（机械电子工程专业论文）蓝牙技术研究及其在个人无线通信中的应用.pdf

北京邮 b 大学硕1 ：4 i j l 究生论文 摘要 摘要 近年来，短距离无线通信技术获得了长足的发展，而蓝牙技术就是其中发展 最快、应用极为广泛的一种技术，正在受到全世界工业界的广泛关注。在现代信 息社会中，蓝牙技术已经和正在影响着人们的工作和生活方式，并被应用于各种 无线通信设备中( 如移动电话、p d a 等) 。随着蓝牙技术的进一步发展，蓝爿：将 成为短距离无线通信技术的主流协议，给人们的生活带来更加广泛深入的影响。 本论文的课题是蓝牙技术研究及其在个人无线通信中的应用。论文首先介绍 了目前几种短距离无线通信技术，并在性能和应用上做了比较；然后着重对蓝习： 技术进行分析和研究，分析蓝牙协议的技术特点和协议结构等等，并对蓝牙的应 用模式、核心协议栈进行全面的分析；在全面分析蓝牙协议的基础上，通过研究 和使用蓝牙s d k ，丌发出一套蓝牙应用系统。本系统应用于w i n d o w s 9 8 或2 0 0 0 操作系统，基于o o a o o d 的设计思想，采用u m l 语言进行系统建模与描述， 开发环境为微软v i s u a lc + + 工具包。系统具有友好的图形用户界面，并具有良好 f f , j - f 扩充和可维护性。 【关键词】：蓝牙：无线通信；通信协议；无线局域网：a d h o c ! ! 塞坚皇查兰堡! ：型塑兰堡兰竺! ! 坠! ! a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a g r e a tp r o g r e s s h a sb e e nm a d ei nt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o no fs h o r td i s t a n c e a n db l u e t o o t hi si m p o r t a n to n eo ft h e s e t e c h n o l o g i e s ，w h i c hi sd e v e l o p e dm o s tq u i c k l ya n du s e dl a r g l y b l u e t o o t hh a s b e e nw i d e l yc o n c e r n e db yi n d u s t r i e sa l lo v e rt h ew o r l d i nm o d e r ns o c i e t yo f i n f o r m a t i o n ，b l u e t o o t hh a sa f f e c t e da n di sa f f e c t i n gt h es t y l eo fp e o p l e sl i f e i t h a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nt h ew i r e l e s sd e v i c e s ，s u c ha sm o b i l ep h o n ea n d p d a w i t ht h ed e v e l o p i n go fb l u e t o o t h 。t e c h n o l o g y , i tw i l lb e c o m et h ep r i m a r y p r o t o c o lo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni ns h o r td i s t a n c e t h et i t l eo ft h i st h e s i si s “r e s e a r c hi nb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dt h e a p p l i c a t i o ni np e r s o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ”i nt h i sp a p e r , 1f i r s t l y i n t r o d u c es o m ek i n d so fs h o r t d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n d c o m p a r et h e mi n t h ec a p a b i l i t ya n da p p l i c a t i o n s e c o n d l li e x p l a i nt h e c h a r a c t e r i s t i ca n da r c h i t e c t u r eo fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , t h e nm a i l ya n a l y s ei t s a p p l y m o d ea n dc o r ep r o t o c o ls t a c k o nt h eb a s i so ft h e s ea n a l y s i s e s ，a n a p p l i c a t i o ns y s t e