（通信与信息系统专业论文）蓝牙跳频算法的改进与蓝牙家庭网络的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着个人计算机和因特网在家庭中的迅速普及，以及信息家电智能化程度的 提高，家庭网络，特别是简单、灵活与可靠的家庭网络日益受到人们的关注。作 为一种开放性的短距离无线通信技术，蓝牙技术将是家庭网络低速率数据传输的 最佳解决方案。 蓝牙工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( 工业，科学，医学) 频段，由于该频 段对所有无线电子系统都开放，b l u e t o o t h 设各会受到相当严重的干扰。为此 b l u e t o o t h 采用了快速跳频技术，以确保最大限度的削减来自其他设备的射频干 扰。文章首先介绍了蓝牙跳频系统中跳频序列的产生算法，接着以此算法为基础， 以躲避干扰为目的，从提高系统抗干扰能力的角度出发，提出了一种改进的自适 应跳频方案来进一步改善系统的性能，最后基于c 语言和m a t l a b 工具对原跳 频系统和改进后系统分别进行了系统仿真和性能分析，并对两个系统性能进行了 比较。仿真和分析比较结果表明，本文提出的改进方案大大提高了系统的抗干扰 能力。 论文还研究了基于蓝牙技术无线家庭网络的实现，阐述了如何通过蓝牙网关 来实现对家庭蓝牙信息家电的远程监控，以及家庭内的个人p c 机和笔记本电脑 等如何通过蓝牙网关访问i n t e r n e t 。本文详细介绍了蓝牙网关的实现，文章从实 现蓝牙网关所需的蓝牙应用模型一一局域网接入应用模型着手，论述了如何从软 件上完成蓝牙协议和基于主机蓝牙上层应用程序的开发，直至最终实现局域网接 入应用模型。 关键词：蓝牙，家庭网络，蓝牙网关，局域网接入，跳频算法，自适应。 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp o p u l a r i z a t i o no fp ca n di n t e r r l e ti nt h eh o m e ，a n di m p r o v e m e n t o ft h e i n t e l l i g e n t i z e dd e g r e e o fi n f o r m a t i o nh o u s e h o l d a p p l i a n c e s ，h o m e n e t ， e s p e c i a l l ys i m p l e ，f l e x i b l ea n d r o b u s th o m e n e ti sg e e i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a s as h o r t - r a n g ew i r e l e s s c o m ，m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , b l u e t o o t h i so n eo ft h eb e s t s o l u t i o nt ol o w - r a t ew i r e l e s sh o m e n e t c o n n e c t i o n w o r k i n ga t t h e o p e n i n g2 4 g h zi s mb a n dw h i c h i sf r e et ob e a c c e s s e d ， b l u e t o o t hd e v i c e sw i l lb ee a s i l yi n t e r f e r e dw i t hb yo t h e rs y s t e m s t oi n d u c et h er f i n t e r f e r e n c ef r o mo t h e rs y s t e m sb yt h e g r e a t e s td e g r e e ，b l u e t o o t h u s e st h ef a s t f r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n o l o g y t h eh o p s e l e c t i o na l g o r i t h mi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fa n t i i n t e r f e r e n c e ，a ni m p r o v e d a d a p t i v ef r e q u e n c y h o p p i n gs c h e m ei ss u g g e s t e do nt h e b a s i so fo r i g i n a l a l g o r i t h m t oc o m p a r et h e a n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c eb e t w e e nt h eo r i g i n a la n di m p r o v e ds y s