（通信与信息系统专业论文）bluetooth基带部分关键算法及其dsp实现.pdf

童室堕窒堕丞盔堂堡主堂垡鲨壅一 摘要 、吖b l u e t o o t h ( 蓝牙) 是由e r i c s s o n 等五家世界级的计算机和通信公司作为原始发 起组织而推出的一种低成本、短距离的全球无线多媒体通信标准。它能在内置 b 1 u e t o o t h 系统的设备之间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据和语音 通信 本文在对b l u e t o o t h 系统进行概述之后，着重对其基带协议中的部分关键算法进 行研究，介绍了b l u e t o o t h 数据包的结构和类型、数据的编码和白化等基带数据流处 理算法以及b l u e t o o t h 跳频算法和链路控制的基本过程。并且，我们借助t i 公司 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的d s k ，编制了适于5 4 0 2d s p 芯片的汇编程序，实现了上述算法 的功能，为今后对b l u e t o o t h 的进一步开发和应用打下了一定的基础。 关键词：b l u e t o o t h ，基带，d s p ，跳频通信 里坦! 塑! 尘茎堂塑坌羞堡簦鎏墨基堕塞塑 a b s t r a c t b l u e t o o t h t e c h n o l o g y i sa n o p e ns p e c i f i c a t i o n f o r s h o r t - r a n g e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k i n gb e t w e e np c s ，m o b i l ep h o n e s ，a n do t h e rd e v i c e s i ti s d e f i n e da n dp r o m o t e db yt h eb l u e t o o t hs i g ，ac o m p u t e r t e l e c o m m u n i c a t i o n sc o n s o r t i u m o r i g i n a l l yc o n s i s t i n g o fe r i c s s o n ，i b m ，i n t e l ，n o k i a ，a n dt o s h i b a t h i st e c h n o l o g yi s d e s i g n e dt oa l l o w1 0 w - c o s t ，1 0 wp o w e r ，c o n v e n i e n ta n df l e x i b l ew i r e l e s sc o n n e c t i o n sf o r b o t hv o i c ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h eb l u e t o o t hd e v i c e s a t i e rt h eg e n e r md e s c r i p t i o n so ft h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g y ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e k e ya l g o r i t h m so fb a s e b a n di nb l u e t o o t h w ei n t r o d u c et h es t r u c t u r e sa n dt y p e so ft h e b l u e t o o t hp a c k e t s ，b a s e b a n db i t s t r e a mp r o c e s s i n ga l g o r i t h m si n c l u d i n gf e ce n c o d i n g ， d a t aw h i t i n g h o ps e l e c t i o n ，e t c ，a n dt h ec h a n n e lc o n t r 0 1p r o c e s s w ea l s oi m p l e m e n tt h i s a l g o r i t h m sb a s e d o nt h et i sd s p t m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2 t h i sw o r ki ss o f t w a r e b a s e d d e s i g n e d a n di sh e l p f u lf o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so f b l u e t o o t h k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，b a s e b a n d ，d s p ，h o p p i n gc o m m u n i c a t i o n 壹室堕窒堕丕盔堂堡主堂堡堕塞 1 1引言 第一章绪论 当今世界，无论你身处何处都能强烈地感受到信息化给我们带来的冲击。 