mo fb l u e t o o t hi sd e v e l o p e da n da c h i e v e d ，w h i c hi ss u p p o r t e d b yb l u e t o o t hs d k t h i ss y s t e m i s d e s i g n e dw i t hu m ll a n g u a g e ，a n d d e v e l o p e dw i t ho o a o o do nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w s9 8 t h ed e v e l o p m e n t t o o l k i t sa r em i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0a n dr m i o n n a lr o s e2 0 0 0 t h ew h o l e s y s t e mh a sag o o dc a p a b i l i t yo fe x p a n s i o na n dm a i n t e n a n c e ，w i t haf r i e n d l y g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u 0 k e w o r d s b l u e t o o t h ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；p r o t o c o l ；w i r e l e s sl a n ；a dh o c 北京邮l 乜大学硕二 ：研究生论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 蓝牙技术的出现及其发展趋势 1 蓝牙的起源： 研制蓝牙的过程可追溯到1 9 9 4 年。那时，爱立信( e r i c s s o n ) 移动通信公司 丌始研究移动电话和其他电子设备间低功率、低成本的无线连接方法，其目的灶 除去电话和计算机间的电缆连接。由于红外线收发器比较便宜，因此在在一些手 提设备中首先使用它来进行相互通信，比较典型的设备是笔记本电脑中应用的红 外线网卡。但红外线收发器有其固有的不足：对方向性很敏感，要求可视直线距 离：距离短，同常只有1 到2 米；只能在两个设备间进行通信。而与之相对应， 无线电传输可以穿过物体，可以进行更远的距离通信，可以连接多个设备。有鉴 于目前的移动设备规格多且连接性差，即使真的要连接也需要一大堆连接器，携 带不便。1 9 9 8 年2 月，瑞典的爱立信、挪威的诺基亚( n o k i a ) 、美国的国际商 用机器( i b m ) 和英特尔( i n t e l ) 以及日本的东芝( t o s h i b a ) 等五家公司联合发 起成立了一个技术团体，称为s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，简称s i g ，旨在研究被称 为b l u e t o o t h 的技术规范和推广其应用，并促进更多的设备制造商支持该项协议。 b l u e t o o t h ，它取自h a r a l db l m a n d “b l u e t o o t h ”i i一位在1 0 世纪为统一四 分五裂的瑞典、芬兰和丹麦而立下不朽功勋的丹麦国王。发起者将其命名为一种 技术标准，含有将i t 领域四分五裂的局面统一起来的意思，期望着这种技术可 在小区域内将各种移动通信设备、固定通信设备、计算机及其终端设备、各种数 字数据系统( 例如数字照相机、数字摄像机、监控设备等) 甚至各种家用电器， 使用一利镰价的无线方法连接在一起。显然，这涉及到的设备面广量大，应用空 间极为广阔，里面蕴涵着巨大的商机。 b l u e t o o t h 的最初几个版本的技术规范( s p e c i f i c a t i o no fb l u e t o o t hs y s t e m ) 公币i 后，迅速得到世界上许多著名的通信、计算机、软件、芯片及家用电器等几乎i t 行业各个领域的设备制造商和运营商的重视，纷纷宣布支持b l u e t o o t h 并加入 s i g ：2 0 0 0 年1 2 月，美国的摩托罗拉( m o t o r o l a ) 、朗讯( l u c e n t ) 、微软( m i c r o s o f t ) 北京邮l 邑大学硕t ：研究生论文第一章绪论 和3 c o m 公司宣布支持b l u t o o t h 并和前述5 个公司一样，作为s i g 的发起公司。 2 蓝牙技术的发展和无线个域网的应用： 为了使b l u e t o o t h 更快地推广应用，s i g 将其标准定义为非专利性质，即只要 支持b l u e t o o t h 标准，按该标准去研制和生产设备，都可以免费地使用标准及其 中的技术，但任何冠以b l u e t o o t h 名称的商标则必须通过s i g 授权的专门机构的 认证：任何机构( 包括公司、大学和各类研究开发单位) 都可以申请成为s i g 的成员。到2 0 0 1 年8 月，s i g 的成员大约在2 5 0 0 个左右，其中包括了几乎所有 国际上著名的的i t 行业的厂商。 