（通信与信息系统专业论文）蓝牙时序调度算法研究与嵌入式蓝牙系统制作.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 在众多无线家庭网络的解决方案中。蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术被认为是目前 最佳的选择之一。蓝牙技术作为一种开放式的技术，得到了众多厂商的支持， 其发展势头之强劲，为世人瞩目。主一从t d d 工作、保留的s c o 链接和可变 分组长度等蓝牙技术特有的m a c 规则，使得时序调度算法对蓝牙系统性能产 生很大的影响。 文章首先简单介绍了蓝牙技术的概况并详细介绍了蓝牙基带层工作原理。 论文分析了其他研究人员提出的众多蓝牙时序调度算法，指出了它们各自存在 的不足，并提出了综合考虑系统溢出、时延和公平性的1 p i 算法( i m e g r a t e d p r i o r i t yi n d e x ，综合优先系数) 。通过利用计算机仿真软件o p n e t 建立起的蓝 牙模型，论文就系统负荷及其分布、缓存大小和系统运行时间等参数对各种算 法的影响做了分析和比较，并研究了i p i 算法的延时性能。得到的结论是：i p i 算法是一种有效的、实用的蓝牙时序调度算法。 文章还对蓝牙技术的关键部分蓝牙模块做了详细的分析和介绍，并对 使用a h d l 4 0 3 2 4 4 s t 0 1 天线的r o k l 0 1 0 0 8 蓝牙模块进行了蓝牙基带测试。在此 基础上作者结合其在蓝牙项目组中的工作，给出了利用单片机通过h c i 指令来 控制蓝牙模块的设计思想和方法，并给出了该方法的具体应用蓝牙打印机 制作方案。 关键词：蓝牙，时序调度，o p n e t ，蓝牙模块 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a m o n g a l a r g en u m b e r o fs o l u t i o n so fw i r e l e s sh o m e n e t ，b l u e t o o t hi sb e l i e v e d t ob eo n eo ft h eb e s tc h o i c e s a sa n o p e nt e c h n i q u e ，b t u e t o o t hw i n sc o m p r e h e n s i v e s u p p o r t f r o m m a n yc o m p a n i e s b l u e t o o t hg r o w s s o r a p i d l y t h a tt h ew o r l di s a s t o n i s h e da ti t d u et ot h ep a r t i c u l a rm a cr u l e so fb l u e t o o t h ，f o re x a m p l e ， m a s t e r - s l a v et d d o p e r a t i o n ，r e s e r v e ds c o l i n ka n dv a r i a b l ep a c k e tl e n g t h ，t h e s c h e d u l i n gp o l i c yp l a y s a n v e r yi m p o r t a n tr o l ei nb l u e t o o t hs y s t e m f i r s t l y , ab r i e f a c c o u n to fb l u e t o o t ht e c h n i q u ei sg i v e n ，a n dt h e nt h eb a s e b a n d p r i n c i p l eo f b l u e t o o t hi sd e s c r i b e di nd e t a i l i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h e s c h e d u l i n gp o l i c i e sp r o p o s e db y o t h e rr e s e a r c h e r sa n dt h es h o r t a g e so ft h e s ep o l i c i e s a r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h ea u t h o ra l s op r o v i d e san e w s c h e d u l i n gp o l i c yc a l l e d 1 p i ( i n t e g r a t e dp r i o r i t yi n d e x ) p o l i c y , w h i c hc o m p r e h e n s i v e l yt a k et h eo v e r f l o w s ， f a i r n e s sa n dd e l a yi n t oa c c o u n t b yc o m p u t