（通信与信息系统专业论文）蓝牙hci协议研究与实现.pdf

重庆邮电大学硕十论文 摘要 摘要 蓝牙技术是一个全球统一的短距离无线通信标准。它可以通过低功耗、低成 本无线空中接口和公开的控制接口使不同厂家生产的设备在没有电缆相互连接的 情况下，就能在近距离范围内进行话音和数据传输。 在第二代移动通信时代，蓝牙技术与g s m 和c d m a 无线通信终端已经结合 得相当完美，取得了很大成功。2 0 0 8 年是中国第三代移动通信元年，t d s c d m a 无线通信系统将大规模推广，蓝牙技术与t d s c d m a 无线终端的结合将为蓝牙技 术提供更广阔的舞台。更宽的带宽，更快的数据传输速率以及更复杂的系统终端 需要更完善的系统解决方案。 本文首先对蓝牙技术及其协议作了概括性的介绍，重点研究了主机控制器接 口( h c i ) 协议，剖析了b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o nv 2 1 + e d r 所支持的h c l 分组类型、 ? h c i 命令和事件，并提出了基于h c i 的蓝牙应用方案的开发。 然后详细阐述了设计的蓝牙通信系统。在系统主机端，采用的是重邮信科股 份有限公司自主研发的t d s c d m a 手机基带芯片c 3 2 2 0 ；在蓝牙控制器端，采用 了英国c s r 公司的b l u e c o r e 2 e x t e r n a l 芯片。详细描述了该系统的接口电路、天 线设计及整个原理图等。在该蓝牙应用方案中实现点到点的数据连接，建立蓝牙 通信，并解析了使用h c i 协议进行蓝牙设各的初始化、设备查询、链路建立、数 据传输、断开链路等过程。 最后从初始字、单元字、鉴权过程和蓝牙设备地址等几个方面简要讨论了蓝 牙安全系统存在的一些不足，并就其不足之处提出相应的改进方案。 j j 一 关键词：蓝牙，蓝牙协议栈，微微网，主机控制接口，无线通信 f 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t a sat e l e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，b l u e t o o t h w i r e l e s s t e c h n o l o g y e n s u r e s c o m m u n i c a t i o n c o m p a t i b i l i t y w o r l d w i d e i t p r o v i d e s a l o w - c o s t ，l o w p o w e r c o n s u m p t i o ns o l u t i o na n da no p e n s t a n d a r do fw i r e l e s si n t e r f a c e b l u e t o o t he n a b l e s u s e r st ot r a n s f e ra u d i oa n dd a t ab e t w e e nd e v i c e sp r o d u c e db yd if f e r e n tc o m p a n i e s w i t h o u th a v i n gt oc a b l ed e v i c e st o g e t h e r i nt h e2 * ag e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c m i o n ，b l u e t o o t ht e c h n o l o g yh a sa c h i e v e da g r e a ts u c c e s sb yi n t e g r a t i n gw i t l lg s m m o b i l ep h o n ea n dc d m am o b i l ep h o n e 2 0 0 8i s t h ef i r s ty e a ro ft h e3 埘g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni nc h i n a t d s c d m a w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lf i n da p p l i c a t i o ns w e e p l y t h e r ew i l lb eab e t t e r a p p l i c a t i o nf o rt h ei n t e g r a t i o nb e t w e e nb l u e t o o t ha n dt d s c d m am o b i l ep h o n ei nt h e f u t u r e t h ew i d e rb a n d w i t h ，t h eh i g h e rd a t at r a n s r a t ea n dt h ec o m p l e x e rs y s t e mt e r m i n a l r e q u i r e sa b e r e rs y s t e ms o l u t i o