i n t e r r e t 的大潮席卷全球，使人们的生活与工作方式甚至思维方式都发生了巨大的变 化。随着i n t e m e t 和移动通信的相互融合，极大地推动了无线通信技术的发展。 b i u e t o o t h 技术( 中文可翻译为“蓝牙”技术) 就是其中一种正在发展中的低功耗、 短程无线通信技术标准。它能在内置b l u e t o o t h 系统的设备之间实现方便快捷、灵活 安全、低成本、低功耗的数据和语音通信。 b l u e t o o t h 是由五家世界级的计算机和通信公司( 爱立信e r i c s s o n ，国际商用机器 i b m ，英特尔i n t e l ，诺基亚n o k i a ，和东芝t o s h i b a ) 作为原始发起组织而推出的种 低成本、短距离、小范围的全球无线多媒体通信标准。最初，b l u e t o o t h 是想解决移 动电话与其外围配件的无线连接问题，后来逐渐发展成为一种短距离无线链路概 念。b l u e t o o t h 已于1 9 9 9 年7 月2 6 日推出了b l u e t o o t h 技术规范的1 0 版本，将其推 向应用阶段。目前b l u e t o o t h 的标准已经发表了1 0 b 的可生产版本，预计在2 0 0 1 年 就会有产品出现在市面上供消费者购买。 b l u e t o o t h 借用l o 世纪统一了瑞典、芬兰和丹麦的丹麦国王的名字来命名，其 用意不言而喻。b l u e t o o t h 的目标就是建立个全球统一的无线连接标准，在小范围 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 ( 包括数字照相机、数字摄像机等) 以及各种家用电器用廉价的无线电缆( w i r e l e s s c a b l e ) 连接起来。 b l u e t o o t h 已成为目前通信领域的一个新热点，2 0 0 0 多家企业积极投身于 b l u e t o o t h 的研究及开发应用之中。截止到2 0 0 0 年底，加入b l u e t o o t hs i g ( s p e c i a l i n t e r e s tg r o u pb l u e t o o t h 特别兴趣小组) 的企业或组织已达2 1 6 4 家之多。它极有可 能在不远的将来成为个人通信领域无线多媒体通信的国际标准。 本章，我们首先对b l u e t o o t h 系统进行概述，介绍了b l u e t o o t h 系统的基本技术 体制、主要特征性能参数以及链路类型，并简要讨论了b l u e t o o t h 协议栈结构及网络 拓扑。然后我们介绍了课题的来源，讲述了选择b l u e t o o t h 技术进行研究的原因，并 总结了作者所进行的工作及意义。最后给出了本篇论文的篇章结构。 呈! ! ! ! ! 些薹堂塑坌苤壁篁鲨垄基垡里墨翌l 一 1 2b l u e t o o t h 系统概述 1 2 1b i u e t o o t h 基带的基本技术体制、主要性能参数及链路类型 b l u c t o o t h 系统工作在2 4g h z 的i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n c ea n dm e d i c i n e ) 频段。在 全球绝大多数国家中，此频段范围为2 4 0 0 - 2 4 8 3 5 m h z ，该频段无需申请许可证。依 据各国的具体情况，以2 4 5g h z 为中心频率，最多可以得到7 9 个im h z 带宽的r f 信道( r fc h a n n e l s ) ，有些国家，如法国、西班牙和日本等国，只能获得2 3 个r f 信道。在欧美等国家中，可获得的r f 信道情况可查阅表1 1 。 在我国，国家无线电委员会对2 4 g h z 频段的管理办法中规定：工业、科学、 医疗设备无线电磁波辐射频段( i s m 频段) 占用2 4 0 0 2 5 0 0 m h z ；扩频数据通信的 工作频段为2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 。