e rs t i m u l a t i o n ，w em a k ed e e pa n a l y s i s a n d c o m p a r i s o no f t h ep e r f o r m a n c eo fl p ip o l i c yi nt e r mw i t ht h e p a r a m e t e r ss u c h a s l o a dd i s t r i b u t i o n ，b u f f e r s i z e ，r u n t i m e t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nw i t ht h e o t h e r s c h e d u l i n gp o l i c i e ss u c ha sk f p ( k f a i m e s sp o l i c y ) ，w er e a c ht h i sa g r e e m e n t ：i p i p o l i c yi sa ne f f e c t i v ea n dp r a c t i c a lb l u e t o o t hs c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h e k e yc o m p o n e n to f b l u e t o o t h ，b l u e t o o t hm o d u l e ，i sa n a l y z e d a n di n t r o d u c e d i nd e t a i l t h ea u t h o ra l s o g i v e am e t h o du s i n gm i c r o c h i pt oc o n t r o lb l u e t o o t h m o d u l et h r o u g hh c ic o m m a n d sa n dt h ep r a c t i c a le x a m p l e so ft h i sm e t h o d ，t h e d e s i g no f b l u e t o o t h - p r i n t e ra n db l u e t o o t h - a p p l i c a n t s ，a r ea l s oa v a i l a b l ei nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，s c h e d u l i n g ，o p n e t , b l u e t o o t h m o d u l e i i 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章前言 当今社会是一个信息化的社会，以因特网为标志的计算机通信网络飞速发 展。随着i n t e m e t 的容量与规模以指数级的速度增长，人们的生活与工作方式甚 至是思维方式都发生了很大的变化，i n t e m e t 这种令人始料不及的超速发展也刺 激了各种新技术的层出不穷。p c 、p d a 、数码相机、蜂窝电话，数字电视开始 涌入家庭，具有信息访问功能的微波炉、冰箱及空调等各种数字化的电子消费产 品也不断地出现在人们的视野中。而浩瀚的网上信息更使人们把i n t e m e t 访问、 电子邮件，个人商务以及网上购物等作为生活中必须的一部分。为了在家中更方 便地获取信息，通信或娱乐，作为互联网技术与无线通信技术交叉产物的无线家 庭网络便运用而生。它满足了现代信息社会中人们对通信业务综合化、移动化、 个人化，智能化的要求。无线家庭网络为各种电子设备提供有效、廉价的连接方 案，人们可以方便地将计算机、打印机、外围设备、信息家电、医疗设备，自动 控制设备以及家庭保安装置等各种产品连接起来，形成一个无线的个人家庭网 络，并且可以通过合适的网关把家庭网络与i n t e m e t 连接起来，实现对这些设备 的远程访问和控制。图1 - 1 是一个蓝牙家庭网络的示意图。 图1 1 一个蓝牙家庭网络的示意图 上海太学硕士学位论文 目前，世界上已有很多公司和组织在开发和制定有关无线家庭网络的技术标 准。其中比较有影响的有蓝牙、红外数据连接( i r d a ) ，i e e e 8 0 2 1 1 以及h o m e r f 等，下面我们对这些协议标准分别做一简单的介绍。 1 ) i r d a 红外线传输 i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 原是制定红外线传输标准组织的简称，现在也 代表红外线传输技术。红外线传输步入大量应用已经有七年的历史，约有1 亿台 设备包含了i r d a 端口，许多笔记本电脑、p d a 和移动电话等都有可以与其他红 外线设备连接的红外线接口，i r d a 标准有以下几个特点：最大传输速率为 4 m b p s ；传输角度小于3 0 度：点对点半双工传输。 应用红外线收发器连接虽然可以免去电线或电缆的直接连接，但是使用起来 却存在着许多不便之处。它的传输距离只限于1 - 2 m 的范围之内，而且必须在视 线上直接对准( 至少在一个小角度内) ，中间不能有任何阻挡物。