（电路与系统专业论文）蓝牙微微网的设计及其WPAN路由拓扑优化算法的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 蓝牙是一种能在近距离连接移动设备并具有潜力的新技术。它适合嵌入移动 电话、数码相机、膝上电脑和无线耳机等设备中，让用户无须电缆就能快速便捷 互联。蓝牙对于大多数p c 厂商和电话制造商来晚是一个开放的无线互联标准。它 的主要市场是针对设备之间的数据和语音传输。 本文就蓝牙微微网的建立和无线个人区域网( w p a n ) 的路由拓扑优化问题展 丌讨论。为了更完整的表述我的观点，我同时对相关的蓝牙系统及其采用的核心 技术进行了分析。全文共分为五章，首先前两章中对蓝牙无线通信技术作了全面 的介绍，并将其与现今国际上正在使用的几种无线接入技术作了较为详细的分析 和比较；在此之后的第三章，在全面概述蓝牙系统的基础上，着重的探讨了蓝牙 系统所采用的核心技术和遵循的协议规范。期间，就蓝牙跳频干扰方面和网络安 全中存在的问题，做了重点的分析。通过分析，提出了一些可行的解决方案，或 一些针对性的建议。在文章的第四章中，围绕蓝牙w p a n 的组成单元微微网，讨论 了个建立过程的实例，使我们能够清楚看到，建立一个微微网所必须经历的步 骤。这个实例为创立蓝牙“三合一”电话微微网，针对蓝牙硬件的实现本文采用 的是飞利浦公司推出的射频芯片u a a 3 5 5 8 和基带控制芯片p c f 8 7 7 5 0 ，并实现了它 们之间的接口设计；在软件实现部分，定义了软件工作流程和实现的函数。以上 的蓝牙微微网只是蓝牙w p a n 中的一个基本的细胞单元，当蓝牙微微网交织扩展成 散射网时，将产生基于蓝牙散射网的w p a n 。本文的第五部分，针对蓝牙i i j r p a n 众 多问题中的路由拓扑优化问题进行了论述，提出了一种基于集中式的路由优化算 法方案( c r o s ) 。这种解决方案主要是在满足蓝牙w p a n 结构和容量约束条件下， 最小化瓶颈节点的流量负荷，得出其路由拓扑优化结构。 关键词：蓝牙；跳频；散射网：路由；算法；无线个人区域网 a b s t r a c t b l u e t o o t hi san e w p r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rs h o r t r a n g ew i r e l e s sc o n n e c t i v i t y b e t w e e nm o b i l ed e v i c e s i tc a nb ea p p l i e dt om o b i l ep h o n e s ，l a p t o p s ，d i g i t a lc a m e r a s ， a n dc o r d l e s sh e a d s e t sa n da l l o w su s e r st oi n t e r c o n n e c tt h e s ed e v i c e s e a s i l ya n dq u i c k l y w i t h o u tc a b l e s b l u e t o o t hi sn i l o p e n s t a n d a r df o rw i r e l e s s c o n n e c t i v i t y w i t h s u p p o r t e r sm o s t l yf r o mp ca n dc e l lp h o n ei n d u s t r i e s i t sp r i m a r ym a r k e ti sf o rd a t a a n dv o i c et r a n s f e rb e t w e e nc o m m u n i c a t i o nd e v i c e s t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s sc r e a t i o no fb l u e t o o t hp i c o n e ta n dt o p o l o g yo p t i m a l s c h e m eo fw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k t oa l lt h i n g sc o n s i d e r e d ，is i m u l t a n e o u s l y a n a l y z eb u l e t o o t hs y s t e ma n di t sc o r et e c h n o l o g i e s t h et h e s i sm o s t l yc o n s i s t so ff i v e p a r t s i nt h ef i r s ta n ds e c o n dp a r t s ，t h ea r t i c l eg e n e r a l l yd e s c r i b e st h ea r c h i t e c t u r ea n d