（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙协议的数据传输技术研究.pdf

捅姜 二十一世纪的到来，因特网和移动通信已经成为信息领域最耀眼的两颗明 星，特别是在第三代移动通信技术中，蓝牙技术尤其引人瞩目，蓝牙技术的出现 使现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，从而推动了无线通 信的应用，使网络中的各种数据和语音设备能够方便的互联。这项技术问世几年 来，由于所具有的广阔应用前景和蕴涵的巨大商机，已成为通讯行业新一轮的技 术生长点。 本论文主要研究蓝牙数据传输技术，实现基于蓝牙协议的数据传输，论文对 蓝牙协议栈中的基带协议、主机控制器接口协议、逻辑链路控制与适配协议 ( l 2 c a p ) 以及服务发现协议( s d p ) 进行了重点研究。 基带负责建立微微网内各蓝牙设备单元之间的物理射频链路，逻辑链路控制 与适配协议( l 2 c a p ) 支持高层协议的复用、分组的分段和重组，以及业务质量 ( q o s ) ，服务发现协议( s d p ) 在蓝牙技术框架中起着至关重要的作用，它是所 有用户模型的基础，通过服务发现协议可以查询到设备信息、服务类型和服务特 征。用户可以从临近的服务中选一个可用的，然后就可以在两个或多个蓝牙设备 间建立连接。主机控制接口( h c i ) 提供了一种访问蓝牙硬件设备能力的通用接 口，h c i 固件通过访问基带命令、链路管理命令、硬件状态寄存器、控制寄存器 以及事件寄存器实现对蓝牙硬件的h c i 命令。 基于以上理论研究，在单片机中嵌入蓝牙协议，单片机对蓝牙模块r o k1 0 1 0 0 7 进行控制，传输相关数据；同时，单片机提供给用户透明数据传输接口，方 便了现有嵌入式设备接入蓝牙无线通信网络。在系统中单片机和蓝牙模块间的通 信通过u a r t 接口迸行，蓝牙模块r o k1 0 10 0 7 支持点对点或者点对多点的连 接。协议实现部分还描述了两个蓝牙设备建立通信时必要的基本操作，包括设备 的发现以及链路的建立和配置等。 本论文主要分为五部分：第一部分，介绍蓝牙的发展过程及其在中国的发展 状况，并将目前存在的几种无线接入技术进行了比较，突出了蓝牙的优势。第二 部分，概述蓝牙技术协议结构及部分协议规范：基带协议以及相关协议。9 9 _ - - 部 分研究系统硬件构成，并对系统使用的蓝牙芯片r o k 1 0 10 0 7 的功能进行了详尽 描述。第四部分，协议的实现部分，对h c i 层以上核心协议即h c i 驱动程序、 逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 及服务发现协议( s d p ) 的实现进行了深入 研究。程序结构相应地分为三个层次：基带级链路的建立和数据的传输，数据链 路层连接的建立和数据的传输以及s d p 协议的实现。 关键词：蓝牙数据传输单片机h c i s d p 2 a b s t r a c t i nt h e2 1 s tc e n t u r yt h ei n t e m e ta n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a v ea l r e a d yb e c o m e t h em o s tc o n s p i c u o u st e c h n o l o g i e si nt h ei n f o r m a t i o nr e a l m e s p e c i a l l yi nt h et h i r d 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 ns y s t e m ，b l u e t o o t hh a sb e e ns t r o n g l yf o c u s e do n b l u e t o o t hm a k e st h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h em o d e mc o m m u n i c a t i o nd e v i c e s a n di n t e m e tm o r eq u i c k l ya n de f f i c i e n t l y i ta c c e l e r a t e st h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dm a k e st h ei n t e r l i n kb e t w e e nv a r i o u sd a t ad e v i c e sa n da u d i o e q u i p m e n t se x p e d i e n t l yi n t h en e t w o r k i nt h em t u r e b l u e t o o t hi s l i k e l y t ob e s t a n d a r di nt h ew h o l e r a n g eo f e l e c t r o n i cd e v i c e s t h ep a p e ra i m sa tw i r e l e s sb l u e t o o t