作为一个单项技术规范，在这么短的时间里得到这么多的著名公司这么热烈 的响应，在历史上还是绝无仅有的。 蓝牙的设计初衷就是将诸如移动电话、笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字 化的信息设备之间的连接都能不再用电缆，而用一种小型化、低成本和微功率的 无线通信技术，进而形成一种个人身边的网络，使得在其覆盖范围之内各种信息 化的移动或固定设备都能无缝地实现资源共享。其实质内容是要建立通用的无线 电空中接口及其控制软件的公丌标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家 生产的这类设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，也能在近距离范围内具有 互用、互操作的性能。 小区域应用的各种系统特别是蓝牙技术的推出，直接催生了无线个域网 w p a n 概念和i e e e 8 0 2 1 5 的产生。与城域网、局域网相比，个域网是目前覆盖 范围最小的网，它的服务区在个人操作空间( p o s ，p e r s o n a lo p e r a t i n gs p a c e ) 的 范围内，通常是指以一个人为半径最多几十米的球形范围内的空间，该空间随人 的移动而移动，并支持全球漫游。无线个域网为工作在个人空间或正进入个人操 作空间的设备提供低功耗的和低复杂度的无线连接，它面向那些手提的、可穿戴 的或在人周围近处工作的设备。在这个环境中，台式计算机、打印机、手持设备、 移动电话、随身听等设备都通过无线方式互相通信。 i e e e 8 0 2 1 5 工作组是专f - j 制定关于无线个域网的有关仂、议的机构。和 i e e e 8 0 2 系列的其他工作组一样，其任务是制定无线个域网中的物理层( p h y , p h y s i c a ll a y e r ) 和媒质访问控制层( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r ) 的协议， 北京i 邮电大学烦l i j f 究生论文笫一章绪论 该1 办议也称为i e e e 8 0 2 1 5 协议，目前它有三个任务组，分别称为t g ( t a s kg r o u p ) l 、2 、3 ，他们的任务分别是： t g l ：协调与蓝牙协议的关系，现已将蓝牙协议采纳为i e e e 8 0 2 1 5 的一部分， 即i e e e 8 0 2 1 5 1 。 t g 2 ：主要研究i e e e 8 0 2 1 5 系统和i e e e 8 0 2 1 l 系统的互存性。它的任务， 一是构造一个互存性模型来定量地分析两个网络相互干扰的影响，二是推荐一种 使两个网络可在同一空间中互存的方案。 7 f g 3 ：制定将来在w p a n1 1 j 的商速传输标准，其数据速率将达到2 0 m b p s 或 更高，以满足传输数字图象和多媒体应用的需要。但所制定的协议必须与t g i 任务组制定的协议相兼容。 无线个域网是一个随人移动而移动的网络。相对与人来讲，无线个域网设备 可分为相对固定和相对移动两类。相对固定的设备可以是那些提供一些公共服务 或者一些需要与其他通信线路连接( 如电话线、网线) 才提供服务的设备，如打 印机、无绳电话座机、无线局域网接入设备和传真机等设备，它们一般不随人的 移动而移动。相对移动的设备是那些随人的移动而移动的设备，如人们随身携带 的手机、无线耳机、通过无线信道向无线耳机提供音频数据服务的随身听、笔记 本电脑等。无线局域网的网络结构是以个人为中心的。在这个区域内，所有的设 备既可以是提供服务的，也可以是接受服务的，还可以是同时提供和接受服务的， 它们相互间通过无线信道进行服务的访问与获取。 蓝牙系统正是遵循无线个域网的上述特点和要求而设计和发展的。 从1 9 9 8 年下半年开始，蓝牙s i g 不断地对外公布升级的蓝牙标准，其版本 先后有o 7 、o 8 、0 9 、1 0 、1 0 a 、1 o b 和1 1 。今后还会不断推出更新的版本， 但从1 0 b 开始的各版本都是可生产的，也就是说。各种更高版本的标准将会和 1 0 b 版本兼容。 在1 9 9 9 年1 2 月发御的蓝牙1 0 版的标准中，定义了包括使用w a p 协议连 接互联网的多科，应用软件。它能够使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网 和互联网等现有网络增添新功能，使各类计算机、传真机、打印机设备增添无线 传输和组网功能，在家庭和办公自动化、家庭娱乐、电子商务、无线公文包应用、 北京邮 u 人学坝i 研究生沦史第一章绪论 各类数字电子设备、工业控制、智能化建筑等场合开辟了广阔的应用。随着p a n 的发展，i e e e8 0 2 1 5 的一个工作小组正在制订速率可达2 0 m b s 以上的p a n 标准，这一标准也是基于蓝牙规范。因此，p a n 和蓝牙必然会趋于融合。现在， 蓝牙规范2 0 版本- 丌i 在紧锣密鼓的制定当中，不久即将面世，预计会在传输速率、 有效距离、安全保障等方面做出更大的提升，蓝牙技术将更加成熟，其应用前景 将更为广阔。 1 2 相关技术的比较 一般来说，无线多媒体的实现方式可分为蜂窝移动通信和无线接入两大类。 的者的典型代表是第三代移动通信系统，又称为3 g ，近年来已有长足的进展， 在今年的通信展上已有厂商展示其最新的产品和服务。