链接只限于两 个设备之间，不能同时连接多个设备。 2 ) i e e e 8 0 2 1 l i e e e s 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室 局域网和校园网中用户终端的无线接入问题，业务主要限于数据通信。 i e e e 8 0 2 1 l 工作在2 4 g h z 频段，它的最低速率为2 m b p s ，最高速率为5 4 m b p s ， 将来若是采用l s t ( l a y e r e ds p a c e t i m ep r o c e s s i n g ) 技术，它的速率可达到5 0 至 1 0 0 m b p s 。在公布i e e e 8 0 2 1 1 标准之后，i e e e 小组又相继推出了i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 l a 两个新标准，三者之间技术上的主要差别在于m a c 子层与物理 层。a p p l e 公司采用i e e e 8 0 2 11 标准，在其小型机场网络实现了li m b p s 的通讯 速率，该系统的通讯范围为1 5 0 英尺。i e e e 8 0 2 1 1 不支持语音传输，这是它最大 的局限性。其另一个缺点就是它的报头开销太大，同时由于成本太高也使得它的 发展受到了一定的限制。 3 ) h o m e r f 技术 h o m e r f 是以开发家庭内部网络无线技术“s w a p ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s s p r o t o c 0 1 ) ”为目的而发展起来的。h o m e r f 也工作在2 4 g h z 频段，是专门为无 线家庭网络设计的。h o m e r f 是在i e e e 8 0 2 1 1 基础上开发出来的，是i e e e 8 0 2 1 1 与d e c t 的结合。它采用了扩频技术，既可以通过时分复用支持语音通信，也可 以通过带冲突检测的载波侦听多路访问协议来提供数据通信服务。h o m e r f 定义 了o s l 7 层模型中的下两层：物理层和媒体接入层( m a c ) 。h o m e r f 的m a c 层 采用s w a p ( 共享无线交换协议) ，能同时提供数据和语音的传输。数据业务采 上海大学硕士学位论文 用c s m a c a 方式接入，话音基于d e c t 标准，采用t d m a 方式接入，能够提 供长话级质量的话音业务。它的组网方式与i e e e 8 0 2 1 l b 相同，也有两种方式： 自主式和中心控制体系结构的组网方式。在按照自主式方式组网时，h o m e r f 仅 提供数据业务。在家庭网络应用中，数据通信和话音通信都非常重要，因此一般 采用有中心控制点的组网方式。此外，h o m e r f 提供了与t c p i p 良好的集成， 支持广播、多播和4 8 位地址。目前h o m e r f 的传输速率是4 m b p s ，覆盖范围为 5 0 米。 4 ) 蓝牙技术 蓝牙规范是一项比较新的标准，对于i e e e 8 0 2 1 1 来说，它的出现不是为了 竞争而是为了互补。1 9 9 8 年5 月，爱立信、i b m 、i n t e l 、诺基亚和东芝等公司组 建了蓝牙特殊兴趣小组( s i g ) ，负责蓝牙技术标准的制定、产品的测试以及协调 各国蓝牙使用的频段。1 9 9 9 年1 2 月1 日，s i g 公布了1 0 b 版本，可以作为蓝牙 设备制造的依据，国际上已有一些厂商推出了根据该版本研制的蓝牙设备。目前 蓝牙规范已发展到了1 1 版本，较之1 0 b 版本，1 1 版本主要在稳定性和互通性 上做了改进。s i g 正在制定蓝牙的更高版本( 2 0 版本) 也即将对外公布。在2 0 版本中，蓝牙设备的速率将达到2 - 1 0 m b p s 。蓝牙无疑是当前发展最为迅速也最 有前途的无线通信协议之一。相对于其他无线规范，蓝牙更适合于家庭网络连接。 蓝牙技术可以附加到大量的设施中去，如移动电话、台式机、固定电话，电子产 品和信息家电。它能使包括蜂窝电话、掌上电脑、笔记本电脑，相关外设和家庭 h u b 等包括家庭r f 的众多设备之间进行信息交换，是实现短距离无线连接的最 佳手段。蓝牙能把一个设备连接到l a n 或者w a n 上，甚至支持全球漫游。当 蓝牙同w l a n 、g s m ，g p r s 等融合时，则为全连通网络铺平了道路。 表1 1 几种无线技术标准的比较 通信频谱 技术标准速率成本特点主要应用 范围范围 1 0 自主式组网，同时提无线家庭 蓝牙 1 m b p s较低 i s m 1 0 0 m供数据、话音的传输网络 i e e e提供以太网级质量无线 2 - 1 1 m b p s 1 0 0 m昂贵i s m 8 0 2 1 l的数据业务局域网 h o i t l e r f 基于d e c t 和8 0 2 1 1 无线家庭 i 6 m b p s 5 0 m 较高 i s m 提供数据和话音业 s w a p网络 务 具有方向性，视角一点对点的 红外技术4 m b p s 1 - 3 m低廉红外 般为1 5 0数据传输 上海大学硕士学位论文 1 2 蓝牙技术简介 1 2 1 蓝牙的核心技术 蓝牙采用的主要技术如下： 蓝牙的工作频率定在2 4 g h z ( i s m 频段) ，采用b t = 0 5 的g f s k 调制方式， 通信范围为1 0 米到1 0 0 米( 根据不同的工作模式来定) 。 