（微电子学与固体电子学专业论文）蓝牙通信系统gsm终端及图形界面设计.pdf

摘要 摘要 无线个域网是信息化社会的必然发展方向，它为未来个人通信系统打造了关 键的最后“十米 。在众多的无线个域网技术中，最受人们关注的当数蓝牙技术。 蓝牙技术迎合了未来个人通信全方位移动的需求，其良好的性能特性为蓝牙的应 用推广打下了基础。因此，研究基于蓝牙的无线个域网的应用，具有极强的现实 意义。 本课题来源于国家重大创新项目“基于蓝牙的无线通信系统的研究”，其主要 任务是研制基于蓝牙技术的无线个域网系统，实现文件、语音、视频等数据的无 线传输，以及g s m 和g p s 定位等功能。 作者着重研究了蓝牙通信系统p c 终端的g s m 子系统设计，研制开发了蓝牙 g s m 无线终端。实现了p c 终端通过蓝牙链路传输a t 指令，从而无线操控g s m 模块工作，完成语音通话和收发中文短信等功能。利用基于g p r s 的a t 指令， 还实现了上网收发电子邮件的功能。 此外，利用l i n u x 下q t 开发工具，重新设计了整个蓝牙通信系统的图形用户 界面程序，增加了文本编辑等功能，提高了对中文的支持能力，增强了系统的可 操作性和可靠性。 关键字：g s m 图形界面蓝牙无线个域网 a b s t r a c t a b s t r a c t w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) i st h eo u m o m eo fn o w a d a y si n f o r m a t i o n s o c i e t y i tm a k e st h ep i v o t a ll a s t t e nm e t e r s f o rf u t u r ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e r ea l em a n yw p a nt e c h n o l o g i e s ，a n da m o n gt h e mb l u e t o o t ht e c h n o l o g y w i n st h em a x i m u ma t t e n t i o n b l u e t o o t ht e c h n o l o g yc a t e r sf o rt h ea l l o r i e n t a t i o n m o v i n gn e e do ff u t u r ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n i t sw o n d e r f u lp e r f o r m a n c eg r o u n d s w e l lf o rt h ep o p u l a r i z a t i o no fb l u e t o o t h t h e r e f o r e ，i tw i l lh a v et h eg a l a c t i cr e a l i s m s e n s et oi n v e s t i g a t et h ea p p l i c a t i o no fw p a n ，e s p e c i a l l yt h ew p a nb a s e do n b l u e t o o t ht e c h n o l o g y t h ec o n t e n to ft h et h e s i s b e l o n g st o t h en a t i o n a l i m p o r t a n ti n n o v a t o r y p r o j e c t - - r e s e a r c ho fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g y ”t h e m a i nt a s ko ft h i st h e s i si st od e v e l o pp e r s o n a la r e an e t w o r k ( p a n ) s y s t e mb a s e do n t h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g y ，w h i c hc a nt r a n s m i tf i l e s ，a u t oa n dr e a l t i m ev i d e o ；i ta l s o h a st h ef u n c t i o no fg s mp h o n ea n dg p sr e c e i v e r t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h ea u t h o ri st h ea p p l i c a t i o no fb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi n g s m s y s t e m ，a n dd e v e l o p e dab l u e t o o t hg s m t e r m i n a l i nt h i ss y s t e m ，a tc o m m a n d s a l es e n tw i t hb l u e t o o t hc h a n n e lf r o mp ct og s mt e r m i n a l ，s ot h ep ct e r m i n a lc a n c o n t r o lt h eg s mm o d u l et ow o r k ，s u c ha ss e n do rr e c e i v es h o r tm e s s a g ea n dv o i c e c o m m u n i c a t i o n w i t hg p r sa tc o m m a n d s ，i tc a ns e n do rr e c e i v ee m a i l sf r o m i n t e r n e t b e s i d e s ，b yd e s i g n i n gg r a p h i c a li n t e r f a c e so ft h ew h o l es y s t e mw i t hq ti nl i n u x ， i n c r e a s i n gt h ef u n c t i o no ft e x te d i t ，s u p p o r to fc h i n e s ec h a r a c t e r si si m p r o v e d ，a n d o p e r a t i o na n dr e l i a b i l i t yi se n h a n c e d k e y w o r d s ：g s m g u ib l u e t o o t hw p a n 独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：日期：型垒! ! 型 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着通信和计算机技术的不断发展，产生了越来越多的通信设备和电子消费 产品。手机、p d a 、数码相机、笔记本电脑以及信息家电等层出不穷，丰富了人 们的生活，同时也对无线通信和网络技术提出了更高的要求。目前兴起的无线个 域网( w p 删，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 技术正是为了实现个人信息终端 的智能化互联，组建个人化的信息网络，使得任何时间、任何地方和任何人实现 信息交流。无线个域网有其不同于其它网络的要求，首先必须能够实现无线的连 接，另外对于个人设备都处于移动的情况下，需要有灵活的组网方式。同时对于 个人电子设备，低功耗和低辐射以减小对人体的影响等方面都是需要考虑的凶素。 而蓝牙正是这样一种革命性的无线解决方案，它适用于短距离通信，它无需电缆， 可临时组网，能够建立“a d h o c 连接，无需网络基础设施，可以任意方式动态 链接，所有节点都可以自由的移动，实现任何人、任何时间、任何地点、任何设 备的无线连接。而且体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强，非常适合组建无 线个域网。 本文以笔记本电脑作为个人信息终端，以蓝牙技术构建个域网通信系统，通 过无线互连间接控制g s m 模块工作。这种信息终端无线控制多个蓝牙设备工作 的应用场合在未来的信息家电、无线办公环境等众多领域将会得到普遍的应用， 因此本文的研究具有很强的现实意义。 1 2 1 蓝牙技术简介 1 2 蓝牙和移动通信网络 蓝牙作为一种低功耗、短距离无线通信技术，是实现语音和数据无线传输的 全球开放性标准，其工作在无需申请执照的2 4 g h zi s m 频段。为了与频段内其 它设备共享这一珍贵的无线资源，蓝牙采用了跳频扩频技术，将8 3 5 m h z 的带宽 分为频段间隔为1 m h z 的7 9 个频点，以1 6 0 0 跳秒的速率在这些频点上跳频工 作，同时采用短分组传输技术减少同频干扰。蓝牙1 2 规范之后，引入了自适应 跳频技术，自动避开干扰严重的频段，进一步提高了系统抗干扰能力。 随着蓝牙2 0 协议【1 1 的推出，其不仅使系统的抗干扰能力有了显著改善，而 2 蓝牙通信系统g s m 终端及图形界面设计 且由于采用增强型数据速率功能，蓝牙数据传输速率为以前的3 倍，提升了数据 吞吐量，更适用于数据实时传输场合。 1 2 2 移动通信网络 移动通信是2 0 世纪9 0 年代以来电信领域最重要的革命之一。【2 1 到目前为止， 无线通信的发展历程大致经历了三代。【3 】第一代移动通信网络是模拟系统，采用 频分多址技术，系统容量低，通信质量差。【4 】第二代数字蜂窝移动通信系统有基 于时分多址的g s m 系统和基于码分多址的c d m a 系统。主要特点有移动性管理、运 作过程和信息安全，目前正广泛应用于通信市场。