t e m ，s y s t e m e m u l a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i si si m p l e m e n t e db yu s i n gc l a n g u a g ea n dm a t l a b t h er e s u l to fe m u l a t i o na n da n a l y s i ss h o w st h a tt h ei m p r o v e ds c h e m ep u tf o r w a r db y t h ep a p e r g r e a t l ye n h a n c e s t h es y s t e m sa n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e t h eo t h e r p a r t o ft h i s p a p e rd i s c u s s e s t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h e b l u e t e o t h b a s e d h o m e n e t ，i n c l u d i n gh o wt o r e a l i z e l o n g d i s t a n c e c o n t r o lt ot h e i n f c l r m a t i o nh o u s e h o l da p p l i a n c e st h r o u g hi n t e r n e t ，a n dh o wt h ep co rp o r t a b l e c o m p u t e r i nt h eh o m e n e ta c c e s s e si n t e r a c t t h r o u g h b l u e t o o t h g a t e w a y t h e r e a l i z a t i o no fb l u e t o o t hg a t e w a yi s e m p h a s i z e d c o m m e n c i n g o nt h eb l u e t o o t h a p p l i c a t i o np r o f i l e l a na c c e s sp r o f i l e ，t h ep a p e rd i s c u s s e su n t i lt h ei m p l e m e n t o f b l u e t o o t hp r o t o c o l sa n dh i g hl a y e rb l u e t o o t ha p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gt ot h ef i n a l r e a l i z a t i o no f l a na c c e s sp r o f i l ei nd e t a i l k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，h o m e n e t ，b l u e t o o t hg a t e w a y ，l a na c c e s s ，h o p p i n ga l g o r i t h m a d a p t i v e 儿 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章前言 网络技术正以前所未有的速度渗入普通家庭，无处不在的网，无处不在的计 算( e v e r y t h i n gc o n n e c t i n g ，e v e r y t h i n gc o m p u t i n g ) 成为当今计算机技术的潮流， 同时也带来了家居环境的变革，p c 、p d a 以及数字相机、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消费电子 产品也将出现在人们的视野。i n t e m e t 带来了无限的信息流通、快速便利的信息 交换以及远端信息存取控制等好处，浩瀚的网络信息使人们把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购买电脑的主要目的。为了在家中更方便 地获取信息、通信或娱乐，人们开始将所有这些信息家电( i n t e m e ti n f o r m a t i o n a p p l i a n c e ) 连接成无线或有线的网络；通信、计算机与消费电子( 3 c 的结合) 的进一步融合，必将带来数字化、智能化、网络化的信息家电的更快发展。家庭 网络开始在生活中扮演越来越重要的角色，一场由家庭网络引发的新的革命悄然 兴起。 家庭网络是指将个人电脑、信息家电、三表( 水表、电度表、煤气表) 、照 明系统及安全报警系统连接在一起而构成的网络。它在家庭内部能够实现各信息 家电联网，对外部能够接入智能小区网络和i n t e m e t 。人们所关注的最后一公里 的问题，实际上仅仅解决了一半，家庭网络才是宽带连接最后一百码需要完成的 任务。 