蓝牙目前的传输速率为1 m b p s ，对称链路的最大有效速率为4 3 3 9 k b p s ( d h 5 分组) ，不对称链路的最大有效速率为7 2 3 k b p s ，反向为5 7 6 k b p s ( 在一个方向上 传d h 5 分组，另一方向上传d h l 分组) 。即将发布的2 0 标准规定的传输速率 高达1 0 m b p s 。 蓝牙物理层采用跳频时分双工的传输模式，以增加安全性和抗干扰能力。 7 9 个频点的跳频序列在2 4 0 0 0 g h z 到2 4 8 3 5 g h z 频段之间铺展开来，时间被分 成一个个6 2 5 i ls 的时隙，每一时隙对应一个跳频点，跳频速率为1 6 0 0 跳秒。 跳频序列时一组伪随机序列，由m a s t e r 的设备地址及时钟决定。 蓝牙协议定义了1 5 种分组类型，分别用于传送控制信息、数据和话音。每 个分组可以占用一个时隙，也可以扩展到5 个时隙，这将取决于不同的分组类 型，其中多时隙分组在连续的时隙上使用同一频率进行传输。 蓝牙技术支持两种连接方式：面向同步的连接方式( s c o ) ，主要用于话音 传输，也可以用于数据传输；面向异步的连接方式( a c l ) ，用于数据传输。在 蓝牙系统中，话音业务的优先级高于数据业务。 实时话音业务采用c v s d 调制( 连续可变斜率增量调制) ，c v s d 对于突发 干扰具有很强的抵御能力。 系统采用前向纠错( f e c ) 以及自动请求重发( a r q ) 的差错控制机制来减 少远距离传输时的随机噪声影响。 蓝牙技术支持多种省电工作模式，以减小系统的功耗。 1 2 2 蓝牙系统的组成 蓝牙系统一般由天线单元、链路控制( 硬件) 单元、链路管理( 软件) 单元 和蓝牙软件( 协议栈) 单元四个功能模块组成： 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。蓝牙的空中接口是 建立在天线电平为0 d b 基础上的，空中接口遵循f c c 有关电平为0 d b 的i s m 频 上海大学硕士学位论文 段标准。如果电平达到1 0 0 m w 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器包括3 个功能块：连接控制器、基带处理器以及 射频传输，接收器，其中基带处理器负责处理基带协议。此外，链路控制器还使 用了3 - 5 个单独调谐元件。 3 ) 链路管理( 软件) 单元 链路管理( l m ) 软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和 其他一些协议信息。l m 能够发现其他远端l m 并通过l m p ( 链路管理协议) 与之通信。l m 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、判断侦类型等。 4 ) 软件( 协议栈) 单元 蓝牙的软件单元就是蓝牙规范的软件实现。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、服务发现、传输层以及不同 通信协议间的互用、互操作性等组件，完成数据流的过滤和传输、跳频控制、连 接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量( q o s ) 、协议的复用和 分用等功能；第二部分为应用框架( p r o f i l e ) 部分，规定了不同的蓝牙应用所需 要的协议栈。 l竺竺坠壁 l 图l 一2 蓝牙协议栈 上海大学硕士学位论文 1 2 3 蓝牙技术的竞争优势 家庭网络与其他网络的最大不同在于设备的复杂性，各式各样的电器设备接 口和控制远比其他数据网络复杂，而统一的组网标准的出现还有待时日。因此， 家庭网络的实现必将呈现出多种网络技术共存的格局。在目前的市场上， i e e e 8 0 2 1 1 b 在企业无线局域网应用中占据了一定的地位，而h o m e r f 标准则在 零售市场略占上风。但由于技术没有公开，日前只有几十家企业支持。而且其在 抗干扰等方面的弱点也注定了它没有广泛的应用前景。蓝牙则是刚刚进入市场， 成为后起之秀。蓝牙技术的优势主要体现在以下几点： 1 ) 性能稳定，抗干扰能力强 蓝牙技术中的跳频速率更快，在接收或发送一个分组数据后，就跳至另一个 频点，因而更加稳定。蓝牙所采用的前向纠错技术更是限制了较长距离链路的无 序噪声影响，而经过优化的编码方式可使蓝牙技术应用于各种恶劣的无线环境。 2 ) 组网灵活 蓝牙网络的基本单元是微网( p i c o n e t ) ，微网由主设备( m a s t e r ) ( 发起连接 的设备) 和从设备( s l a v e ) 两种设备单元构成，一个微网包含了一个m a s t e r 和 最多7 个激活状态的s l a v e 。