n a tf i r s t ，t h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi sg e n e r a l l yi n t r o d u c e d ，t h ee m p h a s i si sp u to n t h ei n t r o d u c t i o nt oh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ( h c i ) ，a n dad e t a i l e da n a l y s i so nt h eh c i p a c k e tt y p e ，h c ic o m m a n d a n de v e n ts u p p o r t e db yb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o nv 2 i + e d r t h eb l u e t o o t ha p p l i c a t i o ns o l u t i o nb a s e do nh c ii st h e np r o v i d e d t h e nt h ep a p e ra n a l y s e st h ed e s i g n e db l u e t o o t hs y s t e m i nt h eh o s t ，w es e l e c ta b a s eb a n dm i c r o c o n t r o l l e rw h i c hh a v ea p p l i c a t i o ni nt d s c d m at e r m i n a ld e v i c e s d e s i g n e db yc q c y i t ( c h o n g q i n gc h o n g y o ui n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) i nt h eb l u e t o o t h c o n t r o l l e r , w es e l e c tb l u e c o r e 2 e x t e r n a lc h i ps u p p l i e db yc s r ( c a m b r i d g es i l i c o n r a d i o ) t h ep a p e ra n a l y z e st h es t r u c t i o no fb l u e t o o t hs y s t e mi n c l u d et h e i n t e r f a c e c o n n e c t i o nc i r c u i t ，a n t e n n ad e s i g na n ds y s t e ms c h e m e t h ep r o c e s so fi n i t i a l i z i n g b l u e t o o t he q u i p m e n t ，i n q u i r i n ga n dr e q u e s t i n gc r e a t eac o n n e c t i o nt oo t h e rb l u e t o o t h e q u i p m e n t s d a t at r a n s m i s s i o na n dd i s c o n n e c t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i la n da c h i e v e d a tl a s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h es e c u r i t ym e c h i a n i s mo fb a s e b a n d ，p a r t i c u l a r l yt h e i n i t i a l i z a t i o nw o r d ，u n i tw o r d ，a u t h e n t i c a t i o np r o c e s s i n ga n db d a d d r k e yw o r d s ：b l u e t o o t h ，b l u e t o o t hs t a c k ，p i c o n e t ，h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ( h c i ) ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 ：一1 1 蓝牙技术的研究背景 ， ： 。、， 第一章绪论 目前，人类已经进入一个数字化、网络化和信息化的时代。i n t e m e t 和移动通 信技术正是这个时代成长最快的两大技术领域，其高速成长极大的推动了社会经 济的发展并且日益改变着人们生活和工作方式。随着数字化、网络化和信息化的 不断加深，便携的数字处理设备已经成为人们日常生活和办公的必需品，这些设 备包括笔记本电脑、个人数字助理( p d a ) 、外围设备、移动电话和客户电子产品等。 