（计算机系统结构专业论文）蓝牙lap的开发及性能改进的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是种无线数据与语音通信的开放性全球规范。自蓝牙标准推出 后，蓝牙技术就成为短距离无线通信领域的最热门的研究方向，它将广泛应用在信息 家电、移动通信、嵌入式应用等诸多领域。同时蓝牙应用环境也比较复杂，信号干扰 等因素会对链路通信造成影响。这就对蓝牙网络通信性能如延时、吞吐率和链路利用 率等提出了较高的要求。因此，研究蓝牙无线网络接入技术及蓝牙应用中通信性能的 改进具有重要意义。 蓝牙通信性能会受到s a r 策略、m a c 调度算法、缓冲区大小及s c o 连接数等因素 的影响，在研究了这些因素的基础上提出了s a r o s u 策略、a f p 和持续调度算法， 得出了在l 2 c a p 层仅需使用5 个缓冲区等研究结论。通过采用一个二状态马尔可夫 信道模型，模拟分析和研究了这些算法和策略。结果表明，这些改进算法和策略能够 显著提高蓝牙网络的数据通信性能。 蓝牙l a p 的设计也是一个重要课题。蓝牙l a p 应用架构模型和分层实现方案的设 计基于对蓝牙协议栈和l i n u x 内核的分析研究。在开发的蓝牙l a p 系统上，可以对研 究的一些性能改进算法和策略进行验证。结果证实上述蓝牙性能改进措施是有效的， 能够提高蓝牙网络的吞吐率和链路利用率，降低延时。 关键词：蓝方7 网络窿晶，分段童萄策略，媒体诸问控制层调度，网茹接入 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b l u e t o o t hi sag l o b a ls p e c i f i c a t i o nf o rt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no fv o i c ea n dd a t a u s i n gas h o r t r a n g e r a d i o i th a sb e c o m et h eh o t t e s tf i e l d i nt h e s 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 nd o m a i n s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h eb l u e t o o t hw i r e l e s sl a na c c e s s t e c h n o l o g y t h ea p p l i c a t i o n so nb l u e t o o t hw i r e l e s sn e t w o r ka r em u l t i s o u r c ea n dd i v e r s e t h e c o m p l e xe n v i r o n m e n to f b l u e t o o t ha p p l i c a t i o n s ，s u c ha st h es i g n a li n t e r f e r e n c e ，s h o u l d a f f e c tt h el i n k s ob e t t e rn e t w o r kp e r f o r m a n c eo nd e l a y , t h r o u g h p u ta n dl i n ke f f i c i e n c ya r e r e q u i r e d a n dn e t w o r kp e r f o r m a n c ei nt h eb l u e t o o t h s y s t e md e v e l o p m e n tm u s t b e g u a r a n t e e d a c c o r d i n g t ot h es t u d yo ft h e s es t r a t e g i e st h a ta f f e c tt h en e t w o r k p e r f o r m a n c e ，s e v e r a l s c h e m e st o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fa s y n c h r o n o u sd a t at r a n s f e r o v e rab l u e t o o t h n e t w o r k ，s u c h a s s a r - o p t i m u ms l o tu t i l i z a t i o n ( s a r - o s u ) ，a d a p t i v e f l o w - b a s e d p o l l i n g ( a f p ) a n ds t i c k ys c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，a r eg i v e n a n da t w o s t a t em a r k o vc h a n n e l m o d e li su s e dt os i m u l a t et h eb l u