1 2 家庭网络连接技术 家庭网络的连接技术有四类，它们分别是：传统局域网络、电话线网络、电 力线网络和家庭无线网络。也可将其划分为有线和无线两大类。 1 2 1 有线家庭网络连接技术 传统局域网连接建立在i e e e 8 0 2 _ 3 标准的基础上，使用以太网的形式，通过 双绞线或同轴电缆传输信号，速度从1 0 m b p s 到1 0 0 m b p s 不等，具有较高可靠性， 广泛地应用于商业企业中。但是成本太高，安装维护困难，家庭网络中很少采用 这种方案。 基于电话线的家庭网络具有廉价、简单、成熟的特点，发展最为迅速。其遵 循的协议是h o m e p n a ( h o m ep h o n e l i n e n e t w o r k i n g a l l i a n c e ) 标准。h o m e p n a 2 0 版本已经于1 9 9 9 年下半年发布，其速率是1 0 m b p s 。h o m e p n a 规范与现存i n t e m e t 上海大学硕士学位论文 访问技术兼容，如v 9 0 、a d s l 或c a b l e m o d e m 。 电源线网络的最大好处是用户无须为组建家庭网络重新布线投资，居室内随 处可见的电源插座都可以用来连接任何一台信息电器设备，可以节约大量的人 力、物力和财力。随着h o m e p l u , ? , 标准的建立，电源线网络将有统一的技术规范 进一步消除来自电力系统的低频噪音干扰，将有着十分诱人的发展前景。 1 2 2 无线家庭网络连接技术 无线家庭网络的最大优点是可移动性，可以省去各种专用的连接电缆，为可 移动设备接入家庭网络提供了很大便利，网络中设备的位置更加灵活。目前主要 的无线网络技术有i r d a 、h o m e r f 、i e e e 8 0 2 1 1 b 和b l u e t o o t h ( 蓝牙) 。 i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 工作距离1 米，速度为1 1 5 k b p s ，传输角 度只有3 0 度，超过这个角度在传送数据时两个接口必须正对，各设备之间不可 以有固体障碍。 h o m e r f t m 主要针对家庭网络进行设计，旨在降低语音数据成本，它制定了 一种共享无线访问协议( s w a p ) 。h o m e r f 工作在2 4 g 频段，支持数据和语音， 其数据通信采用简化的i e e e 8 0 2 1 l b 协议标准，进行语音通信时采用d e c t ( d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n ) 标准，使用t d m a 的时分多址 技术。h o m e r f 采用跳频扩频( f h s s ) 技术，跳频速率为5 0 跳，秒，共划分了 7 5 个带宽为1 m h z 的跳频信道。调制方式分为2 f s k 和4 f s k 两种，采用2 f s k 时传输速率为1 m b p s ，采用4 f s k 时最大速率可达到2 m b p s 。每个网络支持2 7 个设备联网，发射功率为1 0 0 m w ，并且提供了与t c p i p 良好的集成。h o m e r f 最大的缺点是开放性不够好，技术标准没有公开，而且技术本身的抗干扰性也比 较差。 i e e e 8 0 2 1 1 b 【4 】协议集中在i s o 模型的物理层和m a c 层上，工作在2 4 g h z 频段，采用补偿码键控制调制技术( c c k ) ，发射功率最高为1 0 0 m w ( 2 0 d b r n ) 。 它的最高速率可以达到1 1 m b p s ，当射频情况变差时，数据传输速率将降低到5 5 m b p s 、2m b p s 和lm b p s 。8 0 2 1 1 b 在m a c 层采用碰撞避免的载波检测多路访问 ( c s m a c a ) 或分布式协调功能( d c f ) 。该标准的设计目标决定了它比较适合 于在布线代价较高的企业内部构建无线网络，而不适合家庭网络的组建。 蓝牙技术j 使用2 4 g h z 全球通用的i s m ( 工业、科研和医疗) 频段，为了 减少干扰，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定、抑制干扰和防 止衰落。蓝牙采用跳频技术，以每秒1 6 0 0 跳的频率在7 9 个跳频通路内跳频，使 干扰可能的影响变成很小。另外，它还使用f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 。前 向纠错) 来抑制了长距离链路的随机噪音。蓝牙的数据传输总速率为1 m b p s ，以 时分多路制式实现双工通信。蓝牙发射时，无线输出功率为0 d b m ，通信距离可 达1 0 m ，若加上放大器，通信距离可达1 0 0 m 。接收机的灵敏度不可低于- - 7 0 d b m 。 2 上海大学硕士学位论文 1 3 基于蓝牙技术的无线家庭网络 家庭网络发展的方向必将是无线网络，和其它三种无线连接技术相比，蓝牙 是家庭网络低速率数据传输的最佳解决方案，它本身具有的系统健壮性、低复杂 性、低性能、低成本等优点使得该技术适合于不同的场合；而且由于蓝牙技术标 准的开放性，显示了更大的优越性。