它们都具有了较强的处理能力和较大的存储空间，从而形成了一个个人操作空间 ( p o s ) 。这些设备之间的信息交换还大都依赖于电缆的连接，使用非常不方便且容 易出现故障。蓝牙就是为了满足人们在个人操作空间的无线互联而设计的，它使 用调频技术使处于个人操作空间的设备形成一个无线个人区域网络，真正实现设 备之间可移动的，自动的互联。以“无线替代电缆”正是蓝牙开发的初衷，也是 蓝牙最基本的用途。当然，短距离无线通信有很多种，还包括i r d a 、i e e e 8 0 2 1 1 系列无线局域网、h o m e r f 、u w b 等，但是蓝牙技术以其低成本、低功耗、高速 率以及标准的全球通用性成为发展最快，市场推广最成功的短距离无线通信技术 【l 】o “蓝牙 一词的来历颇具传奇色彩：传说十世纪的丹麦国王h a r a l db l u e t o o t h ， 英勇善战，一举统一了挪威和丹麦，令自己的国家空前强大，人们为了纪念这位 因酷爱蓝梅而常常将牙齿染蓝的英雄，尊称其为”蓝牙”。时至今日，蓝牙已演变为 一项短距离无线连接技术的代名词，它是在1 9 9 8 年由爱立信( e r i c s s o n ) 、诺基亚 ( n o k i a ) 、东芝( t o s h i b a ) 、美国国际商用电器r ( i b m ) 和英特尔( i n t e l ) 等公司组成的特 别兴趣小组( s i g ，s p e c i a li n t r e s t i n gg r o u p ) 联合推出的一种开放性短距离无线通信技 术。它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个 特别连接。自从b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n1 o 推出之后，蓝牙技术的推广和应用得到 了迅猛发展，任何公司只需签订一个免费的协议，就可以加入蓝牙s i g ，进而被授 权进行基于蓝牙技术的产品生产和销售。目前，已有9 0 0 0 多家公司加入了s i g t 2 i ， 几乎覆盖了全球各行各业，包括通信厂商、网络厂商、外设厂商、芯片厂商、软 件厂商、消费类电器厂商和汽车制造商等。s i g 的成员都有权使用蓝牙的最新技术， 参与蓝牙规范标准的制定，无偿使用s i g 的研究成果开发自己的产品。蓝牙应用 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 产品只要通过s i g 的测试，就可以投放市场。如何能更快更好更便宜地开发出能 通过s i g 认证并适合自己平台的蓝牙产品成为各个应用厂商需要解决的问题，本 论文就是围绕这些技术问题并基于c 3 2 2 0 平台展开研究。 1 2 蓝牙技术的应用和前景 跳频、t d d 等技术的使用使蓝牙的射频电路较为简单，通信协议的大部分内 容都可以用专用集成电路和软件来实现，因此从技术上保证了蓝牙设备的高性能 和低成本。蓝牙使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网和因特网等现有网 络增添了新功能，使各类计算机、传真机、打印机及各种室内电子、信息和电器 设备增添无线传输和组网的功能，应用空间极为广阔。 目前蓝牙技术的应用主要集中在手机上，但我们不难想象移动电话、计算机、 数码相机、摄像机、打印机、传真机和掌上电脑等能随心所欲无线连通：也不难 想象我们可以不再为数字家庭的布线而烦恼，一部手机或是一把车钥匙就能让一 切尽在掌握。一张无形的蓝牙网让我们的数字生活变得轻松自在，这也正是蓝牙 的魅力所在。与此同时，全球蓝牙技术的日益发展和越来越广泛的应用为我们的 梦想奠定了现实的基础。根据i d g 报告显示：2 0 0 5 年，全球蓝牙芯片出货量已达 到3 1 6 亿片，预计2 0 0 9 年将达到8 6 6 亿片。未来几年，蓝牙技术将更加成熟并 进一步广泛应用于手机、电脑、车载、医疗、电教等诸多领域上，在中国形成一 个千亿元的庞大市场，尤其是第三代移动通信t d s c d m a 在中国的发展，为蓝牙 的应用开辟了新的天地。因此我们可以说蓝牙的前景是无量的。 从蓝牙标准演进看来，未来的蓝牙技术将不再是现在简单的一种短距离无线 通信技术。目前s i g 提出了“u m b r e l l a ”概念，期望在新的蓝牙标准中整合h o m e r f 、 w i b r e e 、u w b 等短距离无线通信技术【3 1 ，预计2 0 0 8 年第二季度将推出新的蓝牙标 准。也许，蓝牙技术将会像十世纪的丹麦国王h a r a l db l u e t o o t h 统一四分五裂的北 欧地区一样统一整个短距离无线通信领域。 1 3 研究的目的和意义 蓝牙技术为全球众多信息厂商提供了新的商机，s i g 的成员已经达到9 0 0 0 多 家，它的开放性使国内外企业都站在同一起跑线上。目前c s r 、b r o a d c o m 、e r i c s s o n 等公司都有相当成熟的商用芯片，价格也比较低廉。大多数蓝牙芯片只实现了h c i 以下层协议栈，上层协议栈及应用程序需要在h o s t 端实现。