e t o o t hr fl i n k a f t e ra n a l y z i n gt h e s es c h e m e sa n d a l g o r i t h m s ，i ti s f o u n dt h a ta l lt h e s ep r o p o s e ds c h e m e se n h a n c et h eb l u e t o o t hn e t w o r k p e r f o r m a n c eo b v i o u s l y i nt h i sp a p e r , ab l u e t o o t hl a na c c e s s p o i n t ( l a p ) p r o f i l e h a sb e e n d e s i g n e d b a s e do n t h es t u d yo fb l u e t o o t hs t a c k a n dar e s o l u t i o no fb l u e t o o t hl a ph a sb e e nd e v e l o p e d a c c o r d i n gt h ea n a l y s i s a n dt e s to nt h i sl 姐a l lt h es c h e m e sp r o p o s e da b o v eh a v e s u c c e s s f u l l yi n c r e a s e dt h r o u g h p u ta n d l i n ke f f i c i e n c yo nb l u e t o o t hn e t w o r k k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，p e r f o r m a n c eo v e rb l u e t o o t h ，s a r ，m a cs c h e d u l i n g ，n e t w o r k a c c e s s 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 本课题来源于华中科技大学计算机学院多媒体网络实验室和新加坡某公司合 作的开发项目。课题的目的是研究蓝牙协议并实现蓝牙协议软件及开发出相应的蓝 牙产品。 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 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。 蓝牙的主要优点是：可以随时随地用无线接口来代替有线电缆的连接；具有很强的 移植性，可应用于多种通信场合，如w a p 、g s m 、d e c t 等 3 , 4 5 】；除此之外它还为己存 在的数字网络和外设提供通用接口，来组建一个远离固定网络的无线个人区域网 ( w p a n ) 2 1 。同时，蓝牙技术的优势在于它的全球统一开放的技术标准，技术先进 与成本低廉的折衷统一考虑，以及世界蓝牙组织s i g 知识产权共享的巨大诱惑力。 近年来，世界上一些权威的标准化组织，也都在关注蓝牙技术标准的制定和发 展【6 l 。i e e e 的8 0 2 1 5 工作组也专门关注有关蓝牙技术标准的兼容和未来的发展等 问题。 e e e8 0 2 1 5 1t g l 就是讨论建立与蓝牙技术1 0 版本相一致的标准：i e e e 8 0 2 2 1 5 2t g 2 是探讨蓝牙如何与i e e e8 0 2 1l b 无线局域网技术共存的问题；而 i e e e8 0 2 1 5 3t g 3 则是研究未来蓝牙技术向更高速率( 1 0 2 0 m b p s ) 发展的问题。 蓝牙己成为目前通信领域的一个新的研究热点，预计今后蓝牙标准将成为小范围无 线多媒体网络的国际标准。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 i 蓝牙技术概况 蓝牙技术最早是针对近距离的便携式器件之间的红外线链路( i n f r a r c e dl i n k ， 简称i r d a ) 存在的问题而提出的，应用红外线链路收发器链接，虽然省去电线和电 缆的连接，但是使用起来有许多不便，不仅距离只限于l - 2 m ，而且必须在视线上直 接对准，中间不能有任何阻挡，且只限于在两个设备之间实现链接。蓝牙最初由 e r i c s s o n ，i b m ，i n t e i ，n o k i a 和t o s h i b a 公司作为原始发起组织而推出，1 9 9 9 年底，美国的4 家公司3 c o m ，l u c e n t ，m i c r o s o f t 和m o t o r o l a ，与上述五家公司 起成立了世界蓝牙组织s i g ( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r n e tg r o u p ) ，他们采用了技 术标准公开的策略来推广蓝牙技术【l 】，取得了相当的成功。自蓝牙推出一年多后， 已经有2 5 0 0 家左右的信息产品生产厂家加入这个组织，其中包括了计算机、通信 和电子行业的所有知名厂商。