第三代通信系统( 3 g ) 是近年 来形成的，其主流技术有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、c d m at d d ( 包括t d _ s c d m a 和t d - c d m a ) 。 3 g 技术能够提供高速的数据传输和多媒体业务，以满足个人通信日益增长的需 要。【5 】但是由于各方面原因，3 g 技术在国内还没有完全广泛运用。在2 g 向3 g 的 过渡中，出现了2 5 g 移动通信网络，主要是通用分组无线业务( g p r s ，g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，它是基于g s m 网络上发展的，目前国内g s m g p r s 通信 网络占无线通信网络的7 0 ，它也是本文所讨论的重点。 1 3 课题背景及论文主要内容 本论文来源于国家重大创新项目“基于蓝牙的无线通信系统的研究 ，该通信 系统以笔记本电脑为硬件平台，通过蓝牙技术实现文件、语音、视频等数据的无 线传输，以及g s m 和g p s 定位等功能。作者主要完成其中两个方面的任务：一 是蓝牙g s m 子系统设计，包括g s m 无线终端的硬件结构设计和应用软件的开发； 二是在l i n u x 操作系统环境下用q t 开发整个蓝牙通信系统的图形用户界面程序。 论文内容主要分为五章，从第二章开始为： 第二章，介绍了蓝牙无线通信系统的软硬件架构，并简要介绍了系统中的各 主要功能模块，指出了作者在整个系统中主要负责的部分。 第三章，首先介绍了蓝牙规范的相关协议和g s m 网络的基本原理。设计了 蓝牙g s m 终端的硬件结构，并用c 语言完成了应用软件的编写，文中详细的阐 述了字符的u n i c o d e 编解码以及中文短信的编解码实现过程。此外，利用基于 g p r s 的a t 指令还实现了上网收发电子邮件的功能。 第四章，利用l i n u x 下的q t 语言设计了新版的p c 终端图形用户界面程序， 并详尽阐述了其中一些技术要点的实现方法。最后，展示了蓝牙通信系统的界面 设计结果和各部分的具体功能。 第五章，对本文的工作进行了总结，并说明了还未完成的工作，以待下一步 的完善和改进。 第二章蓝牙无线通信系统介绍 第二章蓝牙无线通信系统介绍 蓝牙无线通信系统p c 终端是一个基于笔记本电脑和蓝牙技术的多功能无线 通信系统，具有本地文件浏览、文本编辑、图片编辑、g s m 手机、g p s 全球定位 和多模式实时视频传输、语音、文件传输等功能，并带有一个图形用户操作界面。 本章着重讲述蓝牙无线通信系统的软硬件构成，并简要介绍系统中各主要功能模 块。 2 1 1 硬件系统 2 1 系统结构 图2 1 是蓝牙无线通信系统的硬件描述图，可见整个系统由四个独立部分组 成：主系统、摄像头、g p s 接收机和g s m 模块，每部分都带有蓝牙模块，通过 蓝牙技术实现无线通信。图中虚线框内部分是作者主要完成的工作内容之一。 三p p c 终端 爿三 图2 1 蓝牙无线通信系统硬件结构描述图 主系统由笔记本电脑和两个蓝牙模块b t l 、b t 2 组成，两个蓝牙模块分 别与笔记本电脑的两个u s b 接口相连。 b t l 负责外网通信，即与其它通信系统间的文件传输、语音通话以及 g p s 信息的传递。这部分功能通常传递的信息量不是很大，但是要求网络覆 盖范围较大。市面上见到的蓝牙设备最远传输距离仅为1 0 0 米，而本系统通 过在蓝牙模块上增加功率放大电路，使得最远传输距离可达1 0 0 0 米以上， 并且具有较好的传输速率。 b t 2 负责内网通信，即主系统与周边蓝牙设备的通信，如蓝牙g s m 模块、蓝 4 蓝牙通信系统g s m 终端及图形界面设计 牙g p s 接收机以及蓝牙摄像头。内网通信中，b t 2 和各蓝牙设备的距离都较短， 蓝牙的传输速率通常可以达到1 5 m b p s 以上，足够满足视频传输的需求。 2 1 2 软件系统 蓝牙无线通信系统软件是一个很大的体系，包括主控程序、视频数据采集程 序、g p s 端程序和g s m 端程序。 主控程序运行于主系统上，是整个软件系统的核心部分，负责协调各周边设 备的工作，完成文件传输、语音通信、本地文件浏览、文本编辑、图片编辑、处 理摄像头端、g p s 端和g s m 端发送过来的数据及人机交互等功能；视频数据采 集程序运行于摄像头上，负责采集视频数据，压缩编码后实时地传递给主系统； g p s 端程序负责完成全球定位功能，将从卫星上获得的定位信息传递给主系统； g s m 端程序负责与移动基站进行通信，将接收的字符串信息传递给主系统，或是 将主系统传递来的字符串发送出去。主控程序的结构如图2 2 所示，其中虚线框 内是作者的主要工作内容之一。 图2 2 主控程序结构 由图2 2 可知，主控程序又分为内网程序、外网程序和图形界面程序，它们 之间的关系既相互独立又密不可分，所谓“独立 是指每个程序都是单独编译生 成一个可执行文件，各自完成一定的任务，而“密不可分是指三个程序频繁通 信、协调运作，并且外网程序、图形界面程序以子进程的方式被内网程序调用。 