为此，对基于蓝牙技术的无线家庭网络进行 研究具有极大的理论和实际意义，必将极大的推动信息产业的发展。 本文主要对基于蓝牙技术的无线家庭网络进行研究，图1 1 所示即为基于蓝 牙技术的h o m e n e t 的组成方案。 图1 1 基于蓝牙技术的h o m e n e t 组成方案 由图1 1 我们可以看出蓝牙家庭网络主要由蓝牙网关和蓝牙终端设各组成。 蓝牙终端设备可以分为三类：蓝牙家庭安保类设备( 摄像机等) ，蓝牙信息 家电( 蓝牙微波炉、蓝牙空调等) ，蓝牙p c 机及其外围设备。 蓝牙网关是家庭网络中的核心，同时也是和外部公用网络互联的接口。它具 体实现两个功能：一、蓝牙网关是家庭网络的组织者，它利用蓝牙技术将家庭中 的信息设备组成一个p i c o n e t 网；二、蓝牙网关是蓝牙家庭网络访问外部公共网 络的接入点，是蓝牙协议与l a n 协议转换的接口。 家庭网络可以通过网关与户外的各种网络互连，这种连接可以采用有线或无 线方式，有线方式有传统的m o d e m ，和最新的c a b l em o d e m 、a d s l 技术、数据 广播技术等，无线的方式有w a p ，l d m s 等。 1 4 本论文研究的主要内容 本课题是上海市科委2 0 0 1 年度重大课题“无线接入技术”的子课题“蓝牙 技术应用研究”，主要针对基于蓝牙技术的无线h o m e n e t 进行研究。 蓝牙工作在2 4 g m h zi s m 公用频段，时常会遇到不可预测的干扰，为此蓝 上海大学硕士学位论文 牙采用了快速跳频技术。论文研究了蓝牙系统的跳频产生算法，并以此算法为基 础，从提高系统抗干扰能力的角度出发，提出一种改进的自适应跳频方案来进一 步改善系统的性能，接着基于c 语言和m a t l a b 工具对原跳频系统和改进后的 跳频系统分别进行了系统仿真和性能分析，并对两个系统的抗干扰性能进行了比 较。 论文还研究了基于蓝牙技术无线家庭网络的实现，阐述了如何通过蓝牙网关 来实现对家庭蓝牙信息家电的远程监控，以及家庭内的个人p c 机和笔记本电脑 等如何通过蓝牙网关访问i n t e r n e t 。其中重点研究了蓝牙网关的实现技术，论文 从实现蓝牙网关所需的蓝牙应用模型一一局域网接入应用模型着手，论述了如何 从软件上完成蓝牙协议和基于主机蓝牙上层应用程序的开发以及协议的转换，直 至最终实现局域网接入应用模型。 论文的章节编排如下： 第一章简要讲述了基于蓝牙技术无线家庭网络的组成以及本论文的主要研 究内容。 第二章介绍了蓝牙有关协议。 第三章分析了蓝牙系统跳频序列的产生算法，并在原跳频算法的基础上，提 出了一种改进的自适应跳频方案来进一步提高系统的抗干扰能力，接着基于c 语言和m a t l a b 工具对原跳频系统和改进后的系统进行了系统仿真和性能分 析。仿真和分析比较的结果表明，改进后的跳频系统大大提高了系统的抗干扰能 力。 第四章详细阐述了基于蓝牙技术家庭网络的设计和实现方案，其中重点分析 了蓝牙网关的实现。 上海大学硕士学位论文 第二章蓝牙有关协议 2 1 蓝牙协议体系及应用模型1 6 1 7 l 蓝牙协议的目标是允许遵循协议的应用可以进行互操作，整个协议栈包括蓝 牙指定协议和非蓝牙指定协议( 应用层协议) ，设计协议和协议栈的主要原则是 尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议和蓝牙协议之间的互通性。蓝牙 协议的开放性保证了设备制造商可自由地选用其专利协议和公共协议，在蓝牙协 议的基础上开发新的应用。 完整的蓝牙协议栈结构如图2 1 所示。 应用层 畔富中 l 电缆替代协议( r f c o 删) | i 二元电话控制协议( t c sb i n ) lj 服务发现协议( s d p ) iil l逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 1 h c i ( 主机控制接口) l 链路管理协议( l h i p )l 音频 l 基带协议( b a s e b a n d ) 射频( r f ) 图2 1 蓝牙协议栈 整个蓝牙协议体系结构可分成三大部分：底层硬件模块、中间协议层和高层 应用层。 底层硬件模块包括射频层r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 、基带b b ( b a s e b a n d ) 部 分和链路管理协议l m p ( l i n km a n a g e rp r o t o c 0 1 ) 。 中间协议层包括逻辑链路控制和适应协议l 2 c a p ( l o g i c a ll i n kc o n t r o la n d a d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) 、服务发现协议s d p ( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 、电缆替 代协议协议r f c o m m 和二元电话控制协议t c sb i n ( t e l e p h o n yc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 。 