世界蓝牙组织b l u e t o o t hs i g 已发展成为一个相当大 的工业界高新技术标准化组织，一项公开的、全球统一的技术规范得到如此广泛的 关注和支持是以往罕见的。 人类的需求是无止境的，正是这种需求推动着技术不断地向前发展。人们对计 算机的运算能力和存储空间的需求使计算机技术以“摩尔定律”的速率不断向前发 展，当人们在运算能力和容量上得到一定满足的时候，又在追求设备的小型化和便 携性能。蓝牙正是人们这种需求和追求的结果。随着技术的发展，便携的数字处理 设备己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、移动电话机、寻呼机和客户电子产品等。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。虽然无线局域网( w l a n ) 和红外数据传输在特定的条件下能够替代电缆，但是它们在使用上具有很大的局限 性。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，它使用跳频技术 使处于二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。蓝牙正发展成为个人区域网络或短距离无线网络的标准。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 蓝牙技术的主要特点 蓝牙技术利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的数据 网络和小型的外围设备接口提供了统一的连接。它具有许多优越的技术性能1 ，以 下介绍一些主要的技术特点。 1 射频特性 蓝牙设备的工作频段选在全世界范围内都可以自由使用的2 4 g h z 的i s m ( 工业、 科学、医学) 频段，这样用户不必经过申请便可以在2 4 0 0 2 5 0 0 m h z 范围内选用适 当的蓝牙无线电收发器频段。频道采用2 3 个或7 9 个，频道间隔均为1 m h z ，采用时 分双工方式。调制方式为b t = o 5 的g f s k ，调制指数为0 2 8 0 3 5 。蓝牙的无线发 射机采用f m 调制方式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级， l o o m w ( 2 0 d b m ) ，2 5 m w ( 4 d b m ) ，l m w ( o d b m ) ，在4 - 2 0 d b m 范围内要求采用功率控 制，因此，蓝牙设备之间的有效通信距离大约为1 0 一l o o m 。 2 t d m a 结构 篮牙的数据传输率为i m b i t s ，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0 6 2 5 - 微秒。蓝牙系统支持实时的同步定向连接和非实时的异步不定向连接，蓝牙技术支 持一个异步数据信道，3 个并发的同步语音信道或一个同时传送异步数据和同步语 音信道。每一个语音信道支持6 4 k b i t s 的同步语音，异步通道支持最大速率为 7 2 1 k b i t s ，反向应答速率为5 7 6 k b i t s 的非对称连接，或者是速率为4 3 2 6 k b i t s 的对称连接。 ：；使用跳频技术 所谓跳频技术，简单来说就是将整个频带分成若干跳频信道，即使在单一链接 的情况下，蓝牙芯片所操控的收发器也会按照一定的码序列( 即具有规律性的、技 术上称为“伪随机码”的数码集) 不断地从一个信道“跳”转到另一个信道，接收 方亦按照同样的跳转规律进行信道切换。而对干扰来说不可能存在按同样的规律介 ， 入的干扰源。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩 展成宽频带，使被干扰的可能变得很小，如此便可以保证传送的完整性。 跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 跳 华中科技大学硕士学位论文 秒：对于多时隙包，跳频速率有所降低：但在建立逑接时则提高为3 2 0 0 跳秒。使 用这样简的调频速率，菹牙系统具有足够高的抗干扰能力，且硬件设备简单、性能 优越。 4 蓝牙设备的缰潮 蓝雾摄攒网络戆檄念提供点对点髑点慰多患戆燹线逡接，在 鼍意一个毒效透信 范熬内，赝鸯的设备郝是平等的，并胜遵循相趟的工作方式。基于t d m a 原理和燕 j 牙设备鲍平等性，任个藏牙设各在主从网络( p i c o n e t 一匹克网) 和散射网络 ( s c a t t e r n e t ) 中，既可做主设备( m a s t e r ) ，又可做从设备( s l a v e r ) ，还可同时 既怒主设备，又是从设备。因此在蓝牙系统中没有从站的概念，另外所有的设备都 是可移动的，组网十分方便。 j 软件的层次结构 和许多邋信系统一样，蓬碧髂通信徐议采趱屡次式终梅，其程序写在个8 m m 8 m m 戆微蕊垮串。其底层淹冬类应用熙遵思，裹燃则援具体应用恧鸯联不同，大 体分为计算机背擐和端计算机背景甄神方式，前者通过主机控制接口h c i ( h o s t c o n t r o li n t e r f a c e ) 实现离、低层的连接。后者则不需疆h c i 。层次缕构使其设备 具肖最大的通用性和灵活性。