hd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n dt h e i m p l e m e n to f w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nb a s e do nb l u e t o o t h i te m p h a s i z e ss o m e b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n si n c l u d i n gb a s e b a n d ，h c i ，l 2 c a pa n ds d e t h eb a s e b a n ds p e c i f i c a t i o ni st h ec o r ep r o t o c o lo fb l u e t o o t hl i n kc o n t r o l l e r h i c h c a r r i e so u tt h eb a s eb a n dp r o t o c o l sa n do t h e rl o w l e v e lr o u t i n e l 2 c a pp r o v i d e s c o n n e c t i o no r i e n t e da n dc o n n e c t i o nl e s sd a t as e r v i c e st ot h eu p p e rl a y e rp r o t o c o l s w i t hp r o t o c o lm u l t i p l e x i n gc a p a b i l i t y s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e m b l yo p e r a t i o n ，a n d g r o u pa b s t r a c t i o n s l 2 c a pp e r m i t sh i g h e r l e v e lp r o t o c o l sa n da p p l i c a t i o n st ot r a n s m i t a n dr e c e i v el 2 c a pd a t ap a c k e t su pt o6 4k i l o b y t e si nl e n g t h t h es e r v i c ed i s c o v e r y p r o t o c o l ( s d p ) p r o v i d e sam e a n sf o ra p p l i c a t i o n s t od i s c o v e rw h i c hs e r v i c e sa r e a v a i l a b l ea n dt od e t e r m i n et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h o s ea v a i l a b l es e r v i c e s ，s e r v i c e d i s c o v e r yi nt h eb l u e t o o t he n v i r o n m e n t ，w h e r et h es e to f s e r v i c e st h a ta r ea v a i l a b l e c h a n g e sd y n a m i c a l l y b a s e do nt h er f p r o x i m i t y o fd e v i c e si nm o t i o n ，i sq u a l i t a t i v e l y d i f f e r e n tf r o ms e r v i c ed i s c o v e r yi nt r a d i t i o n a ln e t w o r kb a s e de n v i r o n m e n t s t h e s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o ld e f i n e di nt h i ss p e c i f i c a t i o ni s i n t e n d e dt oa d d r e s st h e t m i a u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb l u e t o o t he n v i r o n m e n t t h eh c ip r o v i d e s au n i f o r m i n t e r f a c em e t h o do fa c c e s s i n gt h eb l u e t o o t hh a r d w a r ec a p a b i l i t i e s s e v e r a ll a y e r sm a y e x i s tb e t w e e nt h eh c id r i v e ro nt h eh o s ts y s t e ma n dt h e h c if i r m w a r ei nt h e b l u e t o o t hh a r d w a r e t h eh o s tc o n t