几个微网可以通过桥节点( b r i d g e ) 构成一个散射 网( s c a t t e m e t ) ，桥节点的作用类似于中继，它分别是两个微网中的成员。例如， 一台作为主设备的p c 与作为从设备的键盘和鼠标或打印机一起构成了一个微 网；而家庭中所有的信息家电、电脑和外设等可以组成了一个大的散射网。 3 ) 低功耗 功耗是无线产品的一项重要指标，蓝牙产品的输出功率仅为l m w ，仅是微 波炉使用功率的百万分之一或移动电话功率的- 4 , 部分。另外蓝牙还支持多种节 能工作模式，如：h o l d 模式、p a r k 模式、s n i f f 模式。 4 ) 低成本 比较众多的无线家庭网路标准，蓝牙芯片的成本是比较低的。目前蓝牙芯片 的零售价已达1 0 美圆左右，随着蓝牙芯片集成化与规模化的发展，蓝牙芯片的 售价将继续下降，预计到2 0 0 5 年蓝牙芯片的市场零售价约为2 5 美圆。 虽然现在蓝牙技术还远不能说尽善尽美，但它的优势还是比较明显的。有专 家认为：也许只有蓝牙技术才可以真正实现廉价的无线网络梦想。由于蓝牙技术 可同时支持数据、音频、视频信号，这使得蓝牙的应用有可能扩展到成千上万种 产品，人们可以随时随地以任何方式接入网络。由于蓝牙技术独立于操作系统， 所以在各种操作系统中均有良好的兼容性，蓝牙技术对各个商业操作系统中的嵌 入式支持也正在发展中。蓝牙将作为一种低价格、低复杂度、高可靠性的无线接 口技术，很快进入消费市场。 上海大学硕士学位论文 1 2 4 蓝牙技术的发展现状与应用前景 蓝牙的技术界面是专用半导体集成电路芯片，而与用户直接见面的产品界面 则是各种时尚电子产品。因此，蓝牙技术要运用到电子产品中去就要考虑蓝牙芯 片的尺寸，它必须具有小巧、廉价、结构紧凑和功能强大等特点。目前，许多公 司都已经推出了蓝牙单芯片，比如法国a l c a t e l m i c r o e l e c t r o n i c s 公司在i s s c c 2 0 0 1 上公布了蓝牙单芯片l s i ，c s r 公司也推出蓝牙单芯片i c b l u e c o r e 0 1 。 继爱立信推出了第一个蓝牙产品蓝牙耳机以来，许多公司都推出了蓝牙 技术的应用产品。比如，各大手机厂商如n o k i a 等，都推出了蓝牙手机。众多的 p d a 厂商如s u n d e r l a n d 等，也都推出了支持蓝牙通信功能的p d a 新产品。由于 目前蓝牙芯片的价格还比较高，从时间上看，蓝牙技术的应用将分成三个阶段： 第一阶段是是蓝牙产品作为附件应用于高端产品中，如移动电话耳机、笔记 本电脑插卡( p c m i 卡) 和p c 机的u s b 卡等，或应用于有特殊要求的特殊场合， 这种场合只要求性能和功能而不在乎价格。这一阶段的时间大约在2 0 0 1 年底到 2 0 0 2 年底。 第二阶段是蓝牙产品嵌入中高档产品中，如p d a ，移动电话、p c 、笔记本 电脑。蓝牙的价格会进一步下降，有关的测试和认证工作已初步完善，蓝牙芯片 的价格估计会在1 0 美圆左右。这一阶段的时间是2 0 0 2 - 2 0 0 5 年。 第三阶段是2 0 0 5 年以后，蓝牙进入家用电器、数码相机及其他各类电子产 品中，蓝牙网络随处可见，蓝牙应用开始普及，蓝牙芯片的价格在2 5 美圆之间， 每人可能拥有2 3 个蓝牙产品。这时蓝牙应用还将扩展到工业化用途，如医疗监 控设备、汽车产品、超市、工业测量等。 1 3 论文的主要内容 本论文介绍了蓝牙协议基带层( b a s e b a n d ) 的工作原理。特别研究了其中 m a c 层的时序调度( s c h e d u l i n g ) 算法，提出了一种改进的时序调度算法( i p i 算法) ，并进行了计算机仿真讨论。同时，论文还介绍了如何利用单片机通过h c i 指令来控制蓝模块，制作嵌入式蓝牙系统的方法，并给出了该方法的一具体应用 蓝牙打印机的制作。 上述内容将分别在以下章节中予以介绍。在第二章中，简单介绍了蓝牙基带 层的工作原理。蓝牙协议公布以后，由于其在m a c 层特殊的t d d 模式和可变 的分组长度定义，使得如何改进蓝牙在m a c 层中时序调度的算法引起了许多科 研人员的浓厚兴趣。为此，作者在第三章中分析了现有一些算法的不足，并提出 7 上海大学硕士学位论文 了i p i ( 综合优先系数) 算法。仿真结果表明，通过与现有算法的比较，i p i 算法 是一种有效、实用的蓝牙时序调度算法。在第四章中，作者对蓝牙模块作了详细 的分析和介绍，并介绍了一种利用单片机通过h c i 层控制蓝牙模块来制作嵌入 式蓝牙系统的方法，给出了该方法的具体运用蓝牙打印机的设计与制作方 案。 上海大学硕士学位论文 第二章蓝牙基带层协议 2 1 基带层协议概述 蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 开放频段，使用带宽为8 3 5 m h z 。在该频段内以 1 m h z 的带宽为间隔设立了7 9 个射频跳频点。蓝牙系统提供了点对多点的连接 方式。在点对多点的连接方式中，多个蓝牙设备之间共享一个信道。共享同一信 道的两个或两个以上的蓝牙单元形成微网( p i c o n e t ) 。其中一个蓝牙单元作为微 网的主设备，其余的则作为从设备。在一个微网中最多可以有7 个处于活动状态 的从设备，其他从设备可以处于休眠状态，从而锁定于主设备。