因此，我国与美国及大多数欧洲国家一样，在该频段 中可获得7 9 个r f 信道。 b l u e t o o t h 系统所采用的调制方式为b t = 0 5 的g f s k ( 高斯滤波频移键控) ， 调制指数在o 2 8 到o 3 5 之间，基带符号速率为1 m s y m b o l s s ，因此，最大频率偏移 在1 4 0 1 7 5 k h z 之间。b l u e t o o t h 设备的最大发射功率分为三个等级，分别是：1 m w ( 0 d b m ) 、2 5 m w ( 4 d b m ) 和1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ，在4 2 0 d b m 范围内要求采用功率控 制。因此，b l u e t o o t h 设备问的最大有效通信距离约可达到l o 1 0 0 米。 每一个b l u e t o o t h 设备都分配一个固定的4 8 b i t s 设备地址码( b da d d r ) 。 b d _ a d d r 由2 4 b i t s 的l a p ( l o w e ra d d r e s sp a r t ) 、8 b i t s 的u a p ( u p p e ra d d r e s s p a r t ) 和1 6 b i t s n a p ( n o n - s i g n i f i c a n ta d d r e s sp a r t ) 三部分组成。目前，在b l u e t o o t h 的各种算法中，通常只使用l a p 和u a p 两部分，它们组成地址码的有效部分，因 此总地址空间的大小达到2 ”。b da d d r 在基带算法中一般作为算法的输入参数， 具有非常重要的作用。 b l u e t o o t h 系统采用t d m a ( 时分多址) 的多址方式和t d d ( 时分双工) 方式 实现全双工通信，标称时隙宽度( s l o tl e n g t h ) 为6 2 5 t s 。信道上，信息以数据包 2 壹壅堕至堕丕杰兰堡主兰垡鲨塞一 ( d a c k e t ) 的形式传输，一个数据包通常占用一个时隙( s l o t ) ，但有些类型的数据 包可以扩展到占用3 5 个时隙。 为了能在充满噪声与干扰的无线环境中使链路安全可靠地工作，b l u e t o o t h 系统 采用跳频扩频技术( f h s s ) 以对抗干扰与衰落。与工作在同一频段的其它技术相 比，b 1 u e t o o t h 无线技术采用了更频繁的跳频和更小的分组数据，可以更好地增强抗 干扰能力。b l u e t o o t h 的跳频速率一般为1 6 0 0h o p s s ( 单时隙分组情况) ；对于多时 隙分组，跳频速率有所降低：而在建立链路过程中，跳频速率则提高为3 2 0 0 h o p s s 。使用这样高的跳频速率，使b l u e t o o t h 系统具有足够高的抗干扰能力。 为了保证通信的可靠性，b l u e t o o t h 设备可采用1 3 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) 或2 3 f e c 进行纠错，当信道条件良好时，也可不采用纠错编码。对于数 据通信，还可采用加c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 及a r q ( a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ) 的方法，进一步提高数据通信的可靠性。 b l u e t o o t h 的话音编码可采用6 4 k b p s 的l o gp c m 或c v s d ( 连续可变斜率调 制) 。另外，b l u e t o o t h 还采用加密及鉴权的方法来提高通信的安全性。 b l u e t o o t h 基带协议是电路交换与分组交换的组合，它支持实时的同步面向连接 链路( s c o 链路) 和非实时的异步无连接链路( a c l 链路) 。前者主要用于传输话 音等实时性强的信息，后者则以数据传输为主。b l u e t o o t h 的每路话音通道支持 6 4 k b p s 的同步话音通信。在仅传输话音时，最多支持3 路全双工话音通信。对于数 据传输，异步信道最高支持4 3 3 9k b p s 的对称全双工通信或7 2 3 2 5 7 6 k b p s 的非对 称全双工通信。 1 2 2b l u e t o o t h 协议体系结构 和大多数通信协议一样，b l u e t o o t h 协议也采用分层结构，完整的b l u e t o o t h 协 议栈( p r o t o c o ls t a c k ) 如图1 1 所示。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用 而有所不同。 