目前国内外手机应 用处理器开发商都在各自产品中自行研发或通过第三方获得b l u e t o o t hs t a c k 协议 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 栈软件或上层软件( o n ：c s r 的b c h s ，i v t 的b l u e l e t t m ) h j ，但是第三方协议栈软 件价格高昂，如b c h s 入门费就高达4 0 ，0 0 0 5 ，而自己开发协议栈也存在一定风险， 如一致性不佳、开发周期较长等，如果将产品商用，还必须通过s i g 的一致性测 试，这都为自己开发上层协议栈提出了严格的要求。而自己开发协议栈的关键一 步就是实现h c i 层的标准化、规范化，这样才有利于其它开发人员在开发上层协 议及实现各种p r o f i l e s 时大大缩短开发时间，并能完全遵从b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n ， 通过s i g 的一致性测试。 同时，2 0 0 8 年作为中国第三代移动通信元年，t d s c d m a 无线通信系统将 大规模推广，蓝牙技术与t d s c d m a 无线终端的结合将为蓝牙技术提供更广阔的 舞台。更宽的带宽，更快的数据传输速率以及更复杂的系统终端需要更完善的系 统解决方案。本课题正是在重邮信科自主研发的t d s c d m a 手机平台上展开的对 于蓝牙应用的研究。 1 4 论文结构 本文共分七章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了蓝牙技术的发展和当前应用状况，分析了蓝牙的未来前景，阐 明了蓝牙h c i 层在自己开发b l u e t o o t hs t a c k 中的重要意义。 第二章介绍了蓝牙技术的基本参数和技术特点，包括蓝牙的跳频和物理信道， 链路和数据分组，蓝牙设备编址及网络拓扑结构等。 第三章详细介绍了整个蓝牙协议栈，包括r a d i o 、b a s e b a n d 、l m p 、l 2 c a p 、 h c i 、s d p 、r f c o m m 协议及g a p 、s p p 等高层应用。 第四章研究了h c i 层协议，并且基于h c iu a r t 传输层实现了所有的分组类 型、流量控制、命令和事件。 第五章在c 3 2 2 0 平台上实现了基于h c i 的蓝牙应用的整个硬件结构和软件实 现。 第六章就初始字、单元字、鉴权过程和蓝牙设备地址等几个方面简要讨论了 蓝牙安全系统存在的一些不足，并就其不足之处提出相应的改进方案。 第七章总结了本文所做工作，并探讨进一步的研究方向和未来的工作。 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章蓝牙技术特点 2 1 蓝牙技术简介 第二章蓝牙技术特点 蓝牙是一个开放性、短距离无线通信技术标准，它可以用于在较小范围内通 过无线连接的方式实现固定设备以及移动通信设备之间的互连，可以在各种数字 设备之间实现灵活、安全、低成本、低功耗的音频和数据通信。因为蓝牙技术可 以方便地嵌入到单芯片中，因此特别适用于小型的移动通信设备。它的一般连接 范围是1 0 米，如果增加传输功率，扩展后连接范围可以达到1 0 0 米。 蓝牙技术与其它无线通信技术相比较，在设计过程中，考虑了诸多因素，主 要具有以下特剧5 j ： 工作频率及抗干扰性 蓝牙技术以无线局域网的i e e e 8 0 2 1 l 标准技术为基础，工作在全球通用的 2 4 g h zi s m ( i 业、科学、医学) 频段，该频段用户不需经过允许，在世界范围内都 可以自由使用。但数据在传输过程中就可能遇到不可预测的干扰源，为了避免干 扰并且出于安全考虑，蓝牙技术特别设计了小数据分组和快速确认跳频方案，既 确保了链路稳定，又确保了信息传输的安全。 使用方便 蓝牙技术规范采用了“p l u ga n dp l a y ”概念，凡是嵌入蓝牙技术的设备一旦搜 寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立联系，进行数据和语音通信。 无需基站 蓝牙系统网络以蓝牙模块为节点，无需建立基站，就可以进行无线连接。蓝 牙采用了一种极为经济的形式解决了无线通信中“最后l o 米”的问题，不需增加 任何基础设施建设费用，同时不对现有的固定通信网产生任何压力。 尺寸小、功耗低 蓝牙所有的技术和底层软件都集成在一个6 m m 6 m m 的单芯片内，从而可以 集成到各种设备中。蓝牙工作或待机时所消耗的电流大约只相当于手机的3 5 ，工作电压为1 8 v 或3 0 v 。另外，蓝牙具有四种低功耗模式激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式，a c t i v e 模式是正常的工 作状态，另外三种模式是为了在通信量减少或者通信结束时为了节能而设定的低 功耗模式。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章蓝牙技术特点 同时传输语音和数据 蓝牙支持电路交换和分组交换两种技术，分别定义了两种链路类型，即面向 连接的同步链路( s c o ) 和面向无连接的异步链路( a c l ) 。s c o 数据包既可以传送 话音，也可以传送数据，但是在传送数据时只能用于重发被损坏的那部分数据。 a c l 只能用于数据传输，支持对称和非对称两种帧格式。 