内网程序负责接收和处理来自系统内部各蓝牙设备的数据，并将处理结果通 过消息队列和文件的方式传给图形界面程序，进而反映给用户；外网程序负责同 其它蓝牙系统的文件传输和语音通信，程序运行结果也通过消息队列或文件的形 式传递给图形界面程序，进而显示在终端界面上；图形界面程序首先要完成界面 的布局，要求美观并且易于操作，图形界面程序读取用户的操作信息，并将这些 信息以消息队列的形式传递给内网程序或是外网程序，并且还要定时读取内网程 第二章蓝牙无线通信系统介绍 5 序或外网程序的返回结果，并将其显示在终端界面上，最终完成用户的需求。整 个主控程序的执行流程如图2 3 所示。 广一一1 内网程序 初始化( 1 i t ，d 叩s i g n a l 等： 外同程序图形界面程疗 启动图形界面程序h l 初始让盯： i l， i 程序启动 u 启动，南程序 艰息弘列1 。i 界面操作 读取消息队列 仁 对一黻嚣銎强 j 对图形界面发送的命令进行解析 陋j 发送命令 土 土土土l兰土土土上土 兰 渭息队列 gg 断 g s g 断文断 摄 断 g p 开 s m s 语 佶 开 件文 开 像 授 开 p s g m 数 m 音输语佶件文 头 频 甥 s 数 p 连 据 断 连语音辕干专件 连 传像 连 据 s 接 接 开 接音连 连 辕 住 接 辁头 拄 接 连 收 接接赣 连 tt 1 r 、。飞飞 接 收 接 及 及 处处 理 理 r1 r1 r1r 士 运行结果 队列卧硎，寸楫 结粜呈现给用户4 i 3 主控程序流程图 2 系统主要功能模块介绍 2 1 外网文件传输和语音传输 蓝牙文件传输功能，以往的研究大都集中在o b e x 协议基础上的f t p 【6 】。但是由于基于o b e x 协议的f t p 应用框架搭建在g o e p 应用框架之上， o e p 应用框架又是基于s p p 应用框架之上的。因此，涉及协议栈的内容较多， 开销较大。为了有效提高文件的传输速率，减小系统的开销，本系统直接采 于s p p 层应用框架的文件传输，大大提高了传输速率。 中使用两个蓝牙设备形成对等网络，通过s p p 层应用框架实现文件传输 音通信的功能。图2 4 显示了两个蓝牙设备通过s p p 层应用框架进行链路建 过程，从中也可以很清楚的看到s p p 层应用框架在蓝牙协议栈中的具体位置。 设备a 、b 通过s d p 层的寻呼、扫描，最终建立a c l 链接，这时设备a 和 会为该链路分配一个v p o r t 号( v p o r t 号是蓝牙发送和接收端链路的标识符) ， 端通过该v p o r t 号准确将数据发送至设备b ，当设备b 接收到数据包后，会 6 蓝牙通信系统g s m 终端及图形界面设计 由基带层向上层发送事件( e v e n t ) ，上层则通过该事件的触发来判断是否有数据 进入，从而进行接收任务，完成数据的发送和接收。 2 2 2 蓝牙g p s 定位 图2 4s p p 层应用框架在协议栈中的位置 g p s 全球定位系统是以人造卫星组网为基础的无线电导航定位系统。【7 l 共 2 1 颗卫星和3 颗备用卫星，分布在环地球的六个轨道上。g p s 系统由三部分组成， 即空间的卫星、地面控制系统( 设在美国本土) 、用户的接收处理装置( 我们实 际所用的g p s 接收设备) 。g p s 应用系统主要是利用设置在地面或运动载体上的 专用接收装置，接收定位卫星发射的无线电信号实现导航定位。天空的定位卫星 上还安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波调制上有表示卫星 位置的广播星历，用于测距的c a 码和p 码，以及其它系统信息，具有能在海、 陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。g p s 定位系统卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到三到四颗以上 的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。g p s 定位系统卫星能在全球范 围内，免费向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、 三维定位和授时，提供了在时间上连续的全球导航能力。 本系统中的g p s 接收机是台湾丽台公司生产的b l u e t o o t hg p s 9 5 5 3 x ， 第二章蓝牙无线通信系统介绍 7 由于它自带蓝牙模块，可以与内网蓝牙模块建立连接，从而利用蓝牙无线信 道传输g p s 接收的定位信息。内网程序负责接收信息的解码处理，并将结 果传递给图形界面程序，图2 5 是g p s 定位信息的界面显示： r 毛位倍患巍亲基 ；5 连接撩作区 一 ； “一。to ；经度1 0 8 5 44 5 8 3 1 ； 纬度3 4 1 40 1 4 0 n 高度：4 3 4 5 0 ；，l 连接j j j 一。一一一j ? ! 