b l u e t o o t h 协议包括b l u e t o o t h 专利协议( 如：l m p 和l 2 c a p 等) 以及非专利协 议( 如：对象交换协议o b e x 和用户数据报协议u d p 等) 。设计协议和协议栈的 主要原则是：尽可能她利用现有的各种高层协议，保证现有协议与b l u e t o o t h 技术的 融合以及各种应用之间的互通性，并且充分利用兼容b l u e t o o t h 技术规范的软硬件系 统。b l u e t o o t h 技术规范的开放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b l u e t o o t h 技术规范基础上开发新的应用。 b l u e t o o t h 协议体系中的协议可分为四层： 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 sb i n a r y 、a t 命令集) ： 3 坠型! 董堂塑型塑塑型鬯型l 一 可选协议( 如p p p 、u d p t c p i p 、o b e x 、w a p 、v c a r d 、v c a l 、i r m c 、 w a e 等) 。 除了上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口( h c i ) ，它为基带控制 器、链路管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。在图1 1 中，h c i 位于 l 2 c a p 的下层，但h c i 也可位于l 2 c a p 的上层。 b l u e t o o m 核心协议由s i g 制定的b l u e t o o t h 专利协议组成，绝大部分b l u e t o o t h 设备都需要核心协议( 加上无线部分) ，而其它协议则可根据应用的需要而定。总 之，电缆替代协议、电话控制协议和被采用的其它协议在核心协议的基础上构成了 面向应用的协议集。 l b l u e t o o t hr a d i o ( 蓝牙无线部分) l l m p ：链路管理l 2 c a p ：逻辑链路控制与适应协议 p p p 点对点协议r f c o m m 串行电缆仿真协议 u d r用户数据报协议 w a p ： 无线应用协议 o b e x对象交换协议t c s ：电话控制规范二进制 h c i主机控制接口 s d p 业务搜索协议 图1 1b l u e t o o t h 协议的体系结构 由于b l u e t o o t h 核心协议的重要性，以下再对核心协议部分各协议的功能作简单 介绍。 基带协议：基带和链路控制层的功能是确保微微网( p i c o n e t ) 内各b l u e t o o t h 设 备单元之间的射频物理链路。 链路管理协议( l m p ) ：链路管理协议负责b l u e t o o t h 各设备间链路的建立和控 制。 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) ：l 2 c a p 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 采用了多路复用、分割和重组及群提取等技术，向上层提供面向连接 的和无连接的数据服务。 童室塾窒塾丕盔堂堡主堂垡鲨壅 服务发现协议( s d p ) ：s d p 是所有用户模式的基础。使用s d p ，可以查询到 b i u e t o o t l 】射频覆盖范围内的设备信息和服务类型，从而在b l u e t o o t h 设备间建立相应 的连接。 1 2 3b i u e t o o t h 的网络拓扑结构 b i u e t o o m 根据网络的概念支持点对点和一点对多点的通信。b l u e t o o t h 最基本的 网络单元是微微网( p i c o n e t ) 。而微微网实际上是一种个人区域网，它并不能够代 替局域网，只能用来代替或简化个人区域内的电缆连接。 在任意一个有效通信范围内，当链路尚未建立时，所有设备的地位都是平等 的。在需要进行信息传输时，首先提出通信要求的设备为主设备( m a s t e r ) ，被动 进行通信的设备则为从设备( s l a v e ) 。有效通信范围内的主、从设备集合就构成了 一个微微网。微微网中，信道的特性完全由主设备决定，它负责提供同步时钟信号 并确定信道接入码以及跳频序列及其相位。而从设备受控同步，并接受主设备的控 制。在同一微微网中，所有设备均采用同一个跳频序列( 根据主设备确定) 。 在一个微微网中，只能有一个主设备，它最多可以和7 个从设备进行通信，同 时它还可以与多个从设备( 最多达2 5 5 个) 保持同步但不通信。