对等连接( a d h o ec o n n e c t i o n ) 根据蓝牙设备在网络中的角色，可以建立临时性的对等连接，可分为主设备 ( m a s t e r ) 与从设备( s l a v e ) 。 开放的接口标准 s i g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的 任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，开发的任何产品只要最终通过s i g 的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。 蓝牙技术主要以满足美国f c c 要求为目标，对于其他国家的应用，需要做一 些适应性调整。蓝牙2 1 + e d r 规范公布的主要技术指标和系统参数如表2 1 所示。 表2 1 蓝牙技术指标和系统参数1 6 i 技术指标和系统参数说明 工作频段 i s m 频段，2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z ，采用自适应跳频( a f h ) 舣j i ：方式全双上，t d d 时分烈一i ： 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据速率 b a s i cr a t ep a c k e t ：im b p s ，e d r p a c k e t ：2 m b p s 或3 m b p s 非同步信道速率非对称连接7 21k b p s 5 7 6 k b p s ，对称连接4 3 2 6 k b p s 同步信道速率 6 4 k b p s 功率 f c c 要求 0 d b m ( 1 m w ) ，可扩展为1 0 0 m w 跳频频率数7 9 个频点1 m h z 跳频速率1 6 0 0 次秒 。i ：作模式 a c t i v e p a r l ( ，h o l d s n i f f 数据连接方式 面向连接业务s c o 、e s c o ，无连接业务a c l 纠错方式 i 3 f e c ，2 3 f e c ，a r q 鉴权采用反应逻辑算术 信道加密 采用0 位、4 0 位、6 0 位密钥 调试方式b r p 采用g f s k ，e d r 采用n 4 d q p s k 和8 d p s k 语音编码方式连续可变斜率调制c v s d ；脉冲编码调制p c m 5 重庆邮电人学硕十论文 第一二章蓝牙技术特点 2 2 蓝牙的工作模式 蓝牙一共有四种工作模式，除了正常工作状态的激活( a c t i v e ) 模式外，s i g 考 虑到在通信量减少或者通信结束时，增加了呼吸( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式、休 i t 民( p a r k ) 模式这三种低功耗模式，用于节省电能，真正做到了蓝牙技术超低功耗。 2 2 1 激活( a c t i v e ) 模式 激活模式是蓝牙技术的正常工作模式，在该模式下，微微网内的主节点和从 节点通过侦听、发送或者接收数据包而主动参与信道操作。主节点和从节点相互 保持同步。 2 2 2 呼吸( s n i f f ) 模式 在该模式下，为了节省功率，从节点降低了从微微网“侦听”消息的速率， 仅在特定的时隙上嗅探，而在空时隙上侦听，一会儿醒一会儿睡，从节点可以在 空时隙睡眠而节约功率。如果已经建立了a c l 链路，处于呼吸模式的从设备只在 主一从a c l 时隙进行监听，而处于呼吸模式下的主设备仅仅能够在某些特定的时 隙从某个从设备发送数据。如图2 1 中所示，s l a v el 处于呼吸模式，s l a v e2 处于 激活模式，m a s t e r 只有在特定的时隙才能从s l a v el 发送数据。 鳓= 三li iliiii 图2 。1呼吸( s n i 模式1 7 1 2 2 3 保持( h o l d ) 模式 两个蓝牙设备之间连接的a c l 链路，可以在一段指定的h o l d 时间内，设置 为h o l d 模式。在此期间，主节点不发送a c l 数据。在该模式下，设备的行为不 受h o l d 信息控制，而由各设备自己决定。 6 重庆邮电大学硕士论文 第一二章蓝牙技术特点 2 2 4 休i 珉( p a r k ) 模式 在该模式下，从节点无需使用微微网信道却又维持和信道的同步，这种模式 是一种低功耗模式，几乎没有任何活动。设备被赋予个暂停成员地址( p a r k i n g m e m b e ra d d r e s s ：p m _ a d d r ) 并失去其活动成员地址( a c t i v em e m b e ra d d r e s s ： a m _ a d d r ) 。图2 2 中，s l a v ex 和s l a v ey 处于休眠模式，s l a v e2 处于激活模式。 p a r ki n t e r v l m 竿：。置一i 。一ih 叫。j i 。 i - 鼍誓1 。1 _1 1 7 i a v e2 |-i 。 s t 耸二口。口一。 图2 2 休眠( p 玳) 模式【7 1 2 3 蓝牙设备编址 2 3 1 蓝牙设备地t l i ：( b d _ a d d r ) 每一个蓝牙设备都分配了一个4 8 位的蓝牙设备地址( b d - a d d r ) 。