二二二二l i 二：? ：= 速度c c 日期：0 7 1 0 4 1 1 t 耐同1 0 ：0 3 ：2 4 1 ：i 断开 ； i o 。：一二： 一j 一：一一一。；i _ i ? 一。 图2 5g p s 定位信息显示图 2 2 3 实时视频传输 p c 终端实时视频模块主要完成的功能是：摄像头将采集的图像转换为 视频信号，并将视频信号传递给专用视频编码芯片得到标准的m p e g 4 、 m j p e g 等格式的码流，然后将编码后的码流文件存储到摄像头的s d r a m 中，最后通过蓝牙模块发送到p c 主机。接收过程为发送的逆过程，通过p c 端的蓝牙模块接收码流数据，p c 主机部分再进行存储，解码等处理，最终 将解码后的图像显示在p c 终端的显示器上。 实时视频模块的工作模式分为三类：正常实时视频模式，内网速率测试 模式和p s n r 测试模式。 ( 1 ) 正常实时视频模式。正常实时视频模式根据图像大小又分为3 种 模式：快速模式( 图像大小3 5 2 x 2 8 8 ) 、普通模式( 图像大小4 9 6 x 3 8 4 ) 、 精细模式( 图像大小6 4 0 x 4 8 0 ) 。表2 1 列出了三种模式下的一些参数设置。 表2 1 正常实时视频模式参数设置 图像大小帧类型帧率设定比特率( k b p s ) 3 5 2 2 8 8 i p ( 帧周期为5 ) 3 05 1 2 4 9 6 3 8 4 i p ( 帧周期为5 ) 3 07 6 8 6 4 0 4 8 0m j p e g 2 5 1 2 ( 2 ) 内网速率测试模式。对于内网速率测试模式，p c 端只是接收摄像头发 送过来的数据，不进行处理，目的是观察蓝牙的传输速率，它能够真实反映蓝牙 传输信道的优劣。试验中，内网速率测试在没有外界较强的干扰时，基本可以达 到1 2 m b p s 以上的传输速率。 ( 3 ) p s n r 测试模式。p s n r 的测试原理r 对于某种特定的测试文件， 首先将其转换为码流文件烧写到摄像头中，通过摄像头发送到p c 终端，p c 端接 收到码流后进行解码，并重构y u v 文件，这时将重构后的y u v 文件与原始的 文件进行比较，运算，得到p s n r 的值，从而能够反映信道的质量。 蓝牙通信系统g s m 终端及图形界面设计 本系统实现的实时视频传输性能良好，两种m p e g 4 格式的视频传输延迟较 小，图像清晰流畅；m j p e g 格式的视频虽然传输延迟比较大，但是图像更加清晰。 因此在本系统中，拍照功能通常使用m j p e g 格式，而摄像功能通常使用m p e g 4 格式来实现。 2 2 4 蓝牙g s m 无线终端 蓝牙g s m 终端开发采用的是w a v e c o m 公司q 2 4 0 6 b 无线模块，由于其自身 并不具有蓝牙功能，这里通过对其增加蓝牙模块，使其能够与内网蓝牙模块进行 通信。从而实现p c 端无线操控g s m 模块工作，通过蓝牙信道传输a t 指令控制 模块与手机或同类终端互发短信息和语音通话。利用基于g p r s 的a t 指令还可 以实现上网收发电子邮件等功能。这部分是作者的一个主要工作内容，也是本文 重点阐述的内容之一，这部分的具体实现将在第三章集中论述。 2 3 小结 本章首先介绍了蓝牙无线通信系统的软硬件体系结构，然后简要的介绍了文 件传输、g p s 全球定位、实时视频传输以及g s m 通信等构成系统的主要功能模 块，并指出了作者在本系统中的主要工作内容：一是蓝牙g s m 无线终端设计； 二是蓝牙通信系统图形用户界面设计。 第三章蓝牙：g s m 无线终端设计 第三章蓝牙g s m 无线终端设计 蓝牙g s m 无线终端是基于法国w a v e c o m 公司的q 2 4 0 6 b 无线模块来设 计与实现的。本章在简要介绍蓝牙相关协议和g s m 网络的基础上，设计了 g s m 无线终端的硬件结构，在l i n u x 操作系统下用c 语言编写了g s m 系统 的应用软件，实现了与手机或同类终端的语音通话和中文短信息收发。利用 基于g p r s 的a t 指令还实现了上网收发电子邮件的功能。 3 1 技术背景 蓝牙g s m 无线终端设计需要两大技术背景的支持，即蓝牙和g s m 网络。率 节将简要介绍这两部分中与设计相关的协议和原理。 3 1 1 蓝牙协议规范 甲甲甲卑茹国网毕 t ij 暖币晒矿希西 ll ”口i l ( 砷t 1| 匹血甄壶由圃匦亟至画口i 1 0 蓝牙通信系统g s m 终端及图形界面设计 计相关的协议部分，更加详尽的协议规范可参见相关书籍。本系统中蓝牙 g s m 的数据传输和语音通信都是建立在蓝牙物理链路的基础上，串口发送 a t 指令建立在串口仿真r f c o m m 层协议的基础上，因此，下面简要介绍 这两部分的相关协议。 一、蓝牙物理链路 蓝牙物理链路属于蓝牙基带与链路控制器协议，通信设备之间物理层的数据 连接通道就是物理链路。蓝牙系统中有两种物理链路：异步无连接链路a c l ( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s s ) 和同步面向连接链路s c o ( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o no r i e n t e d ) 。