r o l l e rt r a n s p o r tl a y e r , p r o v i d e t h e a b i l i t y t o t r a n s f e rd a t aw i t h o u ti n t i m a t ek n o w l e d g e a b o u tt h ed a t a b a s e do nt h et h e o r e t i cr e s e a r c ho ft h eb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n sa b o v e ，t h i sp a p e r p r e s e n t s as u b s y s t e mo fw i r e l e s sb l u e t o o t hd a t at r a n s m i s s i o n t h er o k10 10 0 7 b l u e t o o t hm o d u l ei sa l s oi n t r o d u c e d b l u e t o o t hp r o t o c o l sa r ee m b e d d e di nt h em c u ， t h i s s y s t e mb a s e do nm c ha l s oo f f e r st h eu s e rat r a n s p a r e n ti n t e r f a c e t h em c u c o m m u n i c a t ew i t ht h eb l u e t o o t hm o d u l et h r o u g hu a r t t h e e l e m e n t a r yo p e r a t i o ni n e s t a b l i s h i n gc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w ob l u e t o o t hd e v i c e si sd e p i c t e d t h em c u a c t s a sh o s t i t r e a l i z e st h ei n f o r r n a t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o nw i t hb l u e t o o t hm o d u l e t h r o u g h t h eh c i h c ii sc o m p o s e do f t w o p a r t si n c l u d i n gh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h e h a r d w a r ei su s e dt ol i n kt h eb l u e t o o t hm o d u l ea n dt h eh o s t t h es o f t w a r ei su s e dt o r e a l i z et h ec o m m a n di n t e r f a c e t h e p a p e r i n c l u d e sf i v em a i n p a r t s ： 1 t h ei n t r o d u c t i o no fb l u e t o o t h i n c l u d i n g t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , t h ea d v a n t a g e t h ec u r r e n t d e v e l o p m e n t a n ds oo n 2 t h es t r u c t u r eo fb l u e t o o t hp r o t o c o la n d p a r t i a ls p e c i f i c a t i o n ，i tm a i n l y i n t r o d u c e st h eb a s e b a n ds p e c i f i c a t i o na n dr e l a t e d 3 ，t h eh a r d w a r ef r a m e w o r ko fs y s t e md e s c r i b e st h eh a r d w a r ef r a m e t h i sp a r t a l s oc o n t a i n st h ef u n c t i o no f t h eb l u e t o o t hm o d u l ea n dt h ei n t e r f a c ed e s i g n 4 t h er e a l i z a t i o no f p r o t o c 0 1 i ti sc o m p o s e do f t h er e a l i z a t i o no fl 2 c a rs d p a n dt h eh c id r i v e r t h eb a s i cp r o t o c o la n df r a m eo ft h es y s t e mi sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r ，a n dt h e r e s e a r c hk e y s t o n ei nt h ef u t u r ew a sr a i s e d t h i sp a p e rg i v e sam e t h o do fw i r e l e s s b l u e t o o 也d a t at r a n s m i s s i o nb a s e do nm c u k e y w o r d s ：b l u e t o o t h d a t at r a n s m i s s i o nm c uh c is d p 4 第一章绪论 1 i 引言 随着信息电子产品的发展，我们身边的信息电器越来越多，与此同时电裂之 间的连线也越来越多，众多的连线方式和繁琐的设置使我们不胜其烦，蓝牙为这 种不便提供了一个既经济又方便的解决方案，以无线替代电缆是蓝牙开发的初 衷，也是它基本的用途。 世界逐渐走向网络化，而网络化的发展趋势是从有线变无线，以移动通信为 代表的无线广域网，以8 0 2 1 l 为代表的无线局域网，以蓝牙为代表的无线微微网， 三者的有机结合构成一个完整的无线网络世界。无线网络具有常规有线网络无可 比拟的优点，这些优点主要体现在应用场合的可移动性和组网的低成本方面。按 与有线局域网的关系，无线局域网分为独立式和非独立式两种，独立式无线局域 网指整个网络都使用无线通信的无线局域网，后者指局域网中无线网络设备与有 线网络设备相结合使用的局域网，蓝牙则适用于构造两种类型的无线局域网。 1 2 蓝牙技术的发展及现状 蓝牙是种近距离无线通信技术规范，用来描述和规定各种信息电子产品相 互之间是如何用短距离无线通信系统进行连接。蓝牙技术起源于1 9 9 4 年，当时爱 立信公司的移动通信部着手研究在移动电话与部件之间实现低功耗、低成本无线 互联的可能性，研究者最终决定采用无线电射频技术来实现这种短距离无线连 接，经过大量的研究工作后，提出了相关的技术规范草案，并将其命名b l u e t o o t h 蓝牙。 1 9 9 8 年5 月，蓝牙特殊利益集团s i g 成立，1 9 9 9 年1 2 月，s i g 的创始公舌 和领 导成员增加到九个，蓝牙技术于1 9 9 8 年6 月开始标准化进程，历经了l _ 0 版、1 1 版规范，目前正在制定2 o 版规范。 1 2 1 目前无线接入领域的发展状况 除蓝牙外，其他较为成功的短距离无线通信技术还有红外、i e e e 8 0 2 1 l 无 线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术。红外、i e e e 8 0 2 1 l 和h o m e r f 技 术的诞生都早于蓝牙，并且经过多年的发展，蓝牙、i e e e s 0 2 1 】和h o m e r f s e 作 在同一频段，它们之间存在着一定的竞争和相互影响。 红外通信技术是通过波长为8 5 0 n m 的红外光传输数据，由于红外光线直线传 输、易受遮挡，只支持点对点视距连接，收发装置的夹角一般在3 0 度内，常用通 信距离为l 3 m 。蓝牙在其规范中专门定义了红外互操作性协议，支持红外的对 象交换协议以及基于对象交换协议的对象交换方面的应用，这是因为红外技术的 发展和这方面的应用已经相当成熟，但是，红外技术由于传输媒质本身的限制， 其应用前景不如蓝牙。 8 0 2 11 是i e e e 8 0 2 工作组制定的无线局域网标准，主要用于实现小范围内的 移动组网和无线接入，并相继推出了8 0 2 1l a 和8 0 2 1 l b 标准，8 0 2 “b 工作在与 蓝牙一样的2 4 g 频带，只支持数据传输，传输速率高达1 1 m b p s ，传输距离可达 3 0 0 m ，8 0 2 1 l b 的传输速率和安全性比蓝牙高许多，因而在局域网的无线接入应 用方面具有一定的优势。基于8 0 2 i l b 技术的无线网络接入点，可以很好的支持 多个无线用户终端( 主要为笔记本电脑) 接入本地局域网以及访问互联网，但是 它在技术、功耗和成本上无法与蓝牙相比，因而目前除了作为网络接入点之外， 在其他对于低功耗、低成本等要求高的领域和设备上的应用还很少，可以说蓝牙 可以应用于那些8 0 2 1 1 b 无法胜任的广阔的领域，与之相互补充。 h o m e r f 技术建立在共享无线访问协议( s w a p ) 之上，该协议主要针对家 庭无线局域网，同时支持数据和语音通信。其数据通信采用简化的i e e e 8 0 2 1 l 协议标准，语音通信部分采用数字增强性无绳电话标准，使用时分多址技术，同 样工作在2 4 g h z 频段，采用跳频技术，每秒跳频5 0 次，最大功率为l o o m w ，有 效范围约5 0 m ，传输速率为1 m b p s 或2 m b p s ，最多可支持6 个全双工的语音信道。 在出售到家庭的9 5 的无线计算机产品都是基于h o m e r f 技术，可见h o m e r f 技术 非常适用于家庭网络环境。h o m e r f 技术侧重于p c 及其外设所组成的无线局域 网，主要针对低成本的家庭语音与数据的无线连接，不仅可以组成家庭范围内的 局域网，还可以将家庭中的各种电器设备通过相应的网络接入点与公共交换电话 网p s t n 以及互联网相连。当h o m e r f 技术采用p c m c 认卡的形式实现时，其成本 虽然比8 0 2 1 l b 相对要低，但还是无法与蓝牙相比。