具有重叠覆盖区 域的多个微网构成一个散射网( s c a t t e m e t ) 。一个微网中的主设备或从设备可以 同时是另一微网中的从设备，各个微网问无须在时问或频率上同步，每个微网都 拥有自己的跳频信道，跳频速率为1 6 0 0 跳秒。同一微网中的所有蓝牙设备应保 持时间和跳频的同步。 信道被划分成长度为0 6 2 5 m s 的时隙。时隙根据蓝牙主设备的时钟来编号， 时隙编号区域为0 2 2 7 1 ，循环周期为2 ”。由于蓝牙系统中主、从设备的分组采 用时分双工( t d d ) 方式进行传输，在系统中主设备采用偶时隙编号开始分组传 送，从设备采用奇编号时隙开始分组传送。 2 2 物理链路 在主设备和从设备间可以建立两种不同类型的链路：s c o ( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n o r i e n t e d l i n k ，面向同步链接) 链接和a c l ( a s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n l e s sl i n k ，异步无链接) 链接。 s c o 链接是在主设备与指定的从设备之间实现对称的、点到点链接。采用 保留时隙来传输分组，因此可以看作是在主设备和从设备之间实现的电路交换链 接。s c o 主要用于支持语音等实时信息的传送。主设备可以支持多达3 个的指 向相同或不同从设备的s c o 链接。从设备可以支持2 路来自不同主设备的s c o 链接。主、从设备在间隔为t s 。两个保留时隙内发送s c o 分组。s c o 链接由主 设备通过l m p 协议发送s c o 设置信息来建立，该信息包含了定时参数，如s c o 间隔和时隙补偿，用以定义保留时隙。为了防止时钟绕卷( c l o c kw r a p a r o u n d ) 问题，在l m p 中设置信息初始化标志时应指出是采用初始化方式1 ，还是方式2 。 若当前主设备时钟( c l k 2 7 ) 的m s b 为0 ，则主设备采用初始化模式1 ；若当前 9 上海大学硕士学位论文 主设备时钟的m s b 为l ，则主设备采用初始化模式2 。 在非s c o 链路保留时隙里，主设备可以以时隙为单位通过a c l 链接与任何 一个从设备交换分组。a c l 链接支持异步和等时( i s o c h r o n o u s ) 两种业务。在一 个主设备和一个从设备之间只能存在一个a c l 链接。对于大多数a c l 分组，分 组重传的目的在于确保数据的完整性。在从一主时隙里，当且仅当当前的主一从 时隙已被编址时，从设备允许返回一个a c l 分组。如果从设备对分组头中的从 设各地址解析失败，则不允许传送分组。来指定目的从设备的a c l 分组可视为 广播分组，可被各从设备解析。如果a c l 链路上没有数据要传且未进行轮询， 就不会发生任何传输过程。 2 3 分组 微网中的数据以分组( p a c k e t ) 形式传送，其标准格式如图2 - 1 所示。 a c c e s sc o d e ( 7 2 ) lh e a d e r ( 5 4 ) i p a y l o a d ( 0 “2 7 4 5 ) p r e 锄b l e ( 4 ) is y n cw o r d ( 6 4 ) lt a i l e r ( 4 ) a h _ 仰d r ( 3 ) jt y p e ( 4 ) if l o w ( 1 ) l 懒n ( 1 ) ls 明n ( 1 ) i 眦( 8 ) s c 0 ip a y l o a d ( h v 2 4 0 d v s 0 ) a c l - l s l o t a c l 一3 5 s l o til _ c h ( 2 ) lf l 鲫( 1 ) ll e n g t h ( 9 ) l u n d e f i n e d ( 4 ) ip a y l o d a ( 1 4 6 4 2 1 1 2 ) l c r c 图2 - i 标准分组格式 每个分组是以识别码开始，若头信息紧随其后，则识别码的长度为7 2 b i t ， 否则识别码长度为6 8 b i t 。识别码主要用于同步、d c 补偿平衡和识别。在微网中 交换的所有分组具有相同的识别。在蓝牙接收机中，滑动相关器( s l i d i n g c o r r e l a t o r ) 关联于识别码，当超过门限电平时被激发，这个激发信号被用于确定 接收定时。识别码也可用于寻呼( p a g i n g ) 和查询( i n q u i r y ) 过程，为i d 分组， 在这种情况下，识别码就作为信令，不必附带分组头和载荷。 o 上海大学硕士学位论文 分组头包含链路控制信息，由六个部分组成，以1 3 比例前向纠错码编码。 分组头中4 b i t 的t y p e 段定义了1 6 种分组类型，如表2 一l 所示。 