f e a t u r e so fb l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dc o m p a r e saf e w c o r r e l a t i v ew i r e l e s st e c h n o l o g i e si nd e t a i l ，w h i c h p r e v a i la l lo v e rt h ew o r l dn o w a f t e r d o i n gi t ，t h et h i r dp a r ts y s t e m i c a l l ys u m m a r i z ea n de x p a t i a t eo i lt h ec o r et e c h n o l o g i e s a n dp r o t o c o l so fb l u e t o o t h d u r i n gd i s c u s s i n g ，ie m p h a s i z et h ep r o b l e m so f h o p p i n g 1 、r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea n ds e c u r i t yo f b l u e t o o t hs y s t e m b ya n a l y z i n gt h e s ep r o b l e m s ， i p u tf o r w a r ds o m e s o l u t i o n st ot h e m , o rs o m e p e r t i n e n ta d v i c e i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，i d e s i g ne x a m p l eo fap i c o n e tc r e a t e d ，w h i c hi s e s s e n t i a lu n i ti nb l u e t o o t hw i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k b yt h ee x a m p l e ，w ec a nd i s t i n c t l yg e tan e c e s s a r yp r o c e s so n c r e a t i n gp i c o n e t t h i si n s t a n c ei s c r e a t i o no fb l u e t o o t h 3i n 1 t e l e p h o n ep i c o n e t i n h a r d w a r e ，i u s e dr a d i oi cu a a 3 5 5 8a n db a s e b a n di cp c f 8 7 7 5 0o f p h i l i p s c o r p o r a t i o n ，a n dr e a l i z e dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e m i ns o f t w a r e ，id e f i n es o f t w a r e f l o wa n dr e a l i z e daf e wf u n c t i o n s t h e e x a m p l e m e n t i o n e da b o v ei s o n l y a f o u n d a t i o n a lu n i to fb l u e t o o t hw p a n w h e nb l u e t o o t hp i c o n e t so v e r l a pe a c ho t h e r , b l u e t o o t hw p a no nt h eb a s i so fs c a t t e r n e tw i l lb ec r e a t e i nt h ef i f t h p a r to f t h i st h e s i s ， is e l e c ta n dd i s c u s st h eo p t i m i z i n gt o p o l o g yp r o b l e mo fs o m eu n s o l v e dp r o b l e m si n b l u e t o o t hw p a n ，a n db r i n gf o r w a r dac e n t r a l i z e dr o u t i n go p t i m a ls c h e m e ( c v o s ) t h i so p t i m i z a t i o na p p r o a c hi sb a s e do nam o d e ld e r i v e df o r mt h ec o n s t r a i n so nt h e b l u e t o o t hw