根据通信协议，备种菔牙设备戈论在任何地方，都可 以通过人工或自动查询来发现其它蓝牙设备，从而构成主从阐和散射网，实现系统 提供的备种功能，使搿起来十分方便。 1 2 3 蓝牙技术与8 0 2 1 1 和h o m e r f 的比较 无线个人区域网( w p a n ，w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 鲍拨心楚短躐离的无 线链接技术，县前常髑的技术鸯8 0 2 。l l 、h o m e r f 、b l u e t o o t h 。它们务有自已的产 生莺景、技术特点、应用范围和市场前景【9 1 。 1 8 0 2 1 1 i e e e8 0 2 11 本是无线局域网络标准。它使p c 在对等的基础上互联( 或用集线器 和i n t e r a c t 醐关稳联) 。8 0 2 u b 和8 0 2 1 l a 只怒其中的两个扩展标准，8 0 2 n a 工作 在5 g h z 频羧，传输速率离达5 4 m b s ，稀工 窜在2 4 g h z 频段酶8 0 2 1 l b 剐适合于 家耀环壤。8 0 2 1 l b 标准之掰敬孳l 起了泣赛故普遍关注，主要是因为8 0 2 1 l b 是较残 华中科技大学硕士学位论文 熟的无线技术，它已有统一的标准。i e e e8 0 2 1 1 无线e t h e r n e t 运行在2 4 g h z ，用 来提高和保证网络入口点间的互用性。覆盖范围很大，足以构成一个城域网，数据 传输率可达1 1 m b p s 。但是，它不支持声音传输，而且不能用于蜂窝电话( 因耗电量 ； 非常大) 。在市场定位方面，i e e e 8 0 2 1 l 定位于企业无线网络。 2 h o m e r f h o m e r f 工作组成立于1 9 9 7 年。是由美国家用射频委员会领导的。它成立的技 术与商业动机和其它几项技术十分相似，其宗旨是在消费者能够承受的前提下，建 设家庭语音、数据内联网。h o m e r f 把共享无线连接协议( s w a p ) 作为未来家庭内 联网的几项技术指标，使用i e e e8 0 2 1 1 无线以太网作为数据传输标准，通信频段 也是2 4 g h z 。h o m e r f 工作组像当初人们构造a t m 一样，提出了一整套应用于家 庭联网的完整体系，包括外围设备和家庭主机之间的连接、外围设备之间的连接、 主机和h o m e r f 中央控制的连接、接入网、p s t n 等【”l 。2 0 0 1 年8 月3 1 日美国联 邦通信委员会批准了 n t e l ，m i c o s o f t ，m o t o r o i a 和p r o x i m 等h o m e r f 组织成员的要 求，允许h o m e r f 的传输速率在原来的2 m b s 的基础上提高四倍，达到8 m 1 1 m b s 传送速率；而且和蓝牙一样，h o m e r f 可以实现多个( 最多5 个) 设备之间的互联。 但f c c ( 美国联邦通信委员会) 的这一决定，招致了来自包括内部成员和蓝牙组织成 员的反对，主要理由是频率冲突，功耗较大。同时。h o m e r f 工作组的一些成员提 出将原来的发射带宽由i m h z 提高到5 m h z ，这样速率能够提高得更多。但反对者 认为，信息本来在狭窄的信号通道里跳动。现在如果将狭窄的通道加宽。就会像一 辆卡车在几条车道上横冲直撞。从而造成s w a p 设备之间的互相干扰。因此，很多 业界人士对这一技术并不表示乐观】。 3 蓝牙技术 蓝牙是一种点到多点的无线声音及数据传输技术，使用2 4 g h z 。传输范围从 1 0 厘米到1 0 米，如果增加传输功率，传输范围可达1 0 0 米。 蓝牙技术的优点可归纳为：功耗非常低、价格非常廉、体积非常小、功能非常 强、应用非常广、标准非常明。 ( 1 ) 功耗低。蓝牙芯片的发射功率非常低，按设备的不同等级分类，有l m w 、 2 5 m w 、1 0 0 m w 三个等级。当在1 0 m 之内连接时，蓝牙产品的输出功率仅为l m w ， 华中科技大学硕士学位论文 是微波炉使用功率的百万分之一，是移动电话功率的一小部分。 f 2 1 价格低。竞争使蓝牙芯片价格急剧下降，蓝牙模块价格有望低于5 美元。蓝 牙将成为一种廉价、低复杂度、高可靠性的无线接口技术。蓝牙技术中最为关键的 是低复杂度，它使得系统的集成度大大提高，从而有利于大幅度降低产品成本。 ， ( 3 ) 体积非常小。写有“蓝牙”无线收发程序的小芯片约i c m 2 ( 8 m m 8 r a m ) 。 ( 4 ) 功能非常强。蓝牙技术具有数话兼容、一点对多点的功能，工作范围为l o m ， 也可扩展到l o o m 。可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个匹克网。多个匹克网又 可互连成特殊散射网，形成灵活的以个人区域( 办公室区域) 为应用环境的拓扑结 构，从而实现各类设备之间的快速通信。 ( 5 ) 应用非常广。蓝牙技术的主要好处是消除了千头万绪、令人头疼的电缆线， 它简化了小型网络设备之间以及这些设备与i n t e r n e t 之间的通信，免除在无绳电 话或移动电话、调制解调器、头套式送受话器、p d a 、计算机、打印机、幻灯机、 局域网等之间加装电线、电缆和连接器。现在用蓝牙产品把这些电缆全代替了。 ( 6 ) 标准明确。