高层应用层都是一些现成的协议，包括p p p 、u d p t c p i p 、o b e x 、w a p 等。 上海大学硕士学位论文 除了上述协议层以外，蓝牙协议还定义了主机控制接口h c i ，它为基带控制 器、链路管理器、硬件状态和控制寄存器提供接口命令。 不是任何应用都必须使用全部协议，但是除了语音之外的所有应用都要使用 蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。在后面的章节中，我们将介绍协议栈中 的一部分协议。 蓝牙协议栈的最上部显示了各种应用模型。蓝牙s i g 定义了几种基本的应 用模型，包括：文件传输、因特网网桥、局域网接入、同步、三合一电话和终极 耳机。为了保证蓝牙设备之间的互操作性，蓝牙s i g 定义了1 3 种应用规范 ( p r o f i l e ) ，应用规范阐述了为了实现一个特定的应用模型，各层协议间的运转 协同机制。每种p r o f i l e 都从协议栈中选取不同的协议组合来完成特定的功能， 每一种应用模型对应一个或多个应用规范。图2 2 给出了蓝牙应用规范结构和相 图2 2 应用规范结构 如图所示，通用访问应用规范是其他所有应用规范的基础，位于应用规范结 构的最低层，它和串口应用规范，业务发现应用规范及通用对象交换应用规范一 起构成了蓝牙各种应用模型的基础，称为通用应用规范。其它的则称为特定应用 规范，都直接或间接的依赖于通用应用规范，如局域网接入应用规范( l a na c c e s s p r o f i l e ) 就建立在串口应用规范( s e r i a l p o r t p r o f i l e ) 的基础上。其中无绳电话应 用规范和对讲机应用规范又被称为电话管理协议二进制应用规范，直接依赖于通 用访问应用规范。 6 上海大学硕士学位论文 2 2 蓝牙协议和p p p 协议 这一小节我们对局域网接入应用规范协议栈中所用到的蓝牙协议和p p p 协 议作一个详细的说明。 2 2 1 蓝牙协议1 1 1 1 6 u 7 1 一、基带协议( b a s e b a n d ) 基带部分和射频部分一起工作，控制数据分组在指定的时隙和指定频率上发 送。蓝牙的射频系统是一个跳频系统，分组在指定时隙、指定频率上发送，使用 查询和寻呼进程实现不同蓝牙组牛的发送频率和时钟的同步，为数据分组提供两 种连接方式：面向连接( s c o ) 和无连接( a s l ) ，并完成前向纠错( f e c ) 、循 环冗余校验( c r c ) 和数据加密。蓝牙基带协议是电路交换和分组交换的融合， 因此既适合传送实时话音也适合传输数据，话音通道可支持6 4 k b s 的同步连接， 异步通道可支持不对称连接，一个方向的速率可高达7 2 1k b s ，而另一个方向速 率允许为5 7 6 k b s 。 1 、物理信道和物理链路 蓝牙技术的特点体现在底层技术，而基带层是底层中的关键技术之一。注意 蓝牙基于微微小区机制，需具备强壮性、低复杂度、低功率、低成本的特点，而 这在基带层技术中有所体现。 蓝牙采用跳频技术，每秒1 6 0 0 跳，从时间域看即每个时隙长度是6 2 5 9 s ， 即每个时隙从7 9 个信道中选择一个。时隙编号o ( 2 2 1 1 ) ，即跳频序列以2 2 7 进行循环( 有关蓝牙跳频的算法将在后面章节进行详细讨论研究) ，分组传输采 用时分双i ( t d d ) 交替传输方式。蓝牙既支持电路型数据，也支持分组型数据； 既支持点对点连接，也支持点对多点连接。在一个微微网络( p i e c o n e t ) 中，一 个单元作为主设备( m a s t e r ) 单元，其他作为从设备( s l a v e ) 单元，最多可以有 7 个从设备；但是允许有更多从设备与主设备保持在p a r k 状态。从设备对信道的 接入由主设备控制。微微网络在覆盖上可以有重叠：每个网络有各自的跳频方案， 一个网络的主设备可以同时作为另一个网络的从设备；一个从设备可以属于多个 网络。 主设备向从设备发送数据只能占用偶时隙，反之从设备只能在奇时隙才能向 主设备发送数据。分组起始位置与时隙起始点相吻合。一个分组( p a c k e t ，实际 上更习惯的说法是帧，因为在基带层其地位类似于o s i 的第二层、部分涉及物 理层，分组的确切用法在第三层，但是蓝牙基带层规范中采用p a c k e t 术语) 的 传送最多可以占用5 个时隙，在一个分组的传送期内，维持初始时隙所占用的信 道而不再跳频。t d d 和定时工作方式如图2 3 所示： 上海大学硕士学位论文 图2 3 主从单兀传输分组时序图 在主从设备之间，有两种不同类型的链路，即同步面向连接s c o ( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n o r i e n t e d ) 链路和异步无连接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 s ) 链路。s c o 是点到点链路，主设备在周期性的保留时隙上维 持s c o ；a c l 是点到多点链路。主设备可以利用s c o 未占用的时隙建立a c l 链路，从设备可以同时参与s c o 和a c l 。 s c o 具备双向对称性，可以看作电路型连接，通常用于支持语音等实时业 务。