时停止此链路上ACL分组的传输；当收到流：1的分组时，传输可以重新开始。, ARQN：为一个由CRC保护的ACL通信提供1位确认机制。 SEQN：提供1位序列的计数模式。 首部差错控制（HEC，Header Error Control）：8位的检错码，用于保护分组的首部。,3负载格式, 负载首部（Payload Header）：为单时隙分组定义了8位的首部，为多时隙分组定义了16位的首部。 负载主体（Payload Body）：包含用户信息。 CRC：除了AUXI分组以外，在所有的数据负载上使用16位的CRC码。, 当存在负载首部时，它由3个域组成，如图10-7（d）所示。, L_CH：标识逻辑信道。 选项是LMP报文（11）；未分片的L2CAP报文或分片的初始L2CAP报文（10）；其余后续分片的L2CAP报文（01）；或其他（00）。, 流（Flow）：用于在L2CAP层控制流。 这与在ACL通信中，分组首部的流字段中提供的开/关机制相同。, 长度（Length）：负载中数据的字节数，不包括负载首部和CRC。,10.5.6 差错控制, 在基带层，蓝牙使用3种纠错模式以应付无线链路中可能出现的传输错误。 1/3比例的前向纠错（FEC，Forward Error Correction）用于18位的分组首部及HVl分组中的语音字段。, 2/3比例的FEC被用于所有的DM分组、DV分组的数据字段、FHS分组和HV2分组。 自动重发请求（ARQ，Automatic Repeat reQuest）模式用于DM和DH分组及DV分组的数据字段。,10.5.7 链接控制, 维持（Standby）：默认状态，这是低功率状态，只有本地时钟在工作； 连接（Connection）：设备作为主站或从站连到微微网。,图10-8 蓝牙链接控制器状态转换图, 为从一个状态移至另一个状态，可使用蓝牙链路管理器发出的命令或链路控制器中的内部信号，这些子状态如下。, 寻呼（Page）：设备发起寻呼。 主站使用寻呼激活从站，并与从站相连。, 在不同跳的信道上，主站通过发射从站的设备按入码（DAC，Device Access Code）来发送寻呼消息。, 寻呼扫描（Page Scan）：设备监听自身带DAC的寻呼。, 主站响应（Master Response）：作为主站运行的设备收到从站发出的寻呼响应。 设备现在可以进入连接状态，或返回寻呼状态以寻呼其他从站。, 从站响应（Slave Response）：作为从站运行的设备响应主站发来的寻呼。 如果连接成功地建立，设备进入连接状态；否则，它返回寻呼扫描状态。, 查询（Inquiry）：设备发布。 查询，查找范围内的设备标识。, 查询扫描（Inquiry Scan）；设备监听查询。 查询响应（Inquiry Response）：已发布查询的设备收到查询响应。,1查询过程 2寻呼过程 3连接状态, 一旦从站处于连接状态，它便处于以下4个操作模式之一。 活跃（Active）：通过监听、发送和接收分组，从站积极参与微微网。, 侦测（Sniff）：并不是每次收到时隙（每隔一个时隙）时，从站都会监听，从站只监听对应其报文的特定时隙。, 保持（Hold）：此模式中的设备支持ACL分组，并且，进入降低的功率状态。 置停（Park）；当从站无需参与微微网，但仍被保留为微微网的一部分时，它能进入到置停模式，这是不活跃的低功率模式。,10.6 蓝牙链路管理规范,图10-9 LMP_PDU的格式,10.7 蓝牙逻辑链路控制和自适应协议规范, 无连接服务（Connectionless Service）：这是可靠的数据报格式的服务。, 连接模式服务（Connection-Mode Service）：此服务类似于HDLC提供的服务。 在两用户交换数据时，建立一条逻辑连接，并提供流控制和差错控制。,10.7.1 L2CAP信道, L2CAP提供3种类型的逻辑信道。 无连接（Connectionless）：支持无连接服务。 面向连接（Connection Oriented）：支持面向连接的服务。 信令（Signaling）：提供L2CAP实体间信令报文的交换。,10.7.2 L2CAP分组, 长度（Length）：信息负荷加PSM域的长度，用字节表示。 信道标识（CID，Channel ID）：值为2，表示大连接信道。, 协议/服务多路复用器（PSM，Protocol/Service Multiplexer）：标识高层收到分组的负载。, 信息负荷（1nformation Payload）：高层用户数据。 此域的长度可高达65533（2163）个字节。,图10-10 L2CAP的格式, 信令分组的负荷由一个或多个LMAP命令组成，其中每条命令由4个域组成。 码（Code）：标识命令的类型。, 标识符（Identifier）：用于匹配请求和回应。 请求的设备设置此域，而回应的设备在它的回应中使用相同的值。 每条初始命令使用不同的标识符。, 长度（Length）：此命令指示数据域的长度，用字节表示。 数据（Data）：如果有需要时，与此命令相关的附加数据。,10.7.3 信令命令, 拒绝对命令作响应可发送命令拒绝命令（Command Reject Command）。 连接命令（Connection Command）用于建立一条新的逻辑连接。, 可选的域包括参数列表，它们的值是可协商的，每个参数由3个域定义。, 类型（1B）（Type）：此字节中7个最不重要的位标识选项。 如果最重要的位被设为0，选项是强制的，如果接收站没认出选项，它必须拒绝配置请求；如果最重要的位被设为1，选项是可选的，并且可被接收站点忽略。, 长度（1B）（Length）：可选负荷的长度。 长度为0表示无负荷。, 选项负荷（Option Payload），关于此选项的更多信息。,下列的参数是可协商的。 丢弃超时选项（Flush Timeout Option）：作为ARQ机制一部分的基带规范中，在多次尝试重传失败后，负荷将被丢弃。, 服务质量（QoS，Quality of Service）：标识此信道上本地设备通信（发出的通信）的通信流规范。, 取消连接命令（Disconnection Command）用于结束逻辑信道。 回送命令（Echo Command）用于向远程L2CAP实体请求回应，这些命令一般用于检查链路或使用可选的数据域传递特定厂家的信息。, 信息命令（Information Command）用于向远程L2CAP实体请求特定实现的信息。,10.7.4 服务质量, 流规范由下列参数组成： 服务类型； 令牌速率（bit/s）； 令牌桶的大小（B）； 带宽峰值（bit/s）； 等待时间（s）； 时延变化（s）。,10.8 蓝牙系统的实现,10.8.1 蓝牙模块, 按照蓝牙芯片的发展过程，可以把蓝牙芯片分成两种基本类型：蓝牙芯片组和蓝牙单芯片。, 蓝牙芯片组：即把蓝牙的RF收发器、蓝牙基带控制器和存储器（如闪存）等分别设计在多个独立的芯片中，所以称为芯片组。, 蓝牙单芯片：随着设备小型化的需要以及微电子技术的进步，人们需要一种能够集成蓝牙低层各部分功能（至少应包括RF收发器、基带控制器和LM）的单芯片解决方案，这样可以有效缩小蓝牙芯片的体积，便于集成到一些小型化的设备中，如手机、PDA和耳机中。,图10-11 典型的蓝牙单芯片的结构示意图,1射频收发器, 射频收发器（RF收发器）是蓝牙设备的核心，任何蓝牙设备都要有RF收发器。, RF收发器的主要功能包括： 调制/解调：即将基带控制器送来的低频信号调制为2.4GHz的高频信号，将接收到的高频信号重新