p a ns t r u c t u r ea n dc a p a c i t y b yu s i n gi t ，w ef i n dt h eo p t i m a lt o p o l o g y c r e a t e dt h a tm i n i m i z et h et r a f f i cl o a do ft h em o s t c o n g e s t e d n o d ei nt h en e t w o r k k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ；h o p p i n gf r e q u e n c y ；s e a t t e r n e t ；r o u t i n g ；a l g o r i t h m p e r s o n a la r e an e t w o r k h 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：碧邑辛 日期：审；年；月 学位论文版权使用授权书 1 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：j 一；年；月吖日 日期：t ；年；月占1 日 第一章绪论 在过去的十年，微电子及超大规模集成电路的迅猛发展，使各种移动设备如 手持电话、无绳电话、膝上电脑、个人数字助理( p d a ) 等得到了广泛的应用，信 息的传输主要依靠电缆将会带来极大的不便。蓝牙技术通过无线的方式把家电、 娱乐电子产品与计算机、通信系统的终端融为一体，使人们在家里、办公室或在 其他的公共场所实现统一的操作和控制，为办公室的自动化和家庭通信的实现创 造了良好的条件。 1 1 蓝牙无线通信技术产生的背景及现状 1 1 1 蓝牙技术产生的背景 人类的需求是无止境的，正是这种需求推动着技术的不断发展。现在，计算 机技术正以“摩尔定律”的速率不断向前发展，人们对计算能力和存储空间得到 满足后，又在追求设备的小型化和便携性“3 。今天，各种各样新型的便携式计算 机和通信设备层出不穷，给人们带来了新的通信和数据获取方式。随着技术的发 展，便携的数字处理设备已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( t u b 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，同时还要在被 连接的设备中安装支持专门协议的软件，在众多的个人设备间传输信息，可能需 要携带与设备一样多的连线。然而，这也未必能够确保所有设备的互连。设备之 间的信息不能共享或互连所带来的困难大大地限制了设备的实用性。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，但是在使用上具有很 大的局限性。3 。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。蓝牙现在已经发展成为个人区域网络或短距离 无线网络的标准。 最早提出蓝牙概念的是爱立信移动通信公司。在1 9 9 4 年，爱立信移动通信 公司为移动电话及电话附件之间寻找一种低功耗、低成本的无线接口。作为无线 接口首先需要规定其工作的频谱范围，对技术造价、容量和接口尺寸大小也进行 了预先规定，日的是要保证该技术具有所有线缆连接所没有的优势。该无线单元 的尺寸和功耗都必须足够小，使得它可以安装进许多便携设备中。另外该技术必 须支持语音和数据通信，最重要的是该技术应具有全球通用性。研究的结果表明 短距离无线链路方案是可行的，当设计者们开始开发收发芯片时，爱立信很快意 识到它们需要其他公司的协作来共同开发此项技术，因为发展该技术的目标不仅 是提高技术的实现及性能，更重要的是要获得来自p c 硬件、便携机和移动电话行 业的坚实的、广阔的市场支持。出于对将来解决方案之间互通性的担心，各相互 竞争的公司开始走到一起来进行技术标准化的研究”1 。 在1 9 9 8 年5 月，由e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 和t o s h i b a 公司作为原始 发起组织成立了特别兴趣小组( s i g ：s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) ，联合制定了近 距离无线通信技术标准，并于1 9 9 9 年7 月颁布了b l u e t o o t h l 0 规范。s i g 专门 致力于制定软、硬件的开放规范，以实现各种设备的跨平台操作，至今为止蓝牙 规范已经发展到1 1 版本，并继续在不断完善。蓝牙s i g 的文档有三种类型，一 是协议，规定蓝牙从无线层到最高的应用层具体要求和内容：二是协议子集 ( p r o f l l e ) ，规定某个具体应用在每个协议层次使用的具体功能和过程；三是测试 文档，描述协议和剖面实现的测试过程和方法。在1 ，0 之前的版本都是草案，1 0 之后是正式的版本。