各种微微网的组成 情况如图1 2 所示。其中( a ) 为只有一个主设备和一个从设备的情况。而( b ) 为 一个主设备和多个从设备的情况。 不同的微微网之间也可以互相连接。b l u e t o o t h 协议指出，几个相互独立且并不 同步的、有重叠覆盖区的微微网可构成分散网( s c a t t e m e t ) ，如图1 3 所示。每个微微 网采用各自的跳频序列，相邻或相近的不同微微网采用不同的跳频序列以避免干 扰。个从设备可参与不同的微微网，而一个微微网中的主设备同时也可以作为另 一个微微网中的从设备，我们把这种设备称为复合设各。 图1 2 微微网结构 图1 3 分散网结构 b l u c t o o t h 薹堂塑坌苤壁竺鲨垦基里婴塞堡 一一 1 3关于本课题的研究 1 3 1 课题来源和研究的意义 本课题是南京微盟电子有限公司“家庭范围内无线接入”项目组的预研课题。 课题的研究目的是为开发家庭无线网络设备选择合适的技术标准，并对其中的关键 技术进行研究和加以实现，为今后的进一步开发打下一定的基础。 随着计算机技术、无线通信技术和网络技术的日趋成熟以及电脑和各种智能化 电器用品不断涌入普通百姓家庭，家庭网络系统正呼之欲出。一旦“家庭网络”的 概念得以实现，必将对我们的生活和工作带来革命性的影响。因此，目前即对与家 庭网络有关的课题进行研究，发现其中的技术难点并加以解决，为将来开发实用的 家庭网络设备提供知识储备，这显然具有极大的价值，同时也是本课题的意义所 在。 1 3 2 选择b l u e t o o t h 技术进行研究的原因 确立研究课题以后，我们广泛收集了相关资料。对于家庭网络的无线解决方 案，目前尚未形成统一的标准，其中有代表性的主要有：i e e e 8 0 2 1 l b 、h o m e r f 和 b l u e t o o t h 。 i e e e 8 0 2 1 1 b 是无线局域网标准，可工作在9 0 0 m h z 或2 4 g h z 频率上，采用直 接序列扩频( d s s s ) 或跳频扩频( f h s s ) 技术，其资料传送速度快，无论采用哪 种扩频方法，均可达到1 2m b p s 的数据速率。若采用直扩，数据率甚至可达到1 l m b p s 。但是这种技术价格昂贵，更重要的是它不支持声音传输，因此，较适用于办 公室无线局域网，而非家庭网络。 b l u e t o o t h 技术标准与h o m e r f 均采用2 4 g h z 的无线跳频扩频技术，传输速率 目前均为1 - 2m b p s 。两者的主要区别在于，h o m e r f 的共享无线接入协议 ( s w a p ) 主要是侧重于p c 及其外设的无线局域网；而b l u e t o o t h 则主要是为便携 式移动计算设备或手持式通信信息设备所设计的技术规范。h o m e r f 使用几种协议 支持声音信道，并且通过i e e e 8 0 2 1 l 传输数据，因此其费用比b l u e t o o t h 技术高。 而b l u e t o o t h 技术以其低成本( 随着集成度的提高，预计到2 0 0 2 2 0 0 4 年b l u e t o o t h 芯片的价格可降到5 美元以下) 、低功耗( 在备用模式下仅需0 3 m a ) 、较高的数 据传输速率( 总速率为1m b p s ，计划下一代产品将达到2m b p s ) 、以及开放的标 准，引起了众多厂家的兴趣。如前所述，目前已有超过2 0 0 0 家企业加入了 b l u e t o o t hs i g 。一项公开的全球统一的技术规范得到了工业界如此广泛的关注和支 持是以往所罕见的。这说明基于b l u e t o o t h 技术的产品将具有广阔的应用前景和巨大 的潜在市场。 6 塑室堕窒堕丕盔堂堡主堂垡熊塞 一 在美国等一些发达国家，家庭计算机的普及率很高，如美国拥有两台计算机的 家庭已超过1 5 0 0 万。因而其家庭联网的主要对象将是计算机及其外设，h o m e r f 的 s w a p 协议则恰好是为此所建立的。而我国则拥有世界之最的巨大的家用电器市 场，移动电话手机用户的增长也非常迅速。便携式信息终端是真正面向个人的网络 终端，拥有的市场前景也十分广阔。因此，就中国当前信息技术的普及情况来看， 基于b l u e t o o t h 技术建立家庭网络是较为适合的选择。 总之通过比较分析可以看出，各种标准都是根据不同的使用场合，不同的用 户需求而制定的。因此，用户应该根据实际的需求来选择适合自己的标准。我们认 为，b l u e t o o t h 技术更适合我国目前的情况，它受到如此广泛的关注和支持，以及它 的极低的成本，使得它具有更为广阔的应用前景与市场前景，这些都是我们最终选 择b l u e t o o t h 技术进行研究的重要原因。 