主设备可与一个或多个从设备建立多达3 个的s c o 链路；一个从设备也与 多个主设备建立s c o 链路( 最多3 条) 。s c o 分组不采用重传机制。s c o 链路 的建立通过主设备发送l m p 的s c o s e t u p 消息，该消息中包含了t s c o 和d s c o 等参数。d s c o 用于标识s c o 开始的时隙相对数，而t s c o 用于表示时隙的重复 周期。 未被s c o 占用的时隙可用于a c l ，在一对主从设备之间只有一条a c l 。 a c l 的分组传送用重传机制以确保正确性。只有当主设备在发往从设备的分组 中以某种方式允许某从设备发送数据时，该从设备才能在规定时隙发送数据。 a c l 支持广播。 2 、分组组成和分组类型 蓝牙基带层每个分组由3 部分组成，即接入码( a c c e s sc o d e ) 、头 ( h e a d e r ) 、负载( p a y l o a d ) 。如图2 4 所示： l s b7 25 40 2 7 4 5 m s b 图2 4 蓝牙标准分组格式 其中接入码和头字段为固定长度，分别为7 2 比特和5 4 比特；负载是可变长 度，从0 2 7 4 5 比特不等。一个分组可以仅包含接入码字段( 此时为缩短的6 8 比特) ，或者包含接入码与头字段，或者包含全部3 个字段。 上海大学硕士学位论文 接入码有三种类型：c h a n n e l a c c e s s c o d e ( c a c ) 、d e v i c e a c c e s s c o d e ( d a c ) 和i n q u i r ya c c e s sc o d e ( i a c ) 。c a c 用于标识一个p i c o n e t ，所有在该p i c o n e t 中 传送的分组都包含c a c ：d a c 用于特殊的信令过程，如寻呼和响应寻呼；i a c 又分为g e n e r a l ( g i a c ) 和d e d i c a t e d ( d i a c ) 两类：g i a c 对该区域内所有设 备都是一样的，用于发现其它盼夔牙单元；d i a c 用于根据某种特性划分特定用 户群。 分组头包含链路控制信息，由6 个字段组成：a m - - a d d r 、t y p e 、f l o w 、 a r q n 、s e q n 和h e c ，共1 8 个比特，采用l 3 比例的f e c ( 前向纠错码) 进 行保护，编码保护后一共是5 4 比特。在主设备与从设备通信时，要用a m - - a d d r 来表示激活的从设备地址；t y p e 字段可以区分1 6 种不同类型的分组；f l o w 字段用于a c l 链路上的流量控制；a r q n 用于对负载传送正确性的确认；s e q n 比特在每发送一个新的分组时翻转一次，从而避免由于a c k 的丢失而造成分组 重复接收。分组头用8 比特的校验码以检查分组头的正确性。 在蓝牙基带层的1 6 种分组中，有4 种是公共的；另外1 2 种根据s c o 和a c l 不同链路而不同。其中，公共分组中的四类分别为i d 分组、n u l l 分组、p o l l 分组、f h s 分组。 s c o 分组通常用于6 4 k b i t s 的语音传送。在s c o 链路上传送语音，分组不 采用c r c 校验和重传机制。一般分为四种s c o 分组：h v t ( h i g hq u a l i t yv o i c e ) 分组、h v 2 分组、h v 3 分组和d v ( d a t a & v o i c e ) 分组。 a c l 分组在a c l 链路上传送，承载的信息可以是控制信息或用户数据。如 果包含d m l ，则一共有7 种a c l 分组，除了a u x l 外其它6 种a c l 分组采用 c r c 校验及重传机制。按a c l 链路可分为d h i ( d a t a 珏g hr a t e ) 分组、d m 3 分组、d h 3 分组、d m 5 分组、d h 5 分组以及a u x l 分组，如果加上d m l ( d a t a m e d i u mr a t e ) 分组，一共是7 种a c l 分组。 可使用各种用户模式在蓝牙设备间传送话音，面向连接的话音分组只需经过 基带传输，而不到达l 2 c a p 。话音模式在蓝牙系统内相对简单，只需开通话音 连接，就可传送话音。 3 、分组中的负载格式 在蓝牙基带层负载中要区分语音( 同步) 字段和数据( 异步) 字段：a c l 分组仅包含数据字段，s c o 分组仅包含语音字段，d v 分组比较特殊同时包含两 种字段。语音字段长度固定为2 4 0 比特，d v 分组中语音字段为8 0 比特，不存 在负载头字段。数据字段包含3 部分：负载头、负载体和c r c 校验码( a u x l 例外) ( 如图2 5 所示) 。 9 上海大学硕士学位论文 i 负载头i 负载体 l 校验码i 8 - 1 6 b i t 0 - 2 7 2 l b i t1 6 b i t 图2 5 数据字段格式 只有数据字段具有负载头，长度为l 或2 个字节。负载头规定了逻辑信道( 两 位lc h 表示) 、逻辑信道上的流量控制( 一位f l o w 表示) 及负载长度指示。 