b l u e t o o t h 的名称是借用一千多年前个丹麦国王的名字， 含有将四分五裂的国家统一起来的意思，目的是通过无线通信技术和数据通信技 术的融合，在移动设备之间建立一个有效的无线连接，解决短距离无线通信的问 题。 1 1 2 蓝牙技术目前应用和发展现状 蓝牙技术的最终目的就是要建立一个全球统一的无线连接标准，使得不同厂 家生产的各种移动设备与固定设备，在近距离内都能不用电缆就可以很方便地连 接起来，实现相互操作与数据共享。虽然蓝牙无线通信的首要目标是取代设备间 的缆线，但是它也支持许多的新的应用。对于用户来说，在不久的将来，所有的 设备如笔记本电脑、鼠标、键盘、打印机、p d a 、移动电话和数码相机等都能使用 b l u e t o o t h 协议无线地连接在一起，进行语音和数据的交换“。同时，还可以 通过无线或有线的接入点( 如l a n ，x d s l 等) 与外界相连。 总的来说b l u e t o e t h 技术适用于以下三个方面的短距的无线连接： 数据和语音接入点。 替代电线和电缆。 包含硬件、软件和互操作需求的特定的网络。 蓝牙作为一种新的无线通信技术，其市场前景取决于价格和它的应用是否成 规模。未来蓝牙发展的六大趋势是：芯片价格持续下降；芯片越来越小巧；向单 芯片方向发展；与其它技术的共存：众多操作系统支持蓝牙；支持漫游功能。目 前虽然定义了不少蓝牙的应用，也有一些公司推出了蓝牙产品，但基于蓝牙的大 规模应用还未形成，蓝牙市场没有像预测那样快速扩展。然而，据a b i ( a 1 l i e d b u s i n e s si n t e l l i g e n c e ) 的一项调查显示，尽管蓝牙市场有点迟滞，但其发展没 有丝毫减缓。众多大公司纷纷加入了蓝牙技术的开发和应用中，至今已有超过 2 0 0 0 家的企业宣布支持和开发蓝牙技术及其相关产品，使蓝牙的发展呈现一片光 明，在中国蓝牙技术也正成为研究和应用的热点。 1 2 本文的主要工作 蓝牙是一种能在近距离连接移动设备并具有潜力的新技术。它是一个开放性 的、短距离无线通信技术标准，可以用于在较小的范围内通过无线连接的方式实 现固定设备以及移动设备之间的网络互连，可以在各种数字设备之间实现灵活、 安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。它适合嵌入移动电话、数码相机、膝 上电脑和无线耳机等设备中，让用户无须电缆就能快速便捷互联。 本文就蓝牙“三合一”电话微微网的建立和无线个人区域网( w p a n ) 的路由 拓扑优化问题展开讨论。为了更完整的表述我的观点，我同时对相关的蓝牙系统 及其采用的核心技术进行了分析。本文的安排是这样的。首先前两章中对蓝牙无 线通信技术作了全面的介绍并将其与现今国际上正在使用的几种无线接入技术 作了较为详细的分析和比较；在此之后的第三章，在全面概述蓝牙系统的基础上， 着重的探讨了蓝牙系统所采用的核心技术和遵循的协议规范。期间，就蓝牙跳频 干扰方面和网络安全中存在的问题，做了重点的分析。通过分析，提出了一些可 行的解决方案，并且有了一些针对性的建议。在文章的第四章中，讨论了一个蓝 牙微微网建立的实例，使我们能够清除看到，建立一个微微网所必须经历的过程。 这个实例为蓝牙“三合一”电话微微网的创立，我针对蓝牙硬件的实现采用了飞 利浦公司推出的射频芯片u a a 3 5 5 8 和基带控制芯片p c f 8 7 7 5 0 ，实现了它们之间的 接口设计；在软件实现过程部分，定义了软件工作流程和实现的函数。以上的蓝 牙微微网只是蓝牙w p a n 中的一个基本的细胞单元，当蓝牙微微网交织扩展成散射 网时，产生了基于蓝牙散射网的蓝牙w p a n 。本文的第五部分，针对蓝牙w p a n 众 多问题中的路由拓扑优化问题进行了论述，提出了一种基于集中式的路由优化算 法方案( c r 0 s ) 。这种解决方案主要是在满足蓝牙w p a n 结构和容量约束条件下， 最小化瓶颈节点的流量负荷，得出其路由拓扑优化结构。 3 第二章蓝牙系统及相关技术比较 2 1 蓝牙无线通信技术特点及组网 2 1 1 蓝牙技术的特点 蓝牙无线通信技术是一种无线数据和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，为移动设备之问建立了一种特别的连接方式。 b 1 u e t o o t h 系统工作在无须授权的2 4 g h z 的工业、科研及医学( i n d u s t r i a l 、 s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频带，其频带宽度为2 4 g h z 一2 4 8 3 5 g h z “。系统采 用跳频技术( f h s s ) 抗信号衰落，使用快跳频的短分组技术减少同频干扰来保证 传输的可靠性，采用前向纠错f e c 技术来减少远距离传输时的随机噪声影响。在 i s m 频带上正常通信时以1 6 0 0 跳s 的速率进行跳频，摄多可有7 9 个i m h z 的信道 ( 在少数国家分配有2 3 个i m h z 的跳频信道) ，有效数据交换速率可达到 7 2 0 k b i t s 。 作为一种新兴的技术，b l u e t o o t h 主要具有以下特点： 规范的开放性。