而后者则有各种各样的无 线接入技术，当前应用比较多的主要有四类：b l u e t o o t h 、i r d a 、h o m er f 与u w b ( u l t r a w i d e b a n dr a d i o ) 四引i 。 h o m er f 是由微软、英特尔、惠普、摩托罗拉和康柏等公司开发的，使用 2 4 g h z 的工业、科学研究和医学频段，简称工科医频段( i s m ，i n d u s t r i a l ，s c i e n c e a n dm e d i c i n e ) ，话音通信采用d e c t 标准，数据通信采用t c p h p 。它使用了调 频技术，调频速率为5 0 跳每秒。目前的数据传输速率最大可达2 m s ，工作范围 可达5 0 米。h o m e r f 主要用于各种数字设备问的数据传输，支持无绳电话，计 算机和其他一些电子资源问的互联。它的基本出发点是用于家庭，增加设备i j 的 互联性和移动性。目前应用还不是很广泛。 u w b 是一种新技术。其概念类似于雷达，在很宽的频段内传送短脉冲，将 信息调制到脉冲的时间和频率上。u w b 的高性能和低功耗的优点使得它将成为 未来市场上的强有力的竞争者之一。 i r d a 技术是一种短距离红外线通信技术，是目前四种技术中市场份额最大 的，已经安装了至少5 0 0 0 万个单元。它采用红外线作为通信媒介，支持各种速 率的点到点的话音和数据业务，主要应用在嵌入式的系统和设备上，适合于低成 本、跨平台、点到点的高速数据连接。应用i r d a 虽然能免去电线或电缆的连接， 但是使用起来仍有许多不便：连接距离局限于1 2 米，而且必须在视线上直接 北京邮电大学硕士_ i i j 究生论文第一章绪论 对准，中间不能有任何阻挡；只限于在两个设备之间进行连接，不能同时连接更 多的设备。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是在吸收了i r d a 和h o m e r f 技术优点的基础上而推出 的一种协议，它支持点到点、点到多点的话音、数据业务，也是- 7 十短距离无线 通信技术，采用跳频方式，跳频速率最高可达3 2 0 0 跳每秒，数据速率为1 m s 。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，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。其程序写在一个 9x9 m m 的微芯片中。起初是作为- 7 十“电缆替代”的技术提出来的。例如，如 果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型f 乜脑中，就可以去掉移动电话与膝上型电 脑之间的令人讨厌的连接电缆而而通过无线使其建立通信。打印机、p d a 、桌上 型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系 统的一部分。发展到今天，蓝牙已经演化成了一种个人信息网络的技术。它将内 嵌蓝牙芯片的设备互联起来，提供话音和数据的接入服务，实现信息的自动交换 和处理。蓝牙工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( n j i 业、科学、医学) 频段。蓝牙的 数据速率为1 m b s 。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。与其它工作在相 同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。 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) 的使用抑制了长距离链路的随机噪 音。应用了二进制调频( f m ) 技术的跳频收发器被用来抑制干扰和防止衰落。 蓝牙技术的发展极大地推动了p a n 技术的发展，i e e e 专门成立了i e e e 8 0 2 1 5 小组负责研究基于蓝牙的p a n 技术。蓝牙系统和p a n 的概念相辅相成，事实上， 蓝牙系统已经是p a n 的一个雏形。p a n 即个人区域网( p e r s o n a la r e a n e t w o r k ) ， p a n 的核心思想是，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，p a n 是 一个局域网，从电信网络的角度来看，p a n 是一个接入网，因此有人把p a n 称 为电信网络“最后一米”的解决方案。 1 3 课题背景及方案设计 我们实验室一直承担邮件分拣系统的研究工作。邮件分拣对邮局来说是一件 工作量很大的二 ：作，尤其在中心局，邮件分拣的工作量非常繁重，而且对邮件的 北京邮电大学硕i j 研究生论文第一章绪论 处理要求及时快速。因为稍有迟延，大量的邮件就可能堆积如山，给以后的处理 工作带来更大的困难。这就对邮件分拣系统的自动化程度、可移植性、可操作性 提出了更高的要求。当前，在邮件分拣系统中，机器之间的信息交互基本上还是 靠有线传输，尤其是现场的手持设备多，在现场就存在着大量的电缆，给现场操 作带来很大不便，而且极大限制了设备的使用范围和灵活布局。