蓝牙技术的灵魂就在于它是全球统一、开放的技术标准，以及 世界蓝牙组织s i g 知识产权共享的策略。蓝牙技术采用了2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 的i s m 频段( 工业、科学和医学) 频段，该频段是全球开放频段。 1 2 4l i n u x 的广泛采用及现状 简单的说，l i n u x 是u n i x 风格的操作系统( o s ) ，在原代码级上兼容绝大部分u n i x 标准，是一个支持多用户，多进程，多线程，实时性较好的功能强大而稳定的操作 系统 1 2 】。它可以运行在x 8 6p c ，s u ns p a r c ，d i g i t a la l p h a ，p o w e r p c ，m i p s 等 平台上，可以说l i n u x 是目前运行硬件平台最多的操作系统。 _ 目前，市面上有很多的商业性嵌入式系统都在努力地为自己争取着嵌入式市场 的份额。如v x w o r k s ，p a l mo s ，w i n d o w sc e 等等，但这些操作系统均属于商品化 产品，价格昂贵且由于源代码不公开导致了诸如对设备的支持、应用软件的移植等 一系列的问题。而l i n u x 作为一种优秀的操作系统，它所具备的稳定、高效、易定 制、易裁减、硬件支持广泛等特点，结合其所独具的免费、开放源代码等特征，近 几年在嵌入式领域异军突起，成为了最有潜力的嵌入式操作系统。 华中科技大学硕士学位论文 u c l i n u x 是专为无存储器管理单元( m m u ) 的微控制器打造的嵌入式l i n u x 操作系 统。可以看作裁减了的l i n u x ，其特性跟l i n u x 一样。后面的研究工作主要在l i n u x 上开展，并选用的2 4 的内核版本。 1 3 本课题主要研究工作 本文在研究蓝牙协议的基础上，对各种影响蓝牙通信性能的策略和算法进行研 究。比如蓝牙协议中采用的分段重组( s a r ，s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e m b l y ) 策略， 蓝牙m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 调度算法等的选择对性能的影响。还有缓冲区大 - 小的合理设置，f e c ( f o r w a r d e r r o re o r r e c t ) 策略的采用，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 ) 连接数等对蓝牙网络的数据通信产生的影响。并采用了一 个二状态马尔可夫信道模型对蓝牙射频链路进行了模拟，对蓝牙技术中采用的算法 和策略进行了模拟分析和比较研究。 本文还对当前在嵌入式市场领域占主导地位的l i n u x 操作系统进行了研究，特别 是对实现蓝牙局域网接入点( l a p ，l a n a c c e s sp o i n t ) 系统有影响的一些内核机制进 行了研究。在蓝牙协议栈和l i n u x 内核的基础上，设计了蓝牙l a p 应用架构模型和 分层实现方案，对蓝牙l a p 的软件实现及其特性进行了研究分析。并在开发的蓝牙 l a p 系统上，对本文提出的性能改进策略和算法进行了验证。 j 华中科技大学硕士学位论文 2 蓝牙技术及其体系结构的研究 s i g 组织开发的蓝牙规范允许开发人员开发基于规范的无线应用和服务。本章 将对蓝牙的功能单元、蓝牙技术的体系结构、主要的协议进行深入研究，包括蓝牙 基带层、链路管理层、逻辑链路控制与适配层等，并对各层的功能和相互关系进行 分析， 2 1 蓝牙单元组成 蓝牙系统由以下功能单元组成 8 , 1 3 1 ：无线单元，链路控制单元，链路管理，软件 功能， 1 无线射频单元 蓝牙空中接口是建立在天线电平为0 d b m 的基础上的。空中接口遵循f c c 有关 电平为0 d b m 的i s m 频段的标准。渤果全球电平达到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。频谱扩展功能是通过起始频率为2 4 0 2 ，终止频率 为2 4 8 0 ，间隔为1 m h z 的7 9 个跳频频点来实现的。出于对某些本地规定的考虑， 日本、法国和西班牙都缩减了带宽。最大的跳频速率为1 6 6 0 跳秒。理想的连接范 围为1 0 厘米一1 0 米，但是通过增大发送电平可以将距离延长至1 0 0 米。 2 基带控制单元 基带部分描述了硬件一基带链路控制器的数字信号处理规范，具体完成三方面 功能：网络建立、差错控制、验证和加密。 ( 1 ) 建立网络连接 在匹克网内的连接被建立之前，所有的设备都处于s t a n db y ( 待令) 状态。在 这种模式下，未连接单元每隔1 2 8 秒周期性地“监听”信息。每当一个设备被激活， 它就监听规划给该单元的3 2 个跳频频点。作为m a s t e r 的设备首先初始化连接程序， 如果地址已知，则通过寻呼( p a g e ) 消息建立连接，如果地址未知，则通过一个后 华中科技大学硕士学位论文 接p a g e 消息的i n q u i r y ( 查询) 消息建立连接。在最初的寻呼状态，m a s t e r 单元将在 分配给被寻呼单元的1 6 个跳频频点上发送一串1 6 个相同的p a g e 消息。