用2 个比特的lc h 字段来代表逻辑信道，其中1 1 表示l m 信道( 传送l m p 消息) ，1 0 表示u a u i ( l 2 c a p 消息的开始或非分段) ，0 1 表示u a u i ( l 2 c a p 消息的后续分段) ，0 0 表示保留。如表2 1 所示： lc h 代码逻辑信道信息 0 0n a 未定义 o l u a ，u il 2 c a p 消息的后续分段 1 0u a ，u i l 2 c a p 消息的开始和非分段 】ll m l m p 消息 表2 1 逻辑信道lc h 域内容 1 或2 个字节负载头格式如图2 6 所示： 叵丑堕圜叵丑亟巫至巫蔓卫 ( 8 ) 单时隙负载头格式( b ) 多时隙负载头格式 图2 6 负载头格式 在蓝牙基带层中定义了5 种逻辑信道，即l c ( l i n kc o n t r 0 1 ) 控制信道、l m ( l i n km a n a g e r ) 控制信道、u a ( u s e ra s y n c h r o n o u s ) 用户信道、u i ( u s e r l s o c h r o n o u s ) 用户信道、u s ( u s e rs y n c h r o n o u s ) 用户信道。控制信道用 于链路控制和链路管理，用户信道用于运载用户数据。l c 信道在分组头携带， 其它信道在分组负载中携带。l m 、u a 、u i 用负载头中的lc h 字段来区分， u s 信道仅在s c o 链路中，u a 和u i 通常由a c l 链路承载，但也可由s c o 的 d v 分组来承载。l m 信道s c o 和a c l 都可承载。 二、链路管理协议( l m p ) 当两个蓝牙设备进入彼此的范围时，每个设备的链路管理器( l m ) 就会发 现对方。然后通过链路管理协议l m p ( l i n km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 交换各种消 息来实现链路管理器之间的对等通信。这些消息执行链路设置的任务，包括鉴权 与加密等安全机制，该安全机制执行链路和加密密钥的生成、交换与检查，并控 制和协商基带数据分组的大小。通过消息交换，l m p 也可以控制蓝牙射频模块 的功率模式和工作周期以及微微网内的蓝牙设备的连接状态。但是无论未响应这 些消息执行什么功能，这些消息都只被接收方的链路管理器过滤并解释，两不会 0 上海大学硕士学位论文 发给高层。链路管理器全局视图如图2 7 所示。 图2 7 链路管理器全局视图 为了完成其业务提供者的功能，链路管理器要利用其下层链路控制器( l c ) 提供的监控功能，即处理蓝牙基带所有的功能并支持链路管理器，包括发送和接 收数据、请求发送设备的身份鉴别、链路鉴权、设置链路类型( s c o 或a c l ) 、 决定每一个数据分组用什么样的帧类型，安排设备如何监听来自其他设备的发送 信息或者将其设置成等待状态。 消息在链路管理器之间以协议数据单元( p d u ) 的方式发送。根据发送过程 规定，在接收一个携带有l m pp d u 的基带数据分组和发送一个带有有效响应 p d u 的基带数据分组之间的时间间隔不能大于l m p 的最大应答延迟时间，最大 应答延迟时间为3 0 秒。 蓝牙技术总共定义了5 5 种不同类型的p d u ，每一个实现一种唯一的功能。 每个p d u 都分配了一个7 位操作码，它用来标识不同类型的p d u 。 l m pp d u 总是以单时隙分组的方式发送，因此负载头只占一个字节。负载 头的两个最低位用来确定逻辑信道，这些位设置可参见表2 1 。一般情况下，负 载头中的f l o w 只有一位，并且该f l o w 位可以被接收方忽视。操作码和只占 有一位数据的事件i d 共同设置成负载的首字节，如图2 8 所示。事件i d 位于该 字节的最低位。如果p d u 属于由主单元发起的事件，则事件i d 为0 ；如果p d u 属于由从单元发起的事件，则事件i d 为l 。如果在p d u 分组中含一个或多个参 数，则这些参数都位于负载的第二个字节中。字节数根据参数的长短来确定。所 有的参数都使用小端格式，即最低位字节先发送。 协议数据单元的源地址和目的地址由消息头的a ma d d r 决定。 l s b m s b 臣堕堕叵回 图2 8l m pp d u 被发送时的负载 每个p d u 可以被设置成必选或可选的，这要视使用情况而定。如果一个p d u 是可选的，链路管理器可以不传送它，但是它必须能够识别出所有它接收到的 p d u ，而且如果要求返回一个响应，它必须发回一个有效的响应。如果所收到的 上海大学硕士学位论文 可选p d u 不要求响应，则不必发送响应。 三、逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) l 2 c a p 是基于基带协议，位于数据链路层中，如图2 9 所示。它可以与l m p 并行工作。l 2 c a p 与l m p 的区别在于当业务数据不经过l m p 对，l 2 c a p 为上 层提供服务。l 2 c a p 向上层提供面向连接的和无连接的数据服务，它采用了多 路技术、分段和重组技术、群提取技术。