h o m e r f - 与8 0 2 1 l - f 4 n n 6 特定的应用领域，与蓝牙并不冲突。 从现在看来，以上三种技术都有各自的优势和应用领域，并且在很大程度上 与蓝牙相互补充。蓝牙技术具有一整套全新的协议，可以应用于更多的场合。蓝 牙技术中的跳频更快，因而更加稳定，同时它还具有低功耗、低成本和比较灵活 等特点。总的来讲，8 0 2 1 l 比较适于办公室中的企业无线网络，h o m e r f 可应用 于家庭中的移动数据和语音设备与主机之间的通信，而蓝牙技术则可以应用于任 何可以用无线方式替代线缆的场合以及嵌入式系统中，选择蓝牙系统可以更好的 与主c p u 芯片进行兼容，在今后的发展中，蓝牙无疑拥有更加广泛的应用前景。 1 2 2 蓝牙在中国 如前所述，目前实现短距离无线通信的技术除了蓝牙之外，还有8 0 2 h b 、 h o m e r f 、红外等，但蓝牙属于性价比最高的一种。蓝牙的这一特点使得它更适 合在中国发展。中国移动通信的迅猛发展以及随之而来的基础设施的逐渐健全， 为蓝牙在中国的发展和普及奠定了良好的基础。蓝牙作为一项面向个人用户的短 距离无线通信技术协议，主要用于人与人之间、人与设备之间近距离相互信息交 流，因此特别适合于在人口高度密集的地区发展与应用。与北美、北欧、澳大利 亚这样的人烟稀少的地区相比，在人口众多、商业活动密集的亚洲国家或地区， 特别是在人口绝对数量和人口分布密度均占世界前列的中国，蓝牙会发挥更大的 作用。有市场调查机构认为，蓝牙6 5 的市场是在亚太地区，而最大的市场是在 中国，而我们认为，中国率先发展蓝牙的地区将会是那些人1 3 稠密而且发达程度 较高的大中城市。 同时我们也看到，中国发展蓝牙也存在一定的障碍，如：频带干扰问题、蓝 牙的标准化问题和技术开发能力问题等。与世界上绝大多数国家一样，蓝牙运行 的2 4 g h z 频带在中国也属于可公共使用的i s m 频段，但其运行环境较国外更加 复杂，干扰较多，目前中国大陆在该频段运行的设备制式繁多，特别是一些点对 点、点对多点的扩频通信系统( 包括军用和民用) 已按电台方式运行在该频段， 它们的发射功率较大，对其它设备的干扰比较严重，对蓝牙产品的运行不利。 原则上蓝牙产品在全球所有国家和地区都能应用，但是由于2 4 g h z 频带的普遍 使用规则与某些地方的区域规定有不尽一样的地方，对中国也是如此。所以中国 必须制订适合中国国情的蓝牙规范。正是为了尽快解决这一问题，s i g 组织在中 国专门成立了t f g t 作组，承担与中国政府协调的任务，以期实现全球统一的应 用。虽然目前尚无中国蓝牙的标准，但随着中国蓝牙频段的开放，国外蓝牙产品 陆续进入中国市场，相信会加速中国蓝牙标准的制订步伐。 蓝牙产品的核心是芯片的设计与制造，而国内目前在集成电路芯片的设计和 生产能力方面与国外差距甚远，所以国内打算开发蓝牙应用产品的厂商，只能耐 心等待国外芯片技术的发展。目前蓝牙芯片实现规模化生产的时间、价格和供应 量都难以精确预计，使得这些厂家尚不能采取实质性的动作来投入蓝牙产品。 从提出蓝牙概念及技术至今，在短短的几年间蓝牙已经发展成了一个很有规 模的产业。蓝牙技术的发展不完全取决于该技术本身，而要与其他相关技术协同 发展。蓝牙最大的竞争对手是8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l b 是目前无线局域网( w l a n ) 的首选技术，二者所针对的市场应用对象不同。蓝牙是一个全世界2 0 0 0 多家公 司共同支持的全球标准，由于组织的庞大，确实在某些方面的发展比预计的缓慢， 但是这也恰恰表明，蓝牙是一个很特殊的全球标准，它的支持者之广泛超过了 g s m 或者3 g ，由此也证明了蓝牙的发展潜力将十分巨大。 1 3 论文主要内容 论文详尽描述了蓝牙协议规范，并从实现协议的角度对主机控制接口( h c i ) 规范、逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 和服务发现协议( s d p ) 进行了深入 的研究。 基于对以上蓝牙协议的研究，结合蓝牙的工作原理及协议规范、蓝牙模块的 结构原理，提出了利用蓝牙模块实现数据传输的软硬件设计方案。在系统的结构 设计中，对系统进行了较为详细的划分，对每部分完成的功能和协议的实现提出 了自己的见解。论文设计的硬件系统适用于现有的数据传输系统，可以很容易的 使各种嵌入式设备实现数据的蓝牙无线互连，特别适用于数据采集、数据传输领 域。 论文对以上内容分别进行研究：第二章概述蓝牙协议栈，介绍射频协议、基 带与链路控带4 协议和链路管理器协议，第三章剖析系统所使用的蓝牙模块的结构 原理，以及主机与蓝牙模块的连接即系统的硬件构成，第四章专题研究协议的实 现，包括了h c i 驱动程序、逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 及服务发现协 议( s d p ) 的实现，并对软件程序主体进行说明，取得了相关数据。 9 第二章蓝牙技术概要及协议规范 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性标准，它以低成本的近距离 无线连接为基础，为固定与移动通信环境建立一个特别连接，在1 0 1 0 0 m 的空间 内所有支持该技术的移动或非移动设备，可以方便地建立网络互连、进行音频通 信或直接通过手机访问互联网。 