该地址取自 i e e e 8 0 2 标准。分为三部分：由2 4 位的低地j a k ( l a p 段) ，8 位的高地址( u a p 段) 和1 6 位的非有效地址( n a p ) 构成。l a p 和u a p 构成b d a d d r 的有效部分，整 个地址空间为2 3 2 ，如图2 3 所示。 l s b2 4 8 1 6m s b +lapu a pn a p 图2 3b da d d r 格式f 8 1 2 3 2 接入码( a c c e s sc o d e ) 在蓝牙系统中，共定义了三种不同的接入码：设备接入码( d a c ) ，信道接入码 ( c a c ) 和查询接入码( i a c ) 。 重庆邮电大学硕士论文第二章蓝牙技术特点 设备接入码用于呼叫、呼叫扫描和呼叫应答状态。它包括一个取自节点的 b da d d r 代码。信道接入码用于标识微微网信道，并构成信道上所有交换分组 的头。信道接入码取自主节点的b da d d r 的l a p 。通用查询操作使用g i a c ， 而指定查询操作则使用6 3 个指定的i a c ( d i a c ) 。所有代码都取自b da d d r 中的 l a p 。查询接入码用于查询操作。通用查询识别码为所有蓝牙节点公用，指定查询 识别码用于设备类型的查询。 2 3 3 活动成员地址( a m a d d r ) 在微微网中的每一个活动从节点都被赋予了一个3 位活动成员地址 ( a ma d d r ) 。全0a ma d d r 地址则保留用于广播消息。主节点不具有 a ma d d r ，通过定时关系将它与从节点区分开来。从节点只接收地址与自己匹 配的分组和广播分组。a ma d d r 在分组头中携带。只有从节点在信道上处于活 动状态时，a ma d d r 才是合法的。一旦从节点脱离链路或进入休眠状态，它就 将丢失其a ma d d r 。 当从节点激活时，主节点就分配了一个a ma d d r 给从节点。分配过程可以 在连接建立阶段，也可以在节点唤醒( u n p a r k ) 阶段。 2 3 4 休眠成员地f f ( p m _ a d d r ) 处于休眠模式的从节点能够通过其b d a d d r 或通过专用休眠成员地址 ( p m _ a d d r ) 识别。后者地址是一个区分休眠从节点的8b i t 成员地址。只有当从节 点处于休眠状态时，p m a d d r 才有效。当从节点激活时，它将被分配一个 a m 一a d d r 地址，但将丢失p m a d d r 。p m a d d r 在休眠时分配给从节点。 2 3 5 访问请求地t f l ( a r _ a d d r ) 处于休眠状态的从节点用该地址来决定接入窗口中从到主的半时隙。在该半 时隙中它可以允许发送访问请求消息。当从节点进入休眠模式时，a ra d d r 分 配给从节点。而且，只有从节点处于休眠状态，a ra d d r 才有效。同时a ra d d r 并不必是唯一的，即不同休眠从节点可以共享同一个a r - a d d r 。 8 重庆邮电人学硕十论文 第二章蓝牙技术特点 2 4 蓝牙技术的网络拓扑结构 蓝牙设备之间可以组成两种类型的网络：微微网( p i c o n e t ) 和散射网( s c a t t e m e t ) 。 2 4 1 微微网( p i c o n e t ) 一个蓝牙网络由一个主设备和多个从设备组成，所有从设备都与主设备的时 间和跳频模式同步。每一个独立的同步蓝牙网络就被称为一个微微网( p i c o n e t ) 。一 个微微网包含一个共享的通信信道，微微网的成员通过这个信道进行通信。在蓝 牙无线层工作的f h s s 空间中，这个通信信道由一个定义明确的跳频序列组成，这 个跳频序列采用1 6 0 0 h s 的标称速率伪随机的抽取。微微网的从设备以同步的方 式跟踪跳频序列的连续跳变。微微网根据需要创建，只要设备成员需要通信就一 直存在。 一个设备可以与多个设备进行互联，最简单的方式就是两个设备点对点的通 信。当有多个从设备时，网络拓扑即为一点对多点的结构。当主设备节点为一个， 从设备节点也是一个的时候，这种操作是单一从节点方式；当主设备节点是一个， 从设备节点是多个的时候，这个操作方式是多从节点方式，如图2 4 所示。在这种 情况下，微微网中的所有设备共享信道。每个激活的从设备都被分配了一个3 b i t 的a ma d d r ，因此在一个微微网内最多只能支持2 3 一1 个从设备。 新加入的从设备也可与主设备保持同步，但是没有激活成员地址 ( a ma d d r ) ，因而这些设备未被激活，称为休l 毛( p a r k e d ) 设备。当激活和休眠设 备同时存在时，所有信道均由主设备调控。一个休眠设备有一个8 b i t 待命成员地 址( p m，这样休眠设备的数量限制在个。一个休眠设备能与主设备时 钟保持_ 同a d 步d ，r 而) 且可以快速激活，在微微网中2 通5 6 信。 s l 。a v e 、3 s l a v e 2 鼬刚歹。 ， 鼬刚o 图2 4p i c o n e t 网络结构 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章蓝牙技术特点 2 4 2 散射网( s c a t t e m e t ) 在同一区域可能有多个微微网。