如果没有应 答，m a s t e r 则按照激活次序在剩余1 6 个频点上继续寻呼。 连接类型定义了哪种类型的数据包能在特别连接中使用。蓝牙基带技术支持两 种连接类型： 同步定向连接( s c o ) 类型( 主要用于传送话音) 异步无连接( a c l ) 类型( 主要用于传送数据包) 两种连接类型都使用t d d ( 时分双工传输方案) 实现全双工传输。 s c o 连接为对称连接，利用保留时隙传送数据包。连接建立后，m a s t e r 和s l a v e 可以不被选中就发送s c o 数据包。s c o 数据包既可以传送话音，也可以传送数据， 但在传送数据时，只用于重发被损坏的那部分的数据。 a c l 链路就是定向发送数据包，它既支持对称连接，也支持不对称连接。m a s t e r 负责控制链路带宽并决定p i c o n e t 中的每个s l a v e 可以占用多少带宽和连接的对称 性。s l a v e 只有被选中时才能传送数据。a c l 链路也支持接收m a s t e r 发给p i c o n e t 中 所有s l a v e 的广播消息。 f 2 1纠错 基带控制器有三中纠错方案：j 1 3 比例前向纠错( f e c ) 码 2 3 比例前向纠错码 数据的自动请求重发方案 f e c ( 前向纠错) 方案的目的是为了减少数据重发的次数，降低数据传输负载。 但是，要实现数据的无差错传输，f e c 就必然要生成一些不必要的开销比特而降低 数据的传送效率。这是因为，数据包对于是否使用f e c 是弹性定义的。报头总有占 1 3 比例的f e c 码起保护作用，其中包含了有用的链路信息。 在无编号的a r q 方案中，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到收 到的确认。只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为无错后才向 发端回确认消息，否则，则返回一个错误消息。 r 3 ) 鉴权和保密 一 华中科技大学硕士学位论文 蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。 鉴权基于”请求一响应”运算法则。鉴权是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户 为个人的蓝牙设备建立一个信任域，比如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自 己的移动电话通信。 加密被用来保护连接中的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议 和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。 3 链路管理单元 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 它一些协议。l m 能够发现其它远端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： ( 1 ) 发送和接收数据 ( 2 ) 请求名称 l m 能够有效地查询和报告名称或者长度最大可达1 6 位的设备i d 。 ( 3 ) 链路地址查询 ( 4 ) 建立连接 ( 5 ) 鉴权 ( 6 ) 链路模式协商和建立 比如数据模式或者话音数据模式，在连接建立过程中模式是可以变更的。 ( 7 ) 决定帧的类型 ( 8 ) 将设备设为s n i f f 模式9 ： 作在s n i f f e 模式的设备只接收m 时隙的数据，m 时隙的位置是由l m 协商决 定的，m a s t e r 只能有规律地在特定的时隙发送数据。 ( 9 ) 将设备设为h o l d 模式 ： 作在h o l d 模式的设备为了节能在一个较长的周期内停止接收数据，平均每4 秒激活一次链路，这由l m 定义，l c ( 链路控制器) 具体操作。 ( 1 0 ) 当设备不需要传送或接收数据但仍需保持同步时将设备设为暂停模式 处于暂停模式的设备周期性她激活并跟踪同步，并检查p a g e 消息。 4 软件功能单元 1 0 华中科技大学硕士学位论文 蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求。对某些设备，这种要求涉及到无 线模块、空中协议以及应用层协议和对象交换格式。但对另外一些设备，比如耳机， 这种要求就简单得多。蓝牙设备必须能够彼此识别并装载与之相应的软件以支持设 备更高层次的性能。蓝牙软件结构单元利用现有规范，像o b e x 、w a p 、p p p 及t c p i p 等协议规范，而不去开发新的协议。软件单元主要实现的功能有：蓝牙设备的发现、 与外围设备的通信、音频通信及呼叫控制、交换名片和电话号码等。 2 2 蓝牙体系结构 蓝牙系统结构一般可分为四层【8 】：无线与基带( r a d i o & b a s eb a n d ) 层；链路控制 器及逻辑链路适配层( l m l 2 c a p ) ；主机控制器接口( h c i ) 层和应用框架与支持层。 ： 其中，无线与基带层主要规定硬件设备的功能，负责射频处理和基频调制的功 能。