这样，利用当前 的蓝牙无线通信技术来代替这种有线电缆，对于邮件分拣系统就有着很大的意 义。 在本课题中，我对蓝牙协议栈做了研究和解析，对蓝牙技术的来源及发展趋 势做了探讨，并利用面向对象技术，设计和丌发出一个蓝牙应用系统。其方案设 计如下： 采用蓝牙芯片，利用蓝牙核心协议，研究它的协议结构和应用模型，设计一 个蓝牙应用的解决方案。通过对系统的分析、建模、设计、编码，在w i n d o w s9 8 系统下，实现一个蓝牙应用平台。 蓝牙应用平台预计实现的功能有： 口启动蓝牙协议； 口服务发现功能； 口搜索“邻居”； 口建立r f c o m m 信道： 口建立a c l 连接； 口 在a c l 连接的基础上实现无线通信。 采用的工具为r a t i o n a lr o s e ，v i s u a lc + + 6 0 。采用的硬件平台是嵌有爱立信 蓝牙芯片的d d p3 3 0 3 。 北京邮电大学硕l 研究生论文第二章蓝牙技术概述1 0 第二章蓝牙技术概述 2 1 蓝牙技术的特点 蓝牙是。种新的无线通信协定。蓝牙技术是一种在区域性环境内提供便携式 产品以无线通信方式相互连接的系统，目前已为许多电脑制造商及通信器材厂商 所支持。蓝牙是一种短距的，点对多点的声音和数据传送的无线连接技术。为了 能达到在全球均能运作的目标，系统所需之频带必须是全球各地均能很容易取得 的频带，且此频带必须是未受法规限定频带及公开给无线电使用的，唯一符合此 项要求的便是2 4 5 g h z一称为工业、科学、医疗( i s m ) 的频带。 蓝牙1 0 规范已公布的主要技术指标和系统参数如表2 1 所示。 工作频段 2 4 0 22 4 8 0 g h z 双工方式全双工，t d d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据速率1 m b s 非同步信道速率非对称连接7 2 1 k b s 、5 7 6 k b s ，对称连接：4 3 2 6 k b s 同步信道速率 6 4 k b s 功率 美国要求小于0 d b m ( 1 m w ) ，其他国家可扩展为1 0 0 m w 调频频率数7 9 个频点m h z 调频速率1 6 0 0 次秒 工作模式 p a r k h o l d s h j f f 数据连接方式面向连接业务s c o ，无连接业务a c l 纠错方式1 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 、4 0 、6 0 位加密字符 语音编码方式连续可变斜率凋制c v s d 发射距离一般可达1 0 m ，增加功率情况下可达1 0 0 m 表2 1 蓝牙的主要技术指标和系统参数 北京邮电大学硕七研究生论文第二章蓝牙技术概述 2 2 蓝牙的网络结构 蓝牙网络的基本单元是微微网，它可以同时最多支持8 个处于激活状态的f 【l 子设备，其中一个设备为主设备，其它设备为从设备。一组相互独立、以特定的 方式连接在一起的微微网构成分散网络，各微微网通过使用不同的调频序列来区 分。如果同一区域中有多个微微网共存，一个蓝牙设备可以利用分时复用工作在 多介网络中，它可以在多个网络中做为从设备( 如图2 - l 所示) ，甚至可以在一 个网络中作为主设备，同时在其它网络申作为从设备( 如图2 - 2 所示) 。 从敬需2 图2 1 - ，虿、一瓦、 、。趴 一譬广嚣如 2 3 射频及基带特性 从设备2 图2 2 从设备3 随着多媒体通信的发展，人们对无线和移动通信的要求也越来越高，人们越 北京邮电大学硕士研究生论文第二二章蓝牙技术概述 1 2 来越认识到2 g h z 以下的频率资源的局限性。美园联邦通信委员会( f c c ) 于1 9 9 2 年6 月分配了i s m 的开放频段频率( 9 0 2 9 2 8 m h z ，2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z ，5 7 2 5 5 8 5 0 m h z ) ，并宣布这些频段使用扩频技术、发射功率小于1 w 的无线设备不需 要申请频率资源的许可证，同时对所使用的跳频扩频和直接序列扩频方法及其指 标作了原则规定。 蓝牙技术是便携式电子设备和固定试电子设备之间代替电缆连接的短距离 无线通信的标准，它的主要特点是工作稳定、设备简单、功率低、价格便宜。l i i 于它通信距离短，发射功率小，几乎对人体无危害。此外，它强调的是全球性的 统一操作，因此它将频率定在2 4 g h z 的全世界共同丌放的i s m 频段上，符号速 率为1 m b i t s ，每个时隙宽度为6 2 5us ，采用时分双工方式( t d d ) ，g f s k 调制方 式。蓝牙支持一个异步数据信道、三个并发的同煽话音信道或一个同时传送异步 数据和同步话音的信道。每一个话音信道支持6 4 k b s 的同步语音，语音编码采 用对数p c m 或c v s d ；异步信道支持的最大速率为7 2 1 k b s 、反向应答信道是速率 为5 7 6 k b s 的非对称连接，或4 3 2 k b s 的对称连接。系统采用调频技术抗信号 衰落，使用快调频和短分组技术减少同频干扰来保证传输的可靠性，采用i i i 向纠 错( f c c ) 技术来减少远距离传输时的随机噪声影响。蓝牙设备可以工作在多种 状态和模式：等待状态( s t a n d b ys t a t e ) 和连接状态( c o n e c t i o ns t a t e ) 。