蓝牙技术开放性赋予了它强大的生命力，只要是s i g 的成员， 都有权使用蓝牙这种新技术，无须付费。 短距离无线性。蓝牙技术最初是以取消连接各种设备之间的连接电缆为目标， 它能通过无线的方式将各种设备在近距离内联成个人网络，使设备之间实现无缝 的资源共享。 提供低价、鲁棒的、大容量的语音和数据网络。蓝牙无线通信技术同时支持 语音和数据传输，就使得各种支持语音或数据的设备，或者是两者都支持的设备 问能够互相通信，是统一各类近距离通信的理想选择。 在世界任何地方都能通信。b l u e t o o t h 工作在2 4 g h zi s m 频段，使各国不受 无线通信资源限制，因此不管用户在什么地方，具有蓝牙功能的设备都无须做任 何修改。 蓝牙产品的互操作性及兼容性。由于遵循同样的规范，不同厂商生产的产品， 只要经过s i g 认证，可实现互操作性和数据共享，达到完全兼容。 使用快速跳频( 1 6 0 0 跳秒) 避免干扰；在干扰下，使用短数据分组来尽可能 增大容量。 空中接口经过严格设计使功耗最小；发射功率能自适应。 对人体安全影响不大，蓝牙产品的输出功率一般是i m w ，大大低于微波炉和 移动电话的输出功率，并很少被人体吸收。 2 1 2 蓝牙技术的组网 4 蓝牙在组网时最多可以有2 5 6 个蓝牙单元设备连接起来组成微微网 ( p i c o n e t ) ，其中一个主节点和7 个从节点处于工作状态，而其他的节点则处于 空闲模式。b l u e t o o t h 采用时分双工( t d d ) ，商斯频移键控( g f s k ) 调制方式， 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，即面向连接的同 步链路( s c o ) 和面向无连接的异步链路( a c l ) “1 。 蓝牙r f 定义了三种功率级别，即1 0 0 m w ，2 5 m w 和i m w ，当蓝牙设备功率为 1 m w 时，其发射范围一般可达l o m 。为了在很低的功率下也能使蓝牙设备处于连接 状态，蓝牙规范定义了两种基带状态即连接状态和待机( s t a n d b y ) 状态。在连接 状态中有四种模式：活跃、呼吸、保持、休眠，功率消耗依次减少”1 。 蓝牙网络模型是对等通信的一种，基于邻近组网的原则，两个彼此靠近到一 定程度的设备可以自发的建立通信连接。其通信的拓扑结构可分为三种：单从属 设备微微网( s i n g l es l a v ep i c o n e t ) 、多从属设备微微网( m u l t i s l a v e p i c o n e t ) 、 散射网( s c a t t e r n e t ) “1 。其结构如图2 1 所示： f f 、1 是1 凄瀑：；) i 匿咽曩医删蠲 j 、囱j 、童j 、囟 鱼。 小s i n g l es l a v ep i c o n e t b ) m u l t i - s l a v ep i c o n e t c ) s c a t t e m e t 图2 1 蓝牙网络通信拓扑结构 2 1 3 蓝牙技术协议模型 蓝牙协议模型主要包括： 物理层，即蓝牙无线接口( r f ) ； 核心协议，基带( b a s e b a n d ) 协议、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 命令集等 2 1 4 蓝牙技术指标和系统参数 蓝牙无线通信技术主要参数目前大都满足美国f c c 的要求标准” b l u e t o o t h l 1 规范已公布的主要技术指标和系统参数见表2 1 5 表2 1 蓝牙技术指标和系统参数 技术指标和系统参数说明 t 作频段i s m 频段，2 4 g h z 一2 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 i m b i t s 非同步信道速率非对称连接7 2 i k b i t s 5 7 6 k b i t s ，对称连接4 3 2 6 k b i t s 同步信道速率 6 4 k b i t s 功率美国f c c 跳频频率数7 9 个频点1 m h z 跳频速率 1 6 0 0 次秒 工作模式 p a r k h 0 1 d s n i 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 鉴权采用质询一响应方式 信道加密采用0 位、4 0 位、6 0 位密钥 语音编码方式连续可变斜率调制c v s d 发射距离一般可达1 0 c m 一1 0 m ，增加功率可达l o o m 2 2 蓝牙与当前相关无线技术的比较 蓝牙在相关领域并非独一无二的，目前仍存在许多具有竞争实力的无线技 术，主要有i r d a 、h o m e r f 、i e e e 8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 等。 2 2 1 lr d a 与b lu e t o o t h 红外技术是蓝牙技术的主要竞争者之。红外技术是使用8 5 0 n m 的红外光 传输语音及数据。