2 1 蓝牙技术概要 蓝牙支持点对点和一点对多点的通信，蓝牙最基本的网络是微微网 ( p i c o n e t ) ，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) 为应用环境的网络架构，微微网只是用来代替或简化个人区域中的电缆连 接。微微网由主设备单元和从设备单元构成，主设备单元负责提供时钟同步信号 和跳频序列，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，一个微微网中一般只有一个 主设备单元，而目前最多可以容纳7 个从设备单元。 蓝牙技术基于时分复用与跳频扩谱原理，将电路交换与分组交换相结合，适 用于语音与数据传输，既支持对称的实时同步连接，也支持不对称的非实时异步 连接，蓝牙技术目前主要以满足f c c 的要求为目标。表2 1 列出了蓝牙1 0 规范公 布的主要技术指标和系统参数。 蓝牙系统由无线部分、链路控制部分、链路管理支持部分和主终端接口 组成，如图2 1 所示： 丫 鏖哥瑟卜圈一医线电设备r 飞劁墨”l 二篮旦j 1 + 一王努瑞 图2 1 蓝牙系统结构 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 l a n 资源；支持终端的移动性；更容易查询和发现设备；信号传输不受视距的 影响，易于组网。天线的发射功率按o d b m 设计，符合f c c 关于i s m 波段的要 求，最大发射功率可达1 0 0 m w ，系统在2 4 0 2 g t - i z 到2 4 8 0 g i - i z 之间，采用7 9 1 0 个1 m h z 的频点进行跳频。其设计通信距离为1 0 厘米到1 0 米，增大发射功率可 以达到1 0 0 米。 表2 1 蓝牙技术指标和系统参数 工作频段i s m 频段，2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 双： 方式全双工，时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据传输速率 1 r b i t s 非同步信道传输速率 非对称连接时7 2 1 5 7 6 k b i t s 对称连接时4 3 3 9 k b i t s 同步信道传输速率6 4 k b i t s 发射功率美国f c c 要求 0 d b m ( 1 m w ) ，可扩展为2 0 d b m ( 1 0 0 m w ) ， 但需增加功率控制 发射距离 一般为1 0 c n l l o 啦增加功率情况下可达1 0 0 m 跳频频道数 7 9 个，每个频道带宽1 m h z 频道带宽1 m h z - - - 1 4 0 k h z ( 1 电平) ，1 7 5 k h z ( o 电平) ( 按一2 0 d b 定义) 跳频速率 1 6 0 0 次s 工作模式 活动侦听保持休眠 数据连接方式同步面向连接s c o 业务，异步无连接a c l 业务 纠错方式1 3 f e c ，2 13 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 调制技术 二进$ 1 g f s k ( b t = 0 5 ，0 2 8 h 0 3 5 ) 语音编码方式 p c m ，c v s d 接收机灵敏度 - 7 0 d b m 0 1 位误差率( b e r ) 蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍然 需要链路层和应用层的安全管理。在链路层中蓝牙提供了认证、加密和密钥管理 等功能，用于链路建立及控制的链接层消息在链路管理协议( l m p ) 中定义。每 个用户都有一个个人标识码( p i n ) ，它被译成1 2 8 位的链路密钥( l i n kk e y ) 来 进行单双向认证，认证完毕后，链路以不同长度的密码( e n c r y p t i o nk e y ) 加密， 链路层安全机制提供了大量的认证方案和灵活的加密方案，这对于来自不同国家 的设备相互通信时是极其重要的，蓝牙系统也支持高层协议栈的不同应用的特殊 的安全机制。 蓝牙软件体系是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑，适用于几种 不同商业操作系统的蓝牙规范正在完善中，蓝牙协议体系中设计协议和协议栈的 主要原则为尽可能利用现有各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术融合及各种 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和蓝牙技术规范的 开放性，便于普遍开发新的应用。蓝牙软件结构标准包括c o r e ( 核心) 和p r o f i l e ( 应用协议栈) 两大部份，c o r e 为蓝牙协议核心，主要定义蓝牙的技术细节， p r o f i l e 定义相应的实现协议栈，这样可为全球兼容性奠定基础。 蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线连接，在任意一个有效通 信范围内，所有设备的地位都是平等的，但首先提出通信要求的设备为主设备， 被动进行通信的设备为从设备，通过时分多址( t d m a ) 方式，1 台主设备最多 可同时与7 台从设备进行通信，并可和更多个从设备( 最多可达2 5 6 个) 保持同步 但不通信。