l 2 c a p 允许高层协议和应用传输接收 长达6 4 k b 的l 2 c a p 数据分组。虽然基带协议提供了s c o 和a c l 两种连接类 型，但l 2 c a p 只支持a c l 。 圈2 9 协议层内的l 2 c a p l 、分段和重组 分段和重组操作用于通过支持最大传输单位( m t u ) 来提高传输效率。m t u 的长度大于最大的基带数据包。这样，就可以通过网络广播和传送高层协议分组 降低拥塞。所有l 2 c a p 分组都可以在基带分组基础上进行分段。l 2 c a p 协议并 不执行任何分段和重组操作，但是其分组格式支持调整到更小的物理帧长度。 l 2 c a p 发送出的m t u 把上层分组分为可通过主机控制器接口( h c i ) 传送到链 路管理器的“数据块”。在接收端，l 2 c a p 应用接收到来自h c i 的“数据块”后， 就可以利用h c i 提供的来自分组头的信息，把这些“数据块”重组成l 2 c a p 分 组。 执行分段和重组只使用了很小的代价。位于基带分组负载的第一个字节( 也 叫负载头) 的两个l _ c h 位用于表示l 2 c a p 分组的开始和后续部分。l 圳c h 为 “1 0 ”表示l 2 c a p 分组的第段，而为“o l ”则表示它的其余部分。如图2 1 0 所示就是分段重组的示例： 上海大学硕士学位论文 l 2 c a p 分组 ( l 2 c a pm t u ) 巨叵 图2 1 0l a c a p 分段 2 、数据分组格式 l 2 c a p 基于分组，但它实际上遵循的是一个基于信道的通信模型。条信 道代表远程设备上两l 2 c a p 实体间的一数据流。信道可以是面向连接的，也可 以是无连接的。图2 1 1 是无连接信道内的l 2 c a p 分组格式。 l s b m s b 长度( 2 )信道i d ( o x 0 0 0 2 ) ( 2 ) p s m ( 2 ) 信息( 有效载荷) 信息( 继续的) 图2 11 无连接l 2 c a p 分组( 各段以字节为单位) 各段内容描述如下： 长度：两个字节，除l 2 c a p 报文头的长度外，长度是信息有效载荷与p s m 段长度的和。 信道i d ：两个字节，0 x 0 0 0 2 值保留用于无连接通信。 协议明艮务复用( p s m ) ：两个字节( 最小) ，p s m 段的值必须是奇数。即最 低字节的最低位为“1 ”。而且所有的p s m 值的最高字节的最高位应等于“0 ”。 这样，p s m 段就可以扩充到1 6 位。p s m 值定义主要针对l 2 c a p ，并由蓝牙s i g 指定。 信息：0 - - 6 5 5 3 3 个字节。 四、服务发现协议( s d p ) s d p ( s e r v i c ed e s c r i p t i o np r o t o c 0 1 ) 是蓝牙协议体系中的核心协议，是蓝牙 系统的重要组成部分，是所有用户模式的基础。在蓝牙系统中，客户只有通过服 务发现协议才能获得设备信息、服务信息及服务特征，才能在此基础上建立相互 间的连接。 s d p 的基本功能包括：提供由服务属性搜索服务的功能；提供由服务类发现 服务的功能；提供服务浏览功能：提供设备有效或服务有效的判决机制；提供设 备失效或服务失效的判决机制；提供唯一识别服务、服务类和服务属性的功能； 上海大学硕士学位论文 不经第三方，能够发现另一个设备上的服务；能够用于简单的设备：提供增量获 取服务信息机制：支持服务发现信息的高速缓存，以提高发现进程的效率或速度； 能够独立传输：能够用l 2 c a p 作为传输层协议：能够发现和使用接入其他服务 发现协议的服务；无需主设备许可，支持新服务的创建和定义。 s d p 是一个对通信要求最少的简单协议，它可工作于可靠分组传输模式，使 用一个请求应答模型。在模型中，每一处理事务由请求协议数据单位( p d u ) 和应答协议数据单位( p d u ) 组成。在服务搜索协议使用蓝牙l 2 c a p 传输协议 的特定情况下，可以在一个l 2 c a p 分组中传输多个s d pp d u ，在每一连接上只 能发送一个这样的l 2 c a p 给指定s d p 服务器。限制s d p 发送确认分组成为流 控制形式的一种。服务搜索协议按b i ge d i a n 方式( 即高位字节先于低位字节) 进行传输。 五、电缆替代协议( r f c o m m ) 通过在蓝牙的基带上仿真r s - 2 3 2 的功能，r f c o m m 在蓝牙设备间实现串 行通信。该协议基于g s mt s0 7 1 0 规范，是一个简单的串口，为使用串行线传 送机制的上层协议提供支持。在办公室无线网络中，它可以用于局域网接入网、 拨号网、传真和手机通信。例如，在拨号网络中，a t 命令先由主机发送到调制 解调器，然后由调制解调器传输到局域网。一旦建立了调制解调器链接，应用程 序就可以通过r f c o m m 提供的串口发送和接收数据。 r f c o m m 的目的是针对如何在两个不同设备( 通信的两端) 上的应用之间 保证一条完整的通信路径，并在他们之间保持一通信段。图2 1 2 表示一条完整 通信路径。图中应用不只表示终端用户应用，也可以是高层协议或作为终端用户 应用的其他服务。 图2 1 2r f c o m m 通信段 r f c o m