链路管理器及逻辑链路适配层主要完成底层通信协议( 如物理层、m a c 层) 的功能，链路管理器主要负责基带连接的设定及管理，逻辑链路适配层( l 2 c a p ) 负责基带数据的分段及重组、多路复用和服务质量( q o s ) 等功能。主机控制接口 提供蓝牙与主机设备之间连接接口的控制指令。应用和支持层主要为各种应用( 如 语音、数据等) 提供应用软件所需要的通信协议与应用程序接口，如t c p i p 等。 蓝牙体系结构中的协议可分为四层，即核心协议、电缆替代协议、电话传送控 制协议和可选协议。完整的蓝牙协议栈如图2 1 所示。 该协议栈包括一个内部对象表示规则、v c a r d 、无线传输协议和其它部分。不同 应用可运行于不同协议栈。但是，每一协议栈都是用同一蓝牙数据链路和物理层。 并不是所有应用程序都利用全部协议。相反，应用协议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协议子集恰恰是用于支持主要应用的服务。整个 蓝牙协议栈包括蓝牙指定协议( l m p 和l 2 c a p ) 和蓝牙非指定协议( 如对象交换 协议o b e x 和用户数据报协议u d p ) 。 j 华中科技大学硕士学位论文 u 研甲r c p _ 一 i p b n e p w a p 硼旷r鬲忑_。=矿ip v c a r di c ss ! ” 、而而 坐坐 l 2 c a p h c i r a d i o 2 3 蓝牙协议栈 2 3 1 基带协议 图2 1 蓝牙协议栈结构 基带和链路控制层确保匹克网内各蓝牙设备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间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：同步面向链接( s c o ) 和异步无链接( 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 适用于话音及数据话音的组合，所有话 音与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。 蓝牙基带分组按类型可以分为公共分组、a c l 分组和s c o 分组。 公共分组共有五种，分别是d 分组、n u l l 分组、p o l l 分组、f h s 分组以及 d m l 分组。d 分组常用于寻呼、查询和响应。n u l l 分组用来向源端返回上次传 华中科技大学硕士学位论文 输( a r q n ) 是否成功，或当前收端r x 缓冲区状态( f l o w ) 的状态等信息。p o l l 分组用于主蓝牙单元轮询匹克网中的从单元，从节点收到p o l l 分组后必须响应， - 即使当时没有数据信息需要向主单元发送。f h s 分组是一种特殊的控制分组，它宣 告发端的设备地址和时钟信息，以实现跳频同步。d m l 分组可用于支持a c l 或s c o 链路上的控制信息，但它经常用于传输用户数据。 s c o 分组在s c o 链路上传送，不采用c r c 校验和重传机制。目前定义了3 种 s c o 分组，分别是h v l 、h v 2 、h v 3 分组，另外还有一种分组即d v 分组，是数据 和语音的混合，其中语音字段没有f e c 保护，数据字段采用c r c 校验码并用2 3 f e c 保护，语音处理和数据处理是独立的。 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 ，则共有7 种a c l 分组。除了a u x l 以外，其余6 种a c l 分组均采用 c r c 校验及重传机制。七种a c l 分组分别是d m l 、d h l 、d m 3 、d h 3 、d m 5 、d h 5 、 a u x l 分组。其中d m 分组均采用f e c 编码，d h 分组则不采用f e c 编码，因而可 携带更多的数据。 2 3 2 链路管理协议 链路管理协议的功能由链路管理器( l m ，l i n k m a n a g e r ) 完成，链路管理器用 于管理安全、链路建立及其控制。链路管理器可以同其它链路管理器交谈以交换信 息，此外，链路管理器还可以使用某些预定义链路级命令控制通过链路管理器的消 息。链路管理器对上层协议的支持有点模糊，但换个角度看，也许用上层接口来执 行模式管理、安全管理、q o s 管理等算法更好些。这些算法可以从用户那里获得输 入信息。比方说，如果用户请求某个低级操作( 家庭或者房间内的低层次操作) ， 那么链路管理器就会和其它链路管理器交涉功率控制，这样交涉的双方都可以根据 预先设置的算法进入某种类型的低功耗模式。还有，如果通信中安全不是一个大问 题，那么用户就可以通过选择某些降低加密强度的选项来确定所采用的安全层次， 然后系统即可通知链路管理器执行该操作。 蓝牙的链路管理器可以从其它链路管理器那里请求时钟偏移( 主单元请求从单 元告诉它目前从单元存储的时钟偏移，而该时间偏移则是从单元自身在和主单元进 1 广一 华中科技大j 学硕士学位论文 行某些数据包交换的过程中得到的) 、时隙偏移( 时隙偏移就是匹克网内主单元和 从单元传送的开始时隙之间的时间差，前者的时隙传送p d u ，后者的时隙中p d u 内的b d 一a d d r 即是主单元。时间差的单位是毫秒。时隙偏移对主一从交换和匹克 网间通信非常有用) 、计时精度( 时钟漂移和抖动) 、链路管理器版本和各类支持特 性如认证、s c o 数据包等。 