所有的通信在1 台主设备与l 台从设备之间进行，而1 台从设备与另1 台从设备通信的唯一途径是通过主设备。蓝牙设备的主从身份仅在网络连接过程 中有效，一旦连接关系取消，则主从身份也就随之取消。一台主设备和一台以上 的从设备构成的网络称为蓝牙的主从网络，它可以看作一个微型的局域网，常称 之为微微网( p i c o n e t ) ，如果两个以上的微微网之间存在设备间的通信，则构成 了蓝牙的扩散网络( s c a t t e m e t ) ，也称为分布网或扩大网，基于t d m a 原理和蓝 牙设备的平等性，任一蓝牙设备在微微网和扩散网中，既可作主设备也可作从设 备，还可以同时既是一个微微网的主设备，又是另一个微微网的从设备，靠跳频 序列来识别某一时刻它是在哪一个微微网中。蓝牙所连接的设备在硬件和软件上 可以完全相同，因此在蓝牙中没有基站的概念。微微网可以重叠，但一个微微网 只能有一台主设备。蓝牙设备单元在规定的范围内和规定的数量限制下，可以自 动建立相互之间的联系，而不需要一个接入点或者服务器，凡是嵌入蓝牙技术的 设备一旦搜寻到另一台蓝牙设备，马上就可以建立联系，利用相关的控制软件， 无须用户干预即可自动建立连接并传输数据。 蓝牙所建立的网络称为a d h o c 网络，蓝牙系统的a d h o c 网络连接又与传 2 统的a d - - h o c 网络连接有所不同，传统的a d - - h o c 网络连接只构成近距离内的不 同设备之间的单一网络，而蓝牙系统的a d - - h o c 网络连接可以使不同的a d - - h o e 网络在同一区域内相互重叠，同时工作。图2 2 表示了利用蓝牙技术构成的不同 类型的网络。 图2 2利用蓝牙技术构成的不同类型的网络 2 2 蓝牙协议规范 蓝牙协议是蓝牙设备间交换信息所应遵守的规则。与开放系统互联( o s i ) 模型一样，蓝牙技术的协议体系也采用了分层结构，从低层到高层形成了蓝牙的 协议栈，各层协议定义了所完成的功能和使用的数据分组格式。蓝牙规范的核心 部分是协议栈，这个协议栈允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能 实现互操作性和交互式的应用。 蓝牙协议体系结构可分为底层硬件模块、中间协议层和高端应用层三大部 分。如图2 3 所示： 图2 3 蓝牙协议栈 底层模块是蓝牙技术的核心，是任何蓝牙设备必须包括的部分。链路管理层 ( l m ) 、基带层( b b ) 和射频( r f ) 构成蓝牙的底层模块。r f 通过2 4 g h z 无 需授权的i s m 频段，实现数据位流的过滤和传输，它主要定义了蓝牙收发器应 满足的要求。b b 层负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输，l m 层负责连接的建 立和拆除以及链路的安全和控制，它们为上层软件模块提供了不同的访问入口， 但是两个模块接口之间的消息及数据传递必须通过蓝牙主机控制器接口( h c i ) 的解释才行，即h c i 是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它提供了一个调用下层 b b 、l m 、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。h c i 协议以上的协议软件 实体运行在主机上，而h c i 以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过传输 层进行交互。 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：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 数据包既可传送 话音，也可传送数据，但在传送数据时只用于重发被损坏的那部分数据。帧内的 收发包结构必须是对称的，即必须同时包含1 个、2 个或3 个时隙。s c o 数据包 在保留的时隙内发送；一旦s c o 链路建立，主从节点就直接发送s c o 分组，无 需轮询( p o l l ) 。为了建立s c o 连接，必须先建立a c l 链路以传送控制信息。a c l 支持对称和非对称两种帧格式，a c l 的包( 不论是收还是发) 必须包含奇数个时 隙，以使整个帧的时隙数为偶数( 如l l 、1 3 或者l 5 等) 。 中间协议层包括逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 、服务发现协议( s d p ) 、 串口仿真协议( r f c o m m ) 和电话控制协议规范( t c s ) 。l 2 c a p 完成数据拆装、 服务质量控制、协议复用和组提取等功能，是其他上层协议的实现基础，因此也 是蓝牙协议栈的核心成分。s d p 为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用 的服务及特性，s d p 强调蓝牙环境的独特的特性，蓝牙使用基于客户i i 务器机 制定义了蓝牙服务类型和属性发现服务的方法，还提供了服务浏览的方法。 r f c o m m 是射频通信协议，依据e t s i 标准t s 0 7 10 在l 2 c a p 上仿真9 针r s 一2 3 2 串口的功能，通过r f c o m m ，蓝牙可以在无线环境下实现对高层协议，如p p p 、 t c p i p 、w a p 等的支持，并且，r f c o m m 可以支持a t 命令集，从而实现移动 电话和传真机及调制解调器之间的无线连接。