在传输视角方面，红外信号要求设备之问必须具有无障碍的直 线信道，其传输方向视角不大”1 ，给普通的使用者带来不便，然而在很多需要良 好的保密性和方向性的特殊场合，如现在兴起的手机银行业务，个人资料传输等， 这时，红外的视角小的特点便成了很好的优势。而蓝牙技术采用的是无线射频技 术，它可以在全方位进行数据和语音信号的传输。在传输距离方面，蓝牙技术比 红外技术有着很大的优势最远可达百米，红外技术必须将设备放置得足够近，因 为一般红外的通信距离最大不能超出i m 。在传输速度方面，目前蓝牙技术的通信 速度仅为7 2 1 k b s ，远远低于红外传输速度1 6 m b s 。如果你想要通过红外传输端 口下载一个i o m 的软件或下载一首4 m 的m p 3 歌曲只需几秒钟，而通过蓝牙技术传 输一个相同的文件的速度和时间则是让人不能接受的。红外技术的应用已有近七 6 年的历史，技术非常成熟，它的最大优势是价格低廉，甚至低于利用线缆连接的 成本。目前蓝牙产品的价格太高，只有等到蓝牙设备的大规模量产后价格才会 降低。 表2 2 红外与蓝牙的参数对比 红外技术蓝牙技术 技术红外光( 8 5 0 n m ) 射频技术( 2 4 g h z ) 方向性视角1 5 。全方位 传输距离1 米i 0 1 0 0 米 传输速度高速率( 0 卜1 6 m b p s ) 7 2 i k b p s 连接方式点对点点对多点 价格低于5 美元2 0 2 5 美元 市场超过1 5 亿的设备安装，年增长率约为4 0 刚开始进入市场 误码率i o e 一8 i o e - 3 安全性无须加密需加密 这两种技术都能够支持很多相同的应用，两种技术各有所长并且红外和蓝牙 之问互相补充、相互竞争、互相结合。经过前面的对比，可以看出蓝牙的出现给 我们提供了更方便更多样的无线传输方式，而非一种技术取代另一种技术的关系。 2 2 2h o m e r f 与b i u e t o o t h ， 另一个与蓝牙共享2 4 g h z 频段的无线技术叫做家庭无线( h o m er a d i o f r e q u e n c y ，h o m e r f ) ，它主要为家庭网络设计，是i e e e 8 0 2 1 1 与d e c t 韵结合， 旨在降低语音数据成本。h o m e r f 采用了扩频技术，能同步支持4 条高质量语音信 道。它通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信，既可以通过 时分复用支持语音通信，又能通过载波监听多重访问冲突避免协议提供数据通信 服务。同时，h o m e r f 提供了与t c p i p 良好的集成，支持广播、多播和4 8 位i p 地址。现在有1 0 0 多家成员公司支持该项技术，其中很多成员也同时属于蓝牙s i g 。 家庭网络在美国有大量的用户，在欧洲也有很大的发展潜力，是蓝矛技术的 有力竞争者。现在许多的家庭有多于一台的p c 机，他们可用h o m e r f 来联网共享 i n t e r n e t 连接，进行多用户游戏或和朋友聊天，可以互不影响。h o m e r f 技术由 h r f w g ( h o m e r fw o r k i n gg r o u p ) 开发，其核心成员有c o m p a q 、爱立信、摩托罗 拉、i b m 、i n t e l 、微软等厂商，其目的是在家庭环境下为p c 和家用消费电子产品 之间的无线数字通信制定公开的工业规范。h r f w g 把在家庭环境下开发的无线通 信规范称作s w a p ( s h a r ew i r e l e s sa c c e s sp r o t o c 0 1 ) ，它能在不同的厂商生产 的消费电子产品间实现互搡作性，、提供灵活和可靠的无线解抉方案8 1 。s w a p 能够 让用户在家庭的任何地方接入i n t e r n e t ，共享i s p 连接，共享文件、调制解调器、 7 打印机等，各种电子产品及小型应用在家庭环境中能够摆脱电缆的束缚，呈分布 式分布在家庭的各个地方。 蓝牙的应用范围要比h e m e r f 的应用范围更广泛。无论在何处蓝牙设备可以 自动连接另外的蓝牙设备，而h o m e r f 设备的范围就相对要小，不能在离开受控的 家庭环境之外通信。就传输速率和距离来说，蓝牙目前以i m b i t s 进行数据传输， 而h o m e r f 的传输速率也只有1 2m b s ，二者相差不多，它们将来都最终会达到 1 0 m h i t s 以上。蓝牙在将来的3 g 移动通信系统中将会发挥更大的作用，它可以 通过移动电话作为接入设备接入i n t e r n e t 组成个人区域网( p a n ) ，并且在l o m 范围( 加大功率可到1 0 0 m 范围) 自动捕获设备灵活组网，实现点对点的连接。 h o m e r f 则主要针对家庭i n t e r r i e r 接入市场，如我们可以在家里共享i a t e r n e t 连 接并利用无绳电话在i n t e r n e t 上搜寻食谱菜单。这两种技术在某些地方类似并有 重叠，但基本上是针对不同的市场，我们可以有选择的采用合适的技术。 