每个微微网有一个不同的主节点，独立地进 行跳变，有自己的信道跳频序列，序列的相位由各自的主节点确定。另外，信道 上的分组携带不同的信道接入码，信道接入码是由主节点的设备地址决定的。多 个微微网的叠加，冲突的概率增加，性能下降。 如果有多个微微网覆盖同一个区域，节点根据使用的时间可以加入到两个甚 至多个微微网中。要参与一个信道，就必须使用相应的从节点的地址和时钟偏移， 以便获得正确的相位。一个节点可以作为多个微微网的从节点，但只能在一个微 微网中作为主节点。一组微微网和这些微微网之间存在的一些连接就称为一个散 射网。 一个主节点或从节点可以是另外一个微微网的从节点，另一方面，一个微微 网的节点可以寻呼另外微微网的主节点或从节点，寻呼节点总是作为主节点。如 果从节点要求，主从角色可以交换。图2 5 为一个散射网的网络结构图。 疆毛，壶 s i a v e1 a a s l a v 0 6 图2 5s c a t t e m e t 网络结构 1 0 重庆邮电人学硕+ 论文 第二章蓝牙协议栈 蓝牙协议体系结构 第三章蓝牙协议栈 整个蓝牙协议体系结构可分为蓝牙底层协议、中间层协议和各种高层应用三 部分，具体图3 1 所示 錾 盎 旺 型 蹬 恒 a p p l i c a t i o na n du s e ri n t e r f a c e a d a p t e dp r o t o c o l s ( a g ，g a p ，s p p ，o b e x ) r f c o m ms d pt c s b i n l 2 c a pa ud i o ， 肌l l l m p ； j b a s e b a n d l ； ! r a d i o 3 2 蓝牙底层协议 3 2 1 射频协议( r a d i o ) 图3 1蓝牙协议栈体系结构9 1 对于无线通信系统而言，射频部分就是通信系统的“空中接口”，不同厂商的 设备要实现兼容或者互操作的基本要求就是射频规范的统一，而且通信质量也是 由射频来决定。蓝牙射频协议规定了蓝牙射频频段、调制方式、跳频频率、发射 功率、接收机灵敏度等参数。蓝牙的无线射频单元负责数据的发射和接收，特点 是短距离、低功耗、体积小、重量轻。 蓝牙系统采用全向天线，支持点到多点的通信，使得多台蓝牙设备可以分享 网络资源，支持终端的移动性，更容易查询和发现设备。 蓝牙射频采用的调制方式为高斯滤波二进制频移键控( g f s k ) 、4 旋转差分 编码四相移相键控( 耳4 d q p s k ) 和8 相差分编码移相键控( 8 d p s k ) | 1 0 j 。蓝牙的基 重庆邮电大学硕十论文第二章蓝牙协议栈 本速率封包采用g f s k 调制，数据会以每个符号携带一个位元的方式，在1 m b p s 的速率下进行传输。豇4 d q p s k 和8 - d p s k 用于e d r 封包的调制。在采用兀 4 d q p s k 调制时，一个符号携带两个位元，以2 m b p s 的速率传输。在采用8 - d p s k 调制时，一个符号携带3 个位员，速率可达3 m b p s 。 根据蓝牙发射器功率电平大小，蓝牙设备有3 个功率级别：l 级功率的蓝牙 设备发射功率为1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ；2 级功率的蓝牙设备发射功率为2 5 m w ( 4 d b m ) ； 3 级功率的蓝牙设备发射功率为l m w ( o d b m ) 。 我国的蓝牙射频频段最低频率为2 4 0 2 g h z ，最高频率为2 4 8 g h z 。蓝牙每个 频道带宽为1 m h z ，相邻频道中心频率间隔为1 m h z 。为减小带外的辐射和干扰， 保留的上、下保护频带分别为3 5 m h z 和2 m h z 。7 9 个跳频频点中至少有7 5 个应 该伪随机地进行跳变，在一个3 0 s 的时间段内，任何一个频点的使用时间不得超过 0 4 s 。表3 1 列出了目前世界上各个国家的蓝牙频段和信道频率。蓝牙使用跳频扩 频技术去避免工作频段受到来自微波炉和无线局域网设备等的干扰。 表3 i 蓝牙频段分配l 1 地理位置i s m 频段范围( m h z )射频信道频率( m h z ) 中国、美国、欧洲 2 4 0 0 0 - 2 4 8 3 5 f = 2 4 0 2 + k ；0 = k = 7 8 法国 2 4 4 6 5 - 2 4 8 3 5 f = 2 4 5 4 + k ；o = k = 7 8 日本 2 4 71 0 - 2 4 9 7 0 f = 2 4 7 3 + k ；o = k = 7 8 西班牙 2 4 4 5 0 - 2 4 7 5 0 f = 2 4 4 9 + k ；0 = k = 7 8 3 2 2 基带协议( b a s e b a n d ) 基带协议确保p i c o n e t 内各蓝牙单元之间由射频构成物理连接。蓝牙射频是一 个跳频系统，其任一分组在指定时隙、指定频率上发送；它使用查询和寻呼来同 步不同设备间的频率和时间。基带提供两种物理连接方式：面向连接( s c o ) 和无连 接( a c l ) ，而且在同一射频上可实现多路数据传输。a c l 适用于数据业务，s c o 适用于话音业务。所有语音和数据分组都附有不同级别的前向纠错( f e c ) 或循环冗 余校验( c r c ) ，而且可以加密。