t c s 提供蓝牙设备间话音和数据的 呼叫控制命令以及处理蓝牙t c s 设备群的移动性管理进程a 在蓝牙协议栈的最上部是高端应用层，它对应于各种应用模型的剖面，是剖 面的一部分。 应用剖面主要定义了实现具体的蓝牙产品或某些通用功能( 如建立连接和服 务发现等) 所用到的协议栈、各个蓝牙协议的互操作性要求和各功能的实现过程 等。蓝牙设备生产厂家生产的设备必须符合蓝牙s i g 定义的剖面结构，不同厂家 产品的互操作性是根据特定的业务或应用情况定义的。一个应用剖面往往建立在 另一个应用剖面的基础上，这种关系称为依附性，蓝牙1 1 规范的应用剖面颁布 了1 3 个应用剖面，后来相继单独颁布了7 个应用剖面。图2 4 给出了蓝牙应用 剖面间的依附关系，根据应用领域和相互间的依附性，将不同的应用剖面合并为 下面五大类的应用剖面： ( 1 ) 通用应用类剖面通用应用模型中的应用剖面是其他所有或多个应 用剖面的基础，它们规定了其他应用剖面普遍用到的功能流程，如查询、建立连 接和服务发现等。 ( 2 ) 蓝牙电话应用类剖面包括与电话控制和语音应用相关的应用剖面。 ( 3 ) 蓝牙连网应用剖面包括与网络应用相关的应用剖面。 ( 4 ) 对象交换应用类剖面咆括普遍采用的i r d a 互操作性协议和o b e x 协议的应用剖面，用于实现不同的数据对象的交换应用。 2 2 1 射频协议 蓝牙运行在2 4 g h z 的i s m 频段，在世界上的大多数国家这个频段是 2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z ，一些国家在这个频段范围上有一些限制，针对这些国家的特殊 性，蓝牙规范为这些国家制定了专门的跳频算法。不同的跳频频段的设备是不可 能兼容的。蓝牙为目前两种频段定义了两种信道分配方案，大多数国家的频段定 义为2 4 0 0 2 4 8 3 5g h z ，其中分配7 9 个跳频频道，每个频道宽度为1 m h z 。对 于法国等少数国家这个频段为2 4 4 6 5 2 4 8 3 5 g h z ，分配2 3 个1 m - i z 带宽跳频 信道。蓝牙采用时分双工( t d d ) 方式收发数据，采用二进制g f s k 作为调制方 式。蓝牙系统的天线发射功率按标称值0 d b m 设计，增加功率后可增加到2 0 d b m 。 具有功率控制能力的设备使用链路管理协议命令来优化链路的功率输出。 2 2 2 基带与链路控制器协议 基带就是蓝牙的物理层，它负责管理物理信道和链路中除了错误纠正、数据 处理、跳频选择和蓝牙安全之外的所有业务。基带在蓝牙协议栈中位于蓝牙无线 电之上，基本上起链路控制和链路管理的作用，比如承载链路连接和功率控制这 类链路级路由等，基带还管理异步和同步链路、处理数据包、寻呼、查询接入和 查询蓝牙设备等。基带收发器采用时分复用t d d 方案( 交替发送和接收) ，因此 除了不同的跳频之外( 频分) ，时间都被划分为时隙。在正常的连接模式下，主 设备单元总是以偶数时隙启动，而从设备单元则总是从奇数时隙启动( 尽管它们 可以不考虑时隙的序数而持续传输) 。 物理信道 信道表示为在7 9 个或2 3 个射频信道上跳变的伪随机跳频序列，每个微网的 跳频序列是唯一的，由主设备单元蓝牙设备编址确定，跳频序列的相位由主设备 单元蓝牙时钟确定。信道被划分为时隙( 时间片) 的形式，且每一时隙对应一个 r f 跳频点。连续跳频则对应于不同r f 跳频模式，理论跳频速率为1 6 0 0 跳秒， 参加微微网的全部蓝牙单元与信道保持时间和跳频同步。 信道以时间长度6 2 5 u s 划分时隙，根据微微网主节点时钟对时隙进行编码， 系统使用一个t d d 机制来使主节点和从节点在时隙中轮流进行数据传输。主设 备单元只在偶数时隙进行发送，从设备单元只在奇数时隙进行发送。 个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩展到占用5 个时隙。蓝 牙可以支持一个异步数据信道、多达s 个的同时进行的同步话音信道，还可以用 一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持6 4 k b i t s 同步话音链 路。异步信道可以支持一端最大速率为7 2 1 k b i t s 而另一端速率为5 7 6 k b i t s 的 不对称连接，也可以支持4 3 3 。9 k b i t s 的对称连接。 物理链路 基带可以处理两种类型的链路：s c o ( 同步连接) 和a c l ( 异步无连接) 链 路。 s c o 链路是微微网中单一主设备单元和单一从设备单元之间的一种点对点 对称的链路。主设备单元通过在规则间隔使用预留时隙( 电路交换类型) 的方式 保持s c o 链路。典型情况下s c o 链路支持限时信息，如话音。主设备单元可以支 持多达三条并发s c o 链路，这些链路指向相同从设备单元或不同从设备单元，而 从设备单元在链路来自同主设备单元时可以支持多达三条s c o 链路，在链路来 自不舄主设备单元时支持两条s c o 链路s c o 分组永不重传。s c o 分组用于 6 4 k b i t s 语音传输。 a c l 链路在主设备单元和从设备单元之间以分组交换方式传输数据。既可 以支持异步应用，也可以支持同步