2 2 3i e e e 8 0 2 11 与b ! u e t o o t b i e e e8 0 2 1 1 是无线局域网络标准，与蓝牙技术标准是针对两种完全不同的 应用。蓝牙设备功耗低，用于在1 0 m 的短距离内传送数据，其速率最高为1 m b s ； 8 0 2 1 l 的速率能够达到1 m b s 或2 m b s 甚至1 1 m b s ，通信距离覆盖的范围可达 1 0 0 米，适用于办公室和校园安装电缆不方便或不经济的环境“”3 。无线局域网 的用处在于减少电缆，不在于实现每天在家庭和办公室来回携带的移动设备之间 的互连，而后者正是蓝牙无线技术的用武之地。8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l a 是8 0 2 i 1 中 的两个扩展标准，8 0 2 i l a 工作在5 g h z 频段，传输速率高达5 4 m b s ，而工作在 2 4 g h z 频段的8 0 2 1 l b 是应用较广泛较成熟的无线技术，传输速率最高1 i m b s ， 适合于家居环境。 表2 3i e e e e s 0 2 1 1 系列与蓝牙的参数对比 8 0 2 1 18 0 2 1 l b8 0 2 1 l ab l u e t o o t h 频率2 4 g h z2 4 g h z 5 g b z2 4 g h z 带宽l 2 m b p s可达1 1 m b p s 可达5 4m b p s 1 m b p s 距离l o o m 功率增加可扩展 l o o m5 l o k m 1 0 m l o o m 业务数据数据图像语音数据图像语音数据 i e e e 8 0 2 1 1 采用载波侦听多路访问冲突避免( c s m a c a ) 介质访问协议， 遵从i e e e8 0 2 3 以太网协议1 。8 0 2 1 1 规定了开放式系统互联参考模型( o s $ r m ) 的物理层和m a c 层，定义了跳频扩频方式( f h s s ) 以及直扩方式( d s s s ) 。与蓝牙 榴比较，i e e e 8 0 2 1 1 系列w l a n 系统的设计主要是将局域网的连通性服务以无线 的方式扩展到个人计算机上，而蓝牙微微网可以在各种各样的具有不同功率和计 s 算能力的设备之间自然地生成。在开发和制造方面，i e e e 8 0 2 1 1 占据优势，但其 制造成本高，价格贵。 2 2 4h i p e r l a n 与b l u e t o o t h 在2 4 g h z 的i s m 频段，由于开放的原因造成了多种技术共存，产生了频带 拥挤，h i p e r l a n 也是其中之一。h i p e r l a n 于1 9 9 5 年制定，它是欧洲第一个由e t s i 制定的2 4 g h z 频段的无线标准8 ”，它提供a dh o c 、对等服务及传统的客户服 务器模式，速率可达1 m b i t s 或2 m b i t s 。尽管它设计时考虑到了健壮性，能与 其他的系统共存并避免干扰，但它的设计者已经意识到频段的拥挤并有意识的将 此频段让于蓝牙技术。他们重新设计了h i p e r l a n 系统，这就是现在众所周知的 h i p e r l a n 2 。h i p e r l a n 2 工作在5 g h z 频段，速率提升到最高可达5 4 m b i t s ，系 统设计了较高的数据传输率和较好的服务质量( q o s ) ，支持声音传输和数据传输， 对于声音数据的传输其优先级高于其他的数据传输“。 从技术的视角来说，h i p e r l a n 系统能够和蓝牙系统能够共存，但较高的能源 消耗使它不能应用于采用电池的小型便携式设备。现阶段h i p e r l a n 系统价格比较 昂贵，应用处于初级阶段，主要应用范围为欧洲的无线网络互联。 2 3 小结 从上面的比较可以看到，i r d a 比较适合应用于廉价的无遮拦的直线数据传 输，8 0 2 1 1 及h i p e r l a n 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 以用无线方式取代电缆的场合。目前这些技术还处于并存状态，从长远看，随着 产品与市场的不断发展，它们将走向融合，箍蓝牙是其中较具竞争力的主导技术 之。 9 第三章 蓝牙微微网核心技术与协议栈的研究 蓝牙体系采用的技术是当今较为成熟的技术，目的是为了更好的利用目前的 资源，并与众多的成熟无线系统兼容。虽然这样，但是蓝牙系统本身仍然具有许 多独有的技术特点。在本章中，我就蓝牙采用的核心技术、协议栈及协议子集做 一些深入的探讨和研究。 3 1 蓝牙核心技术应用及其改进 3 1 1 公共频段的射频技术 蓝牙设备工作在全世界各个国家接受的i s m 频段，目前多数国家采用 2 4 0 0 0 g h z 一2 4 8 3 5 g h z 频段，分配7 9 个信道，每个信道为1 m h z 带宽 ( f = 2 4 0 2 + k m h z ，k = o ，7 8 ) ，对于少数国家如法国，频段为2 4 4 6 5 g h z 一 2 4 8 3 5 g h z ，分配2 3 个i m h z 带宽信道( f = 2 4 5 4 + k m h z ，k = o ，2 2 ) 均采用了跳频扩 频通信，进行了必要的干扰估计和适合的干扰处理0 1 。