a c l 链路是微微网主设备和所有从设备之间的同步或异步 数据分组交换链路，主要用于对时间要求不敏感的数据通信，如文件数据或控制 信令等。s c o 链路是一条微微网中由主设备维护的点对点、对称的同步数据交换 链路，主要用于对时间要求很高的数据通信，如语音等。它们有着各自的特点、 性能与收发规则。 1 a c l 链路 a c l 链路在主从设备之间以分组交换( p a c k e t m s w i t c h e d ) 方式传输数据， 即可以支持异步应用，也可以支持同步应用。一对主从设备只能建立一条a c l 链路。a c l 通信的可靠性可以由分组重传来保证。由于是分组交换，在没有数据 通信时，对应的a c l 链路就保持静默。 微微网中的主设备可以与每个与之相连的从设备都建立一条a c l 链路。双向 对称连接a c l 链路的传输率为4 3 3 9 k b p s ；双向非对称传输数据时，正向5 时隙 分组( d h 5 ) 链路可以达到最大传输率7 2 3 2 k b p s ，反向单时隙链路传输率为 5 7 6 k b p s 。 主设备在主一从a c l 时隙内发送的a c l 分组含有接收从设备的设备地址 ( ( 0 0 1 ) 一( 1 1 1 ) 之间的一个) ；在随后的从一主a c l 时隙内，从设备发送a c l 分组到主设备。如果从设备未能从接收到的主一从a c l 分组头解析从设备地址， 或者解析到的地址与自身不匹配，那么它就不能在紧跟的从一主a c l 时隙发送 a c l 分组。a c l 链路允许广播发送数据，此时主一从a c l 分组头的从设备地址 被设置为( 0 0 0 ) ，微微网中每一个接收到的从设备都可以接收并读取，但不做响 应。 2 s c o 链路 s c o 链路在主设备预留的s c o 时隙内传输，因而可以看作电路交换( c i r c u i t - - s w i t c h e d ) 。s c o 分组不进行重传操作，一般用于象语音这样的实时性很强的数 据传输。 只有建立a c l 链路后，才可以建立s c o 链路。一个微微网中的主设备最多 可以同时支持3 条s c o 链路( 这3 条s c o 链路可以与同一从设备建立，也可以 第三章蓝牙g s m 无线终端设计 是与不同从设备建立) ；一个从设备与同一主设备最多可以同时建立3 条s c o 链 路，或者与不同主设备建立2 条s c o 链路。为了充分保证语音通信的质量，每一 条s c o 链路的传码率都是6 4 k b p s 。 主设备在预留的主一从s c o 时隙内，向从设备发送s c o 分组，分组头含有 应该做出响应的激活从设各地址。在紧跟的从一主s c o 时隙内，对应的从设备向 主设备发送s c o 分组。与a c l 分组不同的是，即使从设备未能从接收到的分组 头解析出从设备地址，也允许在其预留的s c o 时隙返回s c o 分组。 二、蓝牙串口仿真协议 蓝牙是一种电缆替代技术，对串行电缆连接方式的替代是蓝牙应用的一个重 要方面，因而s i g 发布了专门的串口仿真协议( r f c o m m ) ，为建立在串口之上 的传统应用提供接口环境，使它们可以不做什么改动就能在蓝牙无线链路上工作。 对c o m m 采用了e t s i ( 欧洲电信标准化组织) 的t s0 7 1 0 标准的一个子集，并 且针对蓝牙的实际应用做了修改。下面将从r f c o m m 模型和仿真功能方面阐述 r f c o m m 协议。 1 r f c o m m 参考模型和设备类型 图3 2 给出了实际设备中一个r f c o m m 的参考模型。其中端口仿真实体与 r f c o m m 一同构成了端口驱动器。 图3 2r f c o m m 参考模型 i r o m m 支持两种实际应用设备，分别对应于一般串行通信中的数据终端 设备d t e ( d a t at e r m i n a le q u i p m e n t ) 和数据通信设备d c e ( d a t ac o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t ) 。d t e 包括计算机和打印机等外围设备，是数据通信的发起端或接收 端；d c e 为调制解调器或类似设备，起到连接不同通信媒介的作用。r f c o m m 在应用上不区分这两种设备，也就是说r f c o m m 实体并不知道自己和对方到底 属于哪一类设备，这需要由r f c o m m 高层的执行者来判断。 2 空调制解调器仿真 空调制解调器是计算机网络中的一种模拟调制解调器，用于本地计算机和附 1 2 蓝牙通信系统g s m 终端及图形界面设计 近需要调制解调器的外设相连。在传输控制信号时，r f c o m m 并不区分d t e 和 d c e 设备。当两台同类设备相连时，r f c o m m 以传输r s 2 3 2 控制信号的方式创 建了一个隐含的空调制解调器。