在连 接状态中，按功耗由高到低分为激活模式( a c t i v em o d e ) 、监听模式( s n i f f m o d e ) 、 保持模式( h o l dm o d e ) 和休眠模式( p a r km o d e ) 。蓝牙技术支持多种类型的业务， 包括声音和数据，为设备提供联网和数据传输的可能，它将使来自各个设备制造 商的设备能以同一“语言”进行交流，这种“语言”可以认为是一种虚拟的电缆。 蓝牙一般传输距离是1 0 c m 到1 0 m ，如果提高功率，可以扩大到1 0 0 m 。 2 4 协议结构 s i g 开发的蓝牙规范1 0 ，允许开发人员开发基于具有可互操作的无线模块 和数据通信协议的交互式服务和应用。蓝牙协议规范的目标是允许遵循规范的应 用能够进行相互问操作。为了实现互操作，在远程设备上的对应应用程序必须以 同一协议栈运行。下述协议列表( 图2 3 ) 就是一个支持也许卡片交换应用的1 办 议栈实例：v c a r d 一0 b e x r f c o m m l 2 c a p 一基带。该协议栈包括一个内 北京邮i u 人学硕i ：f i l | _ 究生论文第二章蓝牙技术概述3 部对象表示规则、v c a r d 、无线传输协议和其他部分。不同应用可以运行于不同 协议栈，但是，每一协议栈都使用同一公共蓝牙数据链路和物理层。下图就是互 操作应用支持的蓝牙应用模型之上的完整蓝牙协议栈。 巨 墨 o b e x w a pa t 指令t c s 二进制s d p u d pt c p ，i p p p p f 语音i r f c o m m l 2 c a p h c l l m p 基带 监牙无线电信道 图2 3 蓝牙体系咖议 并不是所有应用程序都利用全部协议。相反，应用程序往往只利用协议栈中 的某些部分。并且，协议栈中的某些附加垂直协议子集恰恰是用于支持主要应用 的服务，比如t c s ( 语音控制规范) 或s d p ( 服务搜索协议) 等。实际一卜，上 述示意图描述的是当需要无线传输数据有效载荷时，利用其他协议服务过程中的 1 办议间关系。这些| 办议应具有其他协议之划的关联。例如，一些协议( 如l 2 c a p ) 北京邮i u 大学硕卜研究生论文第二章蔬牙技术概述1 4 当需要控制链路管理器时，可以使用l m p ( 链路管理器协议) 。 整个蓝牙协议栈包括蓝牙指定协议( l m p 和l 2 c a p ) 和非蓝牙指定协议( 如 对象交换协议o b e x 和用户数据报协议u d p ) 。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，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各利，应用 之间的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术规范的丌发 性保证了设备制造商可自由地选用其专利协议或常用的公共协议，在蓝牙技术规 范基础上丌发新的应用。 1 蓝牙体系结构中的协议 蓝牙体系结构中的沸议可分为四层： 核心协议：基带、l m p 、l 2 c a p 、s d p ； 电缆替代协议：r f c o m m ； 电话传送控制协议：t c s 二进制、a t 命令集： 可选协议：p p p 、u d p t c p i p 、o b e x 、w a p 、v c a r d 、v e a l 、i r m c 、 w a e 。 蓝牙核心协议由s i g 制定的蓝牙指定协议组成，绝大部分蓝牙设备都需 要核心协议( 加上无线部分) ，而其他协议根据应用的需要而定。 2 蓝牙核一c 1 协议 a 基带协议 基带和链路控制器确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成物理 连接。蓝牙的射频系统是一个跳频系统，其任一分组在指定时隙、指定频率 上发送，它使用查询和寻呼进程来使不同设备问的发送频率和时钟同步。基 带数据分组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送。a c l 适用于数据分组，s c o 适用 于语音及数据语音的组合，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 ) ，而且可进行加密。此外，不同数据类型( 包 括连接管理信息和控制信息) 都分配一个特殊通道。 可使用各种用户模式在蓝牙设备问传送语音，面向连接的语音分组只需 要经过基带传输，而不到达l 2 c a p 。语音模式在蓝牙系统内相对简单，只需 要丌语音连接，就可传送语音。 北京邮电大学坝卜 i j | _ 究生论文第二章蓝牙技术概述5 b 链路管理防议( l m p ) 链路管理协议负责蓝牙各设备问连接的建立和设置。它通过连接的发 起、交换、核实，进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组大小； 它还控制无线设备的节能模式和工作周期，以及微微网内设备单元的连接状 态。 c 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议，可以认为它与l m p 并行 工作。