如蓝牙系统留有保护带， 对于7 9 信道系统，下保护带是2 m h z ，上保护带是3 5 m h z ，这样减少了带外的辐 射和干扰。蓝牙使用的调制方式是高斯移频键控( g f s k ) ，以= 进制的格式来传输 数据，用正频偏代表二进制l ，负频偏代表二进制0 。其b t - - o 5 ，调制指数在0 2 8 到0 3 5 之间。蓝牙利用接收机信号强度指示即r s s i 功能进行功率控制，限定蓝 牙设备的发射功率，以优化功耗和总的干扰电平。功率发射可分为三个级别即 1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ，2 5 m w ( 4 d b m ) ，l m w ( o d b m ) ；有效通信距离1 0 i r r 一1 0 0 m 。在功率级 别为l o o m w 的设备，必须具有功率控制功能，能将其功率调整到4 d b 以下。 除此之外，蓝牙标准还对收发过程的杂散辐射、干扰和带外截止等做了详尽的 规定，以保证数据传输的安全。 3 1 2 固态和动态的编址技术 蓝牙设备地址( 肋a d d r ) 是一个4 8 比特长的地址。以电子方式“记录”在 每个设备上，它是一个蓝牙设备最稳定的实体“1 。在全球的所有蓝牙设备中，每 个设备的肋一a d d r 都是唯一的。为了保证唯一性，由一个地址管理机构分配 b d a d d r 。b d a d d r 是一个i e e e4 8 比特地址，类似i e e e 8 0 2 x x 局域网设备的媒 体接入控制( m a c ) 地址。从最低到最高位可分为三段：低端地址2 4 比特( l a p ) ， 高端地址8 比特( u a p ) ，非有效地址1 6 比特( n a p ) 。其中u a p 及n a p 共2 4 位， 由地址管理机构分配，构成唯一的标识符，l a p 则由各组织自行分配“3 。这样在 肋_ a d d r 上，使用一些算法即可获得各种跳频序列、接入码等安全i d ，保证鉴权 1 0 和通信保密。 蓝牙除了有唯一的硬件地址外，根据链路连接状态还有3 种基本类型的动态 设备地址： a m a d d r ：a m _ a d d r 是3 比特长的活动成员地址，它是从属设备加入微微网时， 主设备分配的活动成员通信地址，其中所有比特位为0 的a m a d d r 都用于广播消 息。在呼吸( s n i f f ) 模式和保持( h o l d ) 模式中，从属设备也被认为是微微网中 完全合格的活动成员，因此它继续使用加入微微网时分配给它的a ma d d r 。 a ra d d r ：a ra d d r 是接入请求地址( a c c e s sr e q u e s ta d d r e s s ) ，被暂停状 态并进入休眠状态的从设各使用该地址。它是为了快速有序地重新加入微微网， 主设备给从设备分配的两个临时的8 比特地址之一( 另一个是p ma d d r ) 。 a r a d d r 用来排列休眠设备重新进入微微网的次序，按照这个次序可以减少发生 冲突的可能性 p m _ a d d r rp ma d d r 是休眠成员地址( p a r k e dm e m b e ra d d r e s s ) ，8 比特临时 地址。用于区分2 5 5 个体眠设备( 从属) ，采用休眠设备的4 8 比特b da d d r 可以 唤醒这些休眠设备，但是使用更短的p m _ a d d r 可以提高唤醒多个休眠设备的效率。 地址o x 0 0 是一个保留的p ma d d r 的地址。 3 1 3 跳频扩频通信技术及其干扰改进 1 、跳频扩频原理 扩频通信，即扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ，是采用伪随 机编码调制待传送韵信息数据，实现频谱扩展后再传输；接收端刚采用相同的编 码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。现在按照扩展频谱方式不同，可分 为：直接序列扩频方式、跳变频率方式、跳变时间方式、宽带线性调频方式和混 合方式“1 。在蓝牙设备的通信中，选用了跳频扩频工作方式，这是蓝牙系统使用 的关键技术之一。所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频 率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地 跳变。图3 1 为跳频的原理示意图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照 不同的码字去控箭频率合成器。在图中可以看出，跳频系统的关键部件是跳频器， 它通常是利用伪随机发生器来产生跳频指令的，或者由软件编程来产生跳频指令。 在蓝牙体系中，跳频的瞬时带宽是很窄的，通常为l 姗z ，但通过扩展频谱技术 使这个窄频带成百倍地扩展成了宽频带，这样使得信息的传输、保密性及抗于扰 性都得到了加强。 信息 信启， 图3 1 跳频的原理