没有哪一种空调制解调器电缆连接方案能适用所 有的情况，但r f c o m m 中提供的空调制解调器方案适用于大多数情况。 3 多路串口仿真 r f c o m m 的一个重要功能是支持多路串口仿真。两个蓝牙设备间可以支持 最多达6 0 路的仿真串口( d l c ) ，参见图3 3 。d l c i ( 数据链路连接标识符) 用 于标识每一条d l c ，它由6 个二迸制位表示，有效的取值范围为2 , - - - , 6 i ，d l c i o 为控制信道( 用于多路复用器间的控制命令传输) ，d l c l l 由于服务器信道的概 念而不可用，d l c l 6 2 和d l c l 6 3 保留。 仿真串口仿真串口 图3 3 两台设备间的多路串口仿真 如果一台蓝牙设备与不止一台蓝牙设备问存在多路仿真串口，那么该设备上 r f c o m m 实体必须能够运行多个多路复用器( m u l t i p l e x e r ) 会话( s e s s i o n ) ，参 见图3 4 。每个多路复用器会话使用它们自己的l 2 c a p 信道d ( c d ) 。运行多 个多路复用器会话的能力对于r f c o m m 来说是可选的。 图3 4 同时与两台设备存在多路串口仿真 第三章蓝牙g s m 无线终端设计 4 流控 r f c o m m 在应用过程中涉及到多种流控机制，包括有线串口所采用的流控 机制、与l 2 c a p 间的服务接口的流控机制以及r f c o m m 自身的流控机制。 r f c o m m 通过不同的控制命令，提供了两种流控机制，一种针对所有的 d l c ，另一种针对单独的d l c 。 此外，蓝牙规范1 1 中，r f c o m m 新增了基于信誉的流控机制。信誉量表示 该d l c 中的缓存所允许接收的帧的数量，通过在相应的帧中插入信誉字段可以实 现相互交换信誉量。 3 1 2g s m 网络基本原理 一、g s m 系统的基本特点 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 数字蜂窝移动通信系 统( 简称g s m 系统) 是完全依照欧洲通信标准化委员会( e t s i ) 制定的 g s m 规范研制而成的，任何g s m 系统都必须符合g s m 技术规范。g s m 系 统是一种典型的开放式结构，它具有一系列的主要特点：【9 】 ( 1 ) g s m 系统由几个分系统组成，各分系统之间都有定义明确且详细 的标准化接口方案，保证任何厂商提供的g s m 系统设备可以互连。同时， g s m 系统与各种公用通信网之间也都详细定义了标准接口规范，使g s m 系 统可以与各种公用通信网实现互联互通。 、 ( 2 ) g s m 系统除了可以开发基本的话音业务外，还可以开发各种承载 业务、补充业务以及与i s d n 相关的各种业务。 ( 3 ) g s m 系统采用f d m a t d m a 及跳频的复用方式，频率重复利用 率较高，同时它具有灵活方便的组网结构，可满足用户的不同容量需求。 ( 4 ) g s m 系统具有较强的鉴权和加密功能，能够确保用户和网络的安 全需要。 ( 5 ) g s m 系统抗干扰能力较强，系统的通信质量较高。 二、g s m 系统组成 g s m 的一般结构如图3 5 所示。 电话线路网络 7 号信令网绍 无线g s m 网络 图3 5g s m 体系结构 1 4 蓝牙通信系统g s m 终端及图形界面设计 最上层为公用电话网中的电话线路网，中间层面为7 号信令网s s 7 ，最 下层为无线g s m 网络。这是三个并行的网络，其中前者和后者之间的互联 实现了移动用户和公用电话用户网用户之间的通信。 g s m 系统由几个功能实体组成：交换中心m s c ( m o b i l e s e r v i c e s w i t c h i n gc e n t e r ) ，数据库( h i r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) ，v l r ( v i s i t o r l o c a t i o nr e g i s t e r ) ) 、基站控制器b s c ( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 、基站收 发系统b t s ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 、用于无线子系统的操作与维护中心 n e t w o r km a n a g e m e n t ( o m c r 和o m c v ) 、移动台m s ( m o b i l es t a t i o n ) 。 可划分为移动台m s 、基站子系统b s s ( b a s es t a t i o ns u b s y s t e m ) 、网络子 系统n s s ( n e t w o r ks u b s y s t e m ) 、操作维护子系统o s s ( o p e r a t i n g s u b s y s t e m ) 这四个部分。 