它们的区别在于当业务数据不经过l m p 时，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和无连接的数据服务时候，采用了多路复月j 技 术、分段和重组技术以及组概念。允许高层协议以6 4 k 字节收发数据分组。 虽然基带协议提供了s c o 和a c l 两利，连接类型，但l 2 c a p 只支持a c l 。 d 服务搜索协议( s d p ) 服务在蓝牙技术框架中起到至关重要的作用，它是所有用户模式的基 础。使用s d p ，可以查询设备信息和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应 的连接。 3 电缆替代协议 r f c o m m 是基于e t s l0 7 1 0 规范的串行仿真协议。它在蓝牙基带协议 上仿真r s 2 3 2 控制和数据信号，为使用串行线传送机制的上层协议( 如 o b e x ) 提供服务。 4 电话控制协议( t c s ) t c s 是面向比特的协议。它定义了蓝牙设备问建立语音和数据呼叫的控 制信令，定义了处理蓝牙t c s 设备群的移动管理进程。 5 选用协议 a 点对点协议( p p p ) 在蓝牙技术中，p p p 位于r f c o m m 上层，完成点对点的连接。 b u d p i p t c p u d p i p 厂r c p 协议是由i n t e r n e t 工作任务组( i e t f ) 制定，广泛应用于 互联网通信，在蓝牙设备中使用这些协议是为了与互联网相连接的设备进行 通信。 北京i n t 0 , 人学坝i ：l i f 究生论义第二章虢牙技术概述 1 6 c 对象交换协议( o b e x ) i r o b e x ( 简写为o b e x ) 是由红外数据协会( i r d a ) 制定的会话层协 议，它采用简单的和自发的方式交换对象。o b e x 是一种类似于h t t p 的协 议，这里假设传输层是可靠的，采用客户机服务器模式，独立于传输机制和 传输应用程序接口( a p i ) 。 d 电子名片交换格式( v c a r d ) 、电子日历及日程交换格式( v c a l ) 都是 开放性规范，它们都没有定义传输机制，而只是定义了数据传输模式。 e 无线应用协议( w a p ) 无线应用协议由无线应用协议论坛制定，它融合了各种广域无线网络技 术，其1 7 1 的是将互联网内容和电话债券的业务传送到数字蜂窝电话和其他无 线终端上。选用w a p 可以充分利用无线应用环境开发的高层应用软件。 2 5 数据分组及其类型 匹克网信道中的数据都将被分组打包， 编码序列必须遵循的规则。 ( 1 ) 标准分组格式 匹克网信道中的数据以分组形式传输， 由三个部分组成：识别码、头和有效载荷， 在基带里定义分组和消息时，制定了 各数据段在基带内部生成，每一分组 标准格式如下图所示。 识别码和头是一个固定值，分别用珊3 b 和k l j 3 b 表示。有效载荷长度范围 为0 m i l k j 3 b 。分组具有j l l , b 不同的类型格式，如分组可由识别码组成( 压缩 格式) ，也可以用识别码和头组成，或识别码、头和有效载荷分组组成。 ( 2 ) 识别码 每个分组都是从识别码开始的，若头信息紧随其后，则识别码长度为7 2 b i t s ， 否则识别码长度为6 8 b i t s 。识别码主要用 二同步、+ + 补偿平衡和识别。识别码u 别所有在匹克网信道上交换的分组。在同一匹克网中发送的所有分组都先于刖 信道识别码。在蓝牙单元接收机中，当超过门限电平时被激发，该激发信号被刷 北京邮电大学硕：i ：研究生论文第二章蓝牙技术概述 1 7 于确定接收定时。识别码也可用于呼出和查询过程。在这种情况下，识别码自身 就被当做一个信令消息，而不必给出头和有效载荷。识别码出头、同步字组成， 有时也包括尾，如下图所示。 共有三种不同类型的识别码： 信道识别码( c a c ) ； 设备识别码( d a c ) ； 查询识别码( i a c ) 。 各识别码类型用于处于不同操作模式的蓝牙单元中。信道识别码标识一个 匹克网，代码包含在匹克网信道上所有交换的分组中。设备识别码用作一个指定 信令过程，如呼出或呼出应答过程。对于查询识别码，存在两个变量：一个称为 通用查询识别码( g i a c ) ，为所有设备通用，可用来检测在指定范围内有否其他 蓝牙单元；另一个称为专用查询识别码( d i a c ) ，该查询议别码为在蓝牙系统中 具有公共属性的专用设备组使用，可以用于发现在指定范围中符合条件的专用蓝 牙单元。 ( 3 ) 分组类型 分组类型与使用的物理链接方式有关，主要是s c o 和a c l 两种链接方式。 每种链接方式都有1 2 种不同类型的分组能被使用，另有四种控制分组为所有链 接模式公用，他们的类型码是唯一的且与用什么链接类型方式无关。分组类型用 四位类型码的不同组合来表示，并将分组类分成四个段。第一段为四个控制分组 公用所有物理链接类；第二段为占有单时隙的分组，有六利分组类型；第三段为 占有三时隙的分组，有两种分组类型；第四段为占有五时隙的分组，有两种分组 类型。 ( 4 ) 有效载荷格式 在有效载荷里，有两个数据段应作区分：( 同步) 话音段和( 异步) 数据段。 a c l 分组只有数据段，s c o 分组只有话音段，而d v 分组则兼有两种数据段。 话音段是一个定长的数据段。对于h v 分组，话音段长度是2 4 0 b i t s ；对于d v 分 ：| 匕京邮电大学i | ! ；i 卜研究生论文第二章蓝牙技术概述8 组，话音段长度是8 0 b i t s 。