链路管理器还可以处理主一从交换过程和模式交换过程( 强迫或者请求某台设备 把所处模式变更为以下模式之一：保持、呼吸或者暂停) 。在暂停模式下，链路管 理器会负责广播消息给暂停的设备、处理信号参数以及唤醒暂停的设备等任务。 除了以上的特性之外，链路管理器还可以处理功率控制( 降低或者提高功率) 、 通过预留时隙和交换s c o 参数建立s c o 链路。如果设备之间打算采用链路管理器 与上层建立连接，那么必须打开两台设备之间的连接。 2 3 3 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p l l 2 c a p 采用协议复用、分段和重组操作以及组抽象等方式向高层协议提供了连 接和无连接数据服务。l 2 c a p 允许高层协议和应用程序发送、接收l 2 c a p 数据包 ( 长度最高可达到6 4 k b ) 。l 2 c a p 只支持a c l 链路。l 2 c a p 采用了信道的概念 在蓝牙设备不同应用之间建立不同的路径。这些信道都由信道标识符( c i d ) 表示， 代表设备上每个应用程序连接的逻辑端点。c i d 是一个1 6 位长的数字，其中0 x 0 0 0 1 ： 到0 x 0 0 3 f 一段保留给特定l 2 c a _ p 功能使用( 0 x 0 0 0 1 是信令信道，0 x 0 0 0 2 是无连 接接收信道，其它都被保留或者禁用) 。 1 协议复用 l 2 c a p 使用l 2 c a p 连接请求( c o n n e c t i o nr e q u e s t ) 命令中的p s m 字段实现 协议复用。l 2 c a p 可以复用发给上层协议的连接请求，这些上层协议包括服务发现 协议s d p ( p s m = 0 x 0 0 0 1 ) 、r f c o m m ( p s m = 0 x 0 0 0 3 ) 和电话控制( p s m = 0 x 0 0 0 5 ) 等。 2 分段和重组 分段和重组( s a r ) 操作通过支持最大传输单元m t u ( 其大小比最大的基带数 华中科技大学硕士学位论文 据包更大) 用于提高传输效率。这样就可以减少由于高层协议采用基带数据包传输 所带来的网络负载。l 2 c a p 将高层数据包分段成所谓的“块( c h u n k ) ”，这种块可 以被传递给链路管理器，后者再传输块并使用h c i 以及数据包头所提供的信息把它 们重组为l 2 c a p 数据包。s a r 的实现几乎没有为基带数据包带来多少负载。基带 数据包中数据部分的首字节( 也称作帧头) 中有两个被定义的lc h 位，这个l _ c h 即可被用来表示l 2 c a p 数据包的开始和持续，第1 个段的l - c h 应当为“1 0 ”。持 续段的对应部分则设置为“0 i ”。为了避免因为数据包乱序而产生的任何重组问题， 所有关联某个l 2 c a p 数据包的l 2 c a p 段都必须在其它l 2 c a p 数据包被发送给同 一单元之前传递给基带。此外，基带所采用的停等协议( s t o pa n dw a i t ) 必须在新 的数据包被发送之前保证收到正确的数据包。这样就避免了数据包的乱序，正如有 线连接的t c p i p 协议下基于“窗口”通信的传输方式类似。 3 l 2 c a p 的事件和行为 l 2 c a p 的操作采用了上下层之间收发的事件和命令。这些事件包括来自上层的 连接请求、写数据请求或者断开连接请求等。低层则可以通过事件通知l 2 c a p 入 站连接、断开连接或者其它请求等。如果某单元的l 2 c a p 需要和其它单元的l 2 c a p 通信，它就可以使用某些特定的命令完成这项任务，这些命令叫做信令命令。命令 通常用在链路级连接建立或者已经存在之后建立连接信道。l 2 c a p 有7 种运行状态： c l o s e d 、w 4l 2 c a _ c o n n e c t _ r s p 、w 4 _ l 2 c a pc o m 咂c t r s p 、c o n f i g 、 o p e n 、w 4 一l 2 c a p _ d i s c o n n e c t _ r s p 和w 4 _ l 2 c a d i s c o n n e c tr s p 等。这 些状态的存在促使l 2 c a p 连接和t c p 连接非常相象。 4 信令代码 两个l 2 c a p 实体间用信令指令来交互。所有信令指令都将送至c i d0 x 0 0 0 1 。所 有l 2 c a p 应用都必须支持接收m t u 小于4 8 字节的信令分组。在没有对该应用是 否支持更大信令分组进行测试的情况下，l 2 c a _ p 应用不得使用超过4 8 字节的信令 分组。 2 3 4 服务发现协议( s d p ) 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 ) 提供发现可用服务以及确定 - 华中科技大学硕士学位论文 可用服务特点的方法。在蓝牙系统中，根据移动设备的邻频动态改变服务的蓝牙服 务搜索，与传统的基于网络的服务搜索具有相当大的不同。服务搜索协议用于描述 蓝牙环境的唯一特征。客户端只有通过服务发现协议才能获得服务器端的设备信 息、服务信息及服务特征，才能在此基础上建立相互