表2 1分组类型 段类型码占用时隙s c o 链接a c l 链接 0 0 0 01n u l ln u l l 0 0 0 11p o l lp o l l l 0 0 1 0lf h sf h s 0 0 1 lld m ld m l o 1 0 0l未定义d h l 0 1 0 11h v l未定义 0 1 l o1h v 2未定义 2 0 1 1 l1h v 3未定义 1 0 0 0ld v未定义 1 0 0 ll未定义a u x l 1 0 1 03未定义d m 3 1 0 1 13未定义d h 3 3 1 1 0 03未定义未定义 1 1 0 13未定义未定义 1 1 1 03未定义d m 5 4 1 13未定义d h 5 n u l l 分组不携带载荷，仅由信道识别码和分组头组成，总长度为1 2 6 b i t 。 n u l l 分组用来返回链接信息给发送端，不需要确认。 p o l l 分组与n u l l 分组非常类似，不携带载荷。在微网中主设备用p o l l 分组查询从设备，被查询的从设备收到p o l l 分组后必须用一个分组回答，该返 回分组是p o l l 分组的隐含答复。在这个过程中，即使主设备没有任何信息送出， 从设备也必须回答。 s c o 分组用于同步s c o 链接，不包括c r c 码，而且不允许重传。h v l 分 组含有1 0 字节的信息，使用l 3 比例前向纠错码保护，可以承载6 4 k b p s 速率的 1 ，2 5 m s 语音信息，h v l 分组每两个时隙( t s e o = 2 ) 必须进行一次传输。h v 2 分 组含有2 0 字节的信息，使用2 ，3 比例前向纠错码保护，可以承载6 4 k b p s 速率的 2 5 m s 语音信息，h v 2 分组每四个时隙( t s c o = 4 ) 必须进行一次传输。h v 3 分组 含有3 0 字节的信息，没有前向纠错码保护，可以承载6 4 k b p s 速率的3 , 7 5 m s 语 音信息，h v 3 分组每六个时隙( t s c o = 6 ) 必须进行一次传输。d v 分组由数据一 上海大学硕士学位论文 语音部分组成，载荷被分为8 0 b i t 的话音段和高达1 5 0 b i t 的数据段。 a c l 分组用于异步链接方式，分组内可以是用户数据或者是控制数据。目 前已经定义了7 种a c l 分组，其中前六种含有c r c 码，若没有收到分组确认， a c l 分组可以重传；第七种分组a u x l 分组没有c r c 码，也不可以重传。d m l 分组只能携带数据信息，载荷可以为1 8 字节的信息和1 6 b i t 的c r c 码，用2 3 比例前向纠错编码。d m l 分组的载荷头仅为一个字节，在载荷头里的长度指示 器指出了用户字节数( 除载荷头和c r c 码) 。d m l 分组覆盖了一个时隙a c l 分 组。d h l 分组类似于d m l 分组，除了有效载荷外，其余信息都没有用f e c 编 码。因此，d h l 分组可多达2 8 字节信息和1 6 b i t 的c r c 码。d h l 分组覆盖了一 个时隙。d m 3 分组覆盖3 个时隙，载荷多达1 2 3 个字节信息( 其中两个字节是 载荷头) 和1 6b “的c r c 码。当d m 3 分组进行发送或接收时，在连续的三个时 隙内，r f 射频不发生改变，信道识别码传输时隙是第一个时隙。d h 3 分组类似 于d m 3 分组，除了有效载荷外，其余信息都没有用f e c 编码。因此。d h 3 分 组可多达1 8 5 字节信息和1 6b j t 的c r c 码。d h 3 分组覆盖三个时隙。d m 5 分组 覆盖5 个时隙，载荷多达2 2 6 个字节信息( 其中两个字节是载荷头) 和1 6b i t 的 c r c 码。当d m 5 分组进行发送或接收时，在连续的五个时隙内，r f 射频不发 生改变，信道识别码传输时隙是第一个时隙。d h 5 分组类似于d m 5 分组，除了 有效载荷外，其余信息都没有用f e c 编码。因此。d h 5 分组可多达3 4 1 字节信 息和1 6b i t 的c r c 码。a u x l 分组类似于d h l 分组，但是没有c r c 码。a u x l 分组可以包含多达3 0 字节的信息，覆盖一个时隙。 2 4 信道控制 微网中的信道特性完全由微网中的主设备确定，初始化连接的蓝牙单元定义 为主设备。主设备的蓝牙地址( b da d d r ) 确定跳频序列和信道识别码( c a c ) ， 主设备的系统时钟确定跳频序列的相位和定时设置。主设备通过轮询( p o l l ) 方式控制信道访问。 蓝牙链路控制器可能处于的不同状态，如图2 2 所示。有两种主要状态：待 机( s t a n d b y ) 和连接( c o n n e c t i o n ) ，和七种子状态：呼叫、呼叫扫描、 查询、查询扫描、主应答、从应答、查询应答。子状态是在微网中增加的从设备 过渡状态。蓝牙链路控制器可以脱离待机状态扫描呼q 和查询消息，也可以对自 己进行呼叫和查询。查询过程用以收集设备地址不为查询单元所知的情况，包括 查询扫描、查询、查询应答三个子状态。希望发现其他蓝牙单元的蓝牙设备进入 查询子状态，在该状态中，查询单元连续以不同的跳频传送查询信息( 即i d 分 上海大学硕士学位论文 组) ，收集所有应答查询消息的蓝牙设备地址和时钟。允许被发现的蓝牙设备将 有规律地进入查询扫描子状态以便应答查询消息。查询应答是可选的，查询单元 并不强迫其他蓝牙设备应答查询消息。 