三、基于g s m 的短消息业务 短消息服务业务s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 是g s m 系统提供给用户的一 种数字业务。它与语音传输及传真一样同为g s m 数字蜂窝移动通信网络提供的 主要电信业务。s m s 的收发占用的是g s m 网络的信令信道，不会占用普通话音 信道，而且它是双向通信，具有一定的交互能力；s m s 具有较高的可靠性，短消 息发送端的用户可知道短消息是否已经到达接收端。由于短消息依靠s m s c 短消 息服务中心的存储和转发机制，当接收端用户关机或不在服务区内时，s m s c 会 暂时保存该短消息。如果接收端用户在规定时间( 通常为2 4 小时) 内重新处于工 作状态，s m s c 会立刻发送短消息给接收端用户，当发送成功时会返回发送端用 户1 个确认信号。s m s 充分利用了g s m 网络的基站覆盖广的特点和全程全网的 优势，具有极佳的移动性，使得任何一个申请了短消息服务的g s m 无线终端用 户在全网范围内获得服务。每个短消息的信息量限制在1 4 0 个8 位组( 7 比特编 码) 、1 4 0 个英文字节或7 0 个中文字符。如果超过此长度，则要分多次发送。 1 0 1 在g s m 系统中，短消息的收发是通过数据终端设备( d ，疆) 和数据电路终 端设备( d c e ) 之间的终端接口来实现的。该接口是一个符合c c r r v 2 4 ( 与e i a r s 2 3 2 c 兼容) 的异步串行接口。g s m 规范对通过该接口进行短消息传输定义了 三种控制协议，即二进制协议( 通常称块模式) 、基于字符的使用a t 命令接口 协议( 又称文本模式) 和基于字符的使用十六进制编码的二进制传输消息块接口 协议( 又称p d u 模式) 。 块模式( b l o c km o d e ) 是一种使用二进制编码来传输用户数据的接口协 议。为了提高可靠性，它带有差错保护。因而适合于链接不完全可靠地区，尤其 是那些要求控制远程设备的情况。它属于g s m 第一阶段的短消息传输接口协议。 当时g s m 系统还不太成熟，可靠性不高，因而使用块模式符合当时的实际情况。 现在g s m 系统已进入第二、第三阶段，技术非常成熟，可靠性高，但为了保持 第三章蓝牙g s m 无线终端设计 与第一阶段兼容，g s m 规范仍保留了此模式。 文本模式( t e ) 汀m o d e ) 是一种使用a t 指令传输文本数据的协议，该模 式适合于非智能终端、终端仿真器和一些基于v 2 5 x 自动呼叫自动应答的应用软 件。在文本模式下，发送短消息只需输入目的地址( 对方的手机号) 和消息内容， 用一条a t 指令即可完成。 p d u 模式( p r 0 1 o c o ld e s c r i p t i o nu n i tm o d e ) 是一种使用a t 指令 传送十六进制编码的二进制用户数据的接口协议。这种传输方式类似于计算机网 络中的分组交换，每一条短消息的全部用户数据作为一个数据块，加上目的地址 和控制信息一次性发送出去。有些a t 指令结构无消息块的内容，仅在移动终端 和终端设备的上层驻留程序之间传输数据块，基于这种a t 命令的应用程序非常 适合这种模式。 四、g p r s 业务简介 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 称为无线分组服务【1 1 1 ，是在g s m 网络的基础上，新增两个节点一s g s n 和g g s n 而形成的移动分组数据网络。 因此可以说，g p r s 的基本功能就是在移动终端与计算机通信网络的路由器 之间提供分组数据传输业务。g p r s 针对数据通信的特性对无线部分进行了 改造，提高了无线资源的利用率；在核心网部分吸纳了g s m 和i p 技术的精 华，使其既保留了良好的移动性，又具备了i p 的灵活性。g p r s 允许服务 用户采用端到端的分组传递模式，而不是利用电路交换模式下的网络资源发 送和接收数据。g p r s 使得分组模式数据更合理、更有效地利用网络资源， 提供比标准g s m 电路交换数据业务具有更高速率的分组交换数据业务。在 理论上，g p r s 可以提供高达1 7 1 k b i t s 的空中接口速率，但是在实际网络中 却从来没有达到这么高的数据率。事实上，实际的最大速率比1 0 0 k b i t s 少 一点，而通常大约只有4 0 k b i t s 或5 3 k b i t s 的可使用速率。 g p r s 的最大优点并不是简单地在于提供更大的数据率，而是一种分组交换 技术。这意味着一个用户只有在实际进行数据发送或数据接收时才使用射频资源。 如果用户在某一个时刻没有进行数据的实际传输，则这时空中接口上的时隙可以 分配给其他用户使用。这样就使多个用户能够共享相同的空中接口资源，但是在 另一方面，这个优点也意味着：每当一个用户需要进行数据传输时，移动台必须 首先对资源使用进行申请，然后网络必须为移动