不需带有效载荷头。 数据段由三个部分组成：有效载荷头、有效载荷主体和c r c 码 2 6 蓝牙应用模式 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 来发现其它蓝牙设备，从而构成微微网，实现资源共享及系统提供的各种功能。 目前，蓝牙标准中提供了如下几种应用模型：基本接入模型、服务发现应用模型、 无绳电话应用模型、对讲系统应用模型、通用对象交换应用模型、串口应用模型、 耳机应用模型、拨号网络应用模型、传真应用模型、局域网接入应用模型、对象 推入应用模型、文件传送应用模型、同步应用模型等等。由此可见，蓝牙可使蜂 窝电话系统、无绳电话系统、无线局域网和因特网等现有网络增添新功能，使各 类计算机、传真机、打印机乃至各种室内电子、信息和电器设备增添了无线传输 和组网的功能，应用空问极为广阔。调频、时分双工以及时分多址和码分多址的 混合多址方式等技术的应用，使得蓝牙的射频电路较为简单，通信协议的大部分 内容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。 下面简单介绍几种应用模型； 1 文件传输应用模型 文件传输应用模型提供两个终端之间的数据通信功能，可以传 输x l s 、p p t 、w a v 、j p g 和d o e 文件及其它文件，以及完整的文件夹和目录或多 媒体数据流等并提供远程文件夹浏览功能。文件传输协议栈如图2 - 4 所示。 图2 - 4 文件传输协议栈 北京邮电火学硕：i ：研究生论文第二章蓝牙技术概述 1 9 2 局域网访问模型 在此用户模型下，多功能数据终端( d t ) 经局域网访问点( l a p ) 无线接入 局域网，接入后d t 的操作与通过拨号方式接入局域网设备的操作一样，其协议 栈如图2 5 所示。 局域网访问应刚 i p 等l p p ps d p r f c o m m l 2 c a p 图2 5 局域网访问模型 3 三合一电话模型 手持电话机有三种使用方法：接入公用电话网，作为普通电话使用；作为不 计费的内部电话使用；作为蜂窝移动电话使用。无线电话和内部电话使用相同的 协议栈，语音数据直接与基带协议连接，不经过l 2 c a p 层，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 三合一电话模型 北京1 | | j 电大学硕i ：研究生论文第二章蓝牙技术概述 2 0 4 同步模型 同步用户模型提供设锯到设备的个人资料管理( p i m ) 的同步更新功能，c 典型应用如电话簿、日历、通知和记录等等，它要求电脑、蜂窝电话和个人数字 助理( p d a ) 在传输和处理名片、日历和任务通知时，使用通用的协议和格式。 协议栈如图2 7 所示，其中同步应用代表红外移动通信客户机或服务器。 同步应用 i r m c o b e xs d p r f c o m m l 2 c a p 图2 7 同步模型 北京邮电大学1 0 l ji ：研究生论文第三章蓝牙核心协议 2 第三章蓝牙核心协议 3 1 基带和链路控制器 3 1 i 微微网 一个蓝牙网络由一个主设备( m a s t e r ) 和一个或多个从属设备( s l a v e ) 组成， 它们都与这设备的时间和跳频模式同步( 以主设备的时钟和蓝牙设备的地址为 准) 。每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 空问中，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 以1 6 0 0 跳，秒的标称速率从速率集中伪随机地抽取，微微网的成员以同步的方式 跟踪跳频序列的连续跳变。微微网根掘需要创建，只要成员设备需要通信就一直 存在。一个蓝牙设备可以与一个或多个其他蓝牙设备通过不同方式进行交互。最 简单的情形是只有两个设备时，称为点到点通信。当有多个辅设备时，通信拓扑 即为点到多点结构。蓝牙支持点对点和一点对多点的通信。一个设备作为主设备， 另一个设备作为从设备。事实上，微微网是任何带一个主设备和一个或多个从设 备的蓝牙网络。蓝牙最基本的网络组成是微微网。当主设备单元为一个，从设备 单元也是一个的时候，这种操作方式是单从方式；当主设备单元是一个，从设 备单元是多个的时候，这种操作方式是多从方式。在这种情况下，微微网中的 所有设备共享信道( 及带宽) 。一个微微网可以有七个激活的从设备。例如，办 公室的p c 可以是_ 个主设备单元，而无线键盘、无线鼠标和无线打印机可以充 当从设备单元的角色。 微微网实际上是一种个人区域网。这是一种以个人区域( 即办公室区域和家 庭区域) 为应用环境的网络建构。这早需要指出的是，微微网并不能够代替局域 网，它只是用来代替或简化个人区域的电缆连接。微微网由主设备单元和从设备 单元两种设备单元构成。主设备单元负责提供时钟同步信号和调频序列。而从设 备单元一般是受控同步的设备单元，并接受主设备单元的控制。在同一微微网中， 所有设备单元均采用同一跳频序列。每个从设备单元的起始频率和占用信道由主 设备单元控制。 北京邮电大学颂一i ：研究生论文 第三章蓝牙核心悱议2 2 3 1 2 蓝牙设备地址 蓝牙设备地址( b da d d r ) 是一个蓝牙设备最稳定的实体。b da d d r 是 一个4 8 b i t