图2 2 蓝牙链路控制器状态图 2 4 1 识别过程( a c c e s sp r o c e d u r e ) 识别过程用于与已知地址的蓝牙设备建立连接，包括呼叫、呼叫扫描、主应 答和从应答等子状态。 呼叫扫描状态 在呼叫扫描状态，蓝牙设备在t 。扫描窗口内获取自身设备识别码 ( d a c ) ，并在该扫描期间内的一个跳频频率上使用相关器与识别码匹配。扫描 窗口应该有足够的宽度来完成对1 6 个呼叫频率的扫描。呼叫扫描状态可以从待 机状态或者连接状态进入。在待机状态，没有建立任何连接，设备可以使用所有 带宽执行呼叫扫描。由连接状态进入呼叫扫描状态前，设备将尽可能多地保留扫 描带宽。呼叫扫描不能中断s c o 链接，所以s c o 分组应该使用占用带宽最小的 分组，即h v 3 分组。扫描间隔t 。a n 定义为两个连续的扫描寻呼之间的时间 间隔。这样就存在三种情况：r 0 ，扫描间隔等于扫描窗口( 连续扫描) ；r 1 ，扫 描间隔最大为1 2 8 s ：r 2 ，扫描间隔最大为2 5 6 s 。呼叫单元使用三种模式中的一 种。表2 2 阐明了t p a g e s c a n 和模式r 0 、r 1 、r 2 之间的关系。 表2 2 呼叫模式、扫描间隔和重复次数间的关系 模式t p a g e s c a nn p a g e 【 r 0连续 1 上海大学硕士学位论文 ? r 11 2 8 s 1 2 8 i l r 22 5 6 s2 5 6 l 呼叫状态 主设备在呼叫状态中激活那些在呼叫扫描状态内被周期性唤醒的从设备并 与之建立连接。呼叫跳频序列分成占1 6 个跳频点的a 、b 两个跳频序列。序列 a 包括围绕当前预测跳频f ( k ) 的1 6 个跳频点，这里的k 由时钟估算值c l k e l 6 1 2 决定。所以第一个序列由跳频f ( k - 8 ) f ( k 一7 ) f ( k ) f ( k + 6 ) f ( 针7 ) 组成。当主设备和从 设备的蓝牙时钟差别在一8 + 1 2 8 s 和+ 7 + 1 2 8 s 之间时，主设备使用的频点之一将恰 好时从设备侦听的跳频点。然而主设备不知道从设备什么时候进入扫描寻呼状 态，所以主设备必须重复a 序列n 。a g c 次或者直到收到应答为止。如果从设备扫 描间隔与r 1 一致，重复次数至少为1 2 8 ；如果从设备扫描间隔与r 2 一致，重复 次数至少为2 5 6 。当主设备和从设备的蓝牙时钟差别小于一8 + 1 2 8 s 或者大于 + 7 1 2 8 s 时，就要试探更多的跳频点。一共只有3 2 个专用的唤醒跳频点，剩下 的1 6 个跳频点组成1 0 m s 的序列b 。序列b 由跳频f ( k - 1 6 ) f 啦一1 5 ) f ( k - 9 ) f ( k + 8 ) i l k + i s ) 组成。序列b 重复n p a g e 次，如果没有应答，序列a 再重复n 嗍。次。序 列a 和b 交替使用，直到收到应答为止或者超过寻呼时限。如果从设备返回应 答，则主设备进入主单元应答状态。 当从设备成功接收呼叫时，主设备和从设备之间存在f h 同步，主设备和从 设备都进入交换重要信息的呼叫应答过程，以继续连接进程。对于微网来说重要 的是主、从蓝牙设备都使用相同的信道识别码、信道跳频序列，并且它们的时钟 同步。这些参数都取自主设备，开始时必须把主设备的参数传送给从设备。主设 备和从设备之间的初始化过程如下图所示： 第一步第二步第三步第四步第五步第六步- l f ( k ) f ( k + 1 ) ! f ( k + 1 )!l g ( m ) ! l 口l口口l l 呼叫 lf h s ：i：i lh k ) l f i k + 1 )i；g 时1 ) i i 一 |ll口j l 鏖萱 ； ；壁鳖一；一一一l 一 呼叫跳频序列 信道跳频序y , j 图2 3 从设备应答第一个呼叫分组初始化过程 1 4 上海大学硕士学位论文 第一步第二步第三步笫四步第五步第六步 li- i 事( k ) f ( k + 1 ) ii f ( k + 1 )ii g ( 加) l l 呼叫iii 。” iji 呼叫跳频序列信道跳频序列 图2 - 4 从设备应答第二个呼叫分组初始化过程 在图2 - 3 、图2 - 4 中，坟k ) 、f ( k + 1 ) 等是由从设备的b d _ a d d r 确定的呼叫跳 频序列：f ( k ) 、f ( k + 1 ) 等是相应的呼叫应答频率( 从设备一主设备) ；频率g ( m ) 属于信道跳频序列。 表2 - 3 初始化过程 步骤分组类别方向跳频序列识别码及时钟 l 从设备i d主一从呼叫从设备 2 从设备i d从一主呼叫应答从设备 3f h s 主一从呼叫从设备 4 从设备i d从一主呼叫应答从设备 5数据分组 主一从 信道主设备 6数据分组 从一主信道主设各 在步骤一中，主设备处于呼叫扫描状态。在这一步骤里，呼叫消息( 含有从 单元的设备识别码) 由主设备传送到从设备。通过确认设备识别码，相应从设备 进入第二步：从设备应答状态，此时主设备等待从设备的应答。当得到应答后， 主设备进入第三步的主设备应答状态。在最初的信息交换中，所有的参数都取自 从设备的b da d d r ，而且只能使用呼叫跳频和呼叫应答跳频序列。 从设备应答 从设备在第一步中收到自身的设备识别码后，第二步就传送一个应答消息， 该应答消息也仅