此外，不同数据类型都分配一个独立通道。 面向连接的语音业务只需经过基带传输，而不必经过l 2 c a p 协议，因而语音 模式在蓝牙系统中相对简单。 3 2 3 链路管理协议( l m p ) 链路管理器是对蓝牙设备之间的链路进行设置和控制，以实现对链路的管理。 链路管理器之间的通信协议称为链路管理器协议( l m p ) 。链路管理器之间交换的消 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第三章蓝牙协议栈 息称为链路管理器协议数据单元( l m p p d u ) 。l m p 协议用于链路的建立、加密和 控制。该协议规定可以直接发送有效载荷而不用l 2 c a p 协议方式来发送，同时可 以通过有效载荷头的lc h 字段保留值来区别不同的发送方式。接收设备的链路 管理器对接收到的l m pp d u 进行过滤和解释，不再将收到的信号发到更高的协 议层。 链路管理器消息的优先级要比用户数据的优先级更高。这意味着虽然链路管 理器消息可能会被一些基带数据分组延迟，但是不会被l 2 c a p 的通信延迟。值得 注意的是，链路管理器的处理与基带的实时处理方式不同，链路管理器的处理不 是实时的。 链路管理器对蓝牙设备链路性能的管理的实现过程为：设备a 向设备b 发送 协商请求( l m p _ p d u j 之e q u e s t ) ，设备b 根据情况做出( l m p _ a c c e p t e d ) 响应或者 ( l m p _ n o ta c c e p t e d ) 的响应。 3 3 蓝牙中间层协议 3 3 1 逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 是数据链路层的一部分，位于基带协议之 上，它将基带层的数据分组转换为便于高层应用的数据分组，并提供协议复用和 服务质量交换等功能。 l 2 c a p 层只支持a c l ( 异步无连接) 数据的传输，而不支持s c o ( 同步面向连 接) 数据的传输。l 2 c a p 可以和高层应用协议之间传输最大为6 4 k b 的数据分组 ( l 2 c a pp d u ) ，l 2 c a pp d u 到达基带层之后被分段，并由a c lb bp d u 传送。 、 l 2 c a p 本身不提供加强信道可靠性和保证数据完整性的机制，其信道的可靠 性依靠基带层提供。如果要求可靠性的话，则基带的广播数据分组将被禁止使用， 因此，l 2 c a p 层不支持可靠的多点传输信道。 l 2 c a p 的主要功能归纳如下： 协议复用( p r o t o c o lm u l t i p l e x i n g ) l 2 c a p 一定要支持协议复用，因为蓝牙基带协议不能识别所有高层应用。 l 2 c a p 必须能够区别服务发现协议( s d p ) 、r f c o m m 和电话控制协议。 分段和重组( s e g m e ma n dr e a s s e m b l y ) 蓝牙的基带协议定义的数据分组在长度上有限制。高层协议为了提高频带的 效率往往使用较大的分组，而蓝牙基带的最大传输单元只有3 4 1 个字节( d h 5 分 组) ，两者不匹配。在向空中发送之前，大的l 2 c a p 分组必须分成多个较小的基带 重庆邮电大学硕十论文 第二章蓝牙协议栈 分组。同样，在接收端，基带收到的多个较小的分组首先进行组合和完整性检查， 之后再送到高层。 服务质量( q u a l i t y _ o f _ s e r v i c e ，q o s ) 信息的交换 在蓝牙设备建立连接过程中，l 2 c a p 允许交换蓝牙设备所期望的服务质量信 息，并在连接建立之后通过监视资源的使用情况来保证服务质量的实现。 组抽象( g r o u pa b s t r a c t i o n ) 许多协议包括地址组( ag r o u po f a d d r e s s ) 的概念，l 2 c a p 层通过向高层协议提 供组抽象，可以有效地将高层协议映射到基带的微微网上，而不必让基带和链路 管理器直接与高层协议打交道。 3 3 2 服务发现协议( s d p ) 服务发现协议是一个基于客户服务器结构的协议，它为客户应用提供一种发 现服务器所提供的服务和服务属性的机制，服务的属性包括服务类型以及使用该 服务所需的机制或协议信息。如图3 2 所示，服务器维护一个服务记录列表，服务 记录列表描述与该服务器有关的服务特征。每个服务列表包括一个服务信息。客 户端可以通过发送一个s d p 请求从服务器记录中索取服务信息。 s d p 响应 s d ps d p s e r v e r s d p 请求 c l i c n t 图3 2s d p 客户服务器交互过程 每台蓝牙设备可以同时具有服务器和客户端的功能，但最多只能包含一个蓝 牙服务器，也可以只作为蓝牙客户端。一个s d p 服务器可以代表蓝牙设备上的多 个服务提供者来处理客户端对这些服务信息的请求；类似的，一个s d p 客户端也 可以代表蓝牙设备上的多个客户应用实体对服务器进行查询。 如果一个客户或与客户有关的应用决定使用一个服务，它必须打开一个到服 务提供者的连接。s d p 提供的是发现服务及其属性的机制，包括相应的服务接入 ( s e r v i c e