1 3 3 作者所做的主要工作 在确立研究课题以后，作者围绕本课题进行了学习和研究，主要完成了以下一 些工作： 在广泛收集文献资料的基础上，通过比较分析，考虑到技术本身的特点及其 应用开发的前景等因素，确定以b l u e t o o t h 无线传输协议为技术标准来进行课题的研 究： 了解b l u e t o o t h 协议的基本特点和主要性能参数，确定重点研究b l u e t o o t h 基 带部分的规范。并对b l u e t o o t h 基带协议中的关键算法进行了阅读理解和分析； 在b l u e t o o t h 基带协议中，虽然介绍了基带处理的各种算法，但并未指出具 体如何实现。我们最终确定采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 为核心，编制实现 b l u e t o o t h 基带协议中大部分关键算法的软件： 利用t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的d s k 评估板构造硬件电路，完成对软件的初步测 试，结果表明所编制的软件能正确完成相应算法的功能。由于程序较大，在本文中 没有列出其清单。 研究并编制d s p 软件实现了b l u e t o o t h 的跳频算法，初步分析了其中信道跳 频序列的性能。 1 4 本文的篇章结构 第一章，即本章，对b l u e t o o t h 系统进行了概述，介绍了b l u e t o o t h 系统的基本 技术体制、主要特征性能参数以及链路类型，并简要讨论了b l u e t o o t h 协议栈结构及 网络拓扑。然后介绍了课题的来源，总结了作者所进行的工作及意义。 b i u e t o o 坐茎堂塑坌羞壁簦鲨壑基旦翌塞墨一 第二章介绍了b i u e t o o t h 基带协议的部分关键算法，包括：b l u e t o o t h 基带数据 流的处理、数据的c r c 校验、白化、纠错编码算法、基带的差错控制算法、以及无 线接入等内容。 第三章我们给出了上述算法的具体d s p 软件实现。讲述了算法的实现原理、编 程思想以及具体的算法流程。 第四章我们专门讲述了b l u e t o o t h 的跳频算法及其软件实现，并对其中信道跳频 序列的性能进行了初步的分析。 最后，在结束语中，总结全文，讲述了作者在对b l u e t o o t h 基带协议进行了学习 和研究之后，所得到的一些体会和认识。展望了b l u e t o o t h 的发展及应用前景，并指 出了今后有待深入和完善的地方。 南京堕窒堕丞盔堂堡主堂垡鲨塞一 一 一 第二章b l u e t o o t h 基带协议的部分关键算法 2 1引言 在第一章中，我们已经介绍了b l u e t o o t h 协议栈的体系结构。其中的基带协议属 于b i u e t o o t h 的专利协议，它是b l u e t o o t h 协议栈中的重要协议，是其上各层协议的 基础。如前所述，基带协议主要对物理层和链路控制层进行描述，具体包括：物理 信道的定义与描述、基带各种数据包结构的定义、基带数据流的差错控制、链路控 制过程等内容。我们对b l u e t o o t h 协议的研究也着重于基带部分。 在本章中，我们首先引入了b l u e t o o t h 时钟和物理信道的概念，然后介绍了 b i u e t o o t h 数据包的结构和类型、数据的c r c 校验、白化、纠错编码算法等基带数据 流的处理算法。接着讨论了b l u e t o o t ha c l 链路的差错控制流程以及b l u e t o o t h 的无 线接入过程。关于b l u e t o o t h 的跳频算法，我们将在第四章中详细介绍。 2 2b l u e t o o t h 时钟 每个b l u e t o o t h 设备内部都有一个系统时钟，用来决定收发定时和跳频频率。这 个时钟来源于一个自由运行的本地时钟，它从不调整和关闭。为了与其它b l u e t o o t h 设备同步，只需在本地时钟上加偏移，提供临时b l u e t o o t h 时钟，使它们相互同步。 b l u e t o o t h 时钟的分辨率至少为发送接收时隙长度的一半，即3 1 2 5 脚。通常，我们 用一个2 8 b i t s 的计数器来表示该b l u e t o o t h 时钟，其最低位的分辨率取为3 1 2 5 娜， 即触发脉冲频率为3 2 k h z 。因此，该计数器循环一周的时间，即b l u e t o o t h 时钟的 周期为2 2 3 1 2 5 地，约为一天时间。 在不同的工作状态下，b l u e t o o t h 设备所使用的时钟也有不同。b l u e t o o t h 基带协 议共定义了三种时钟：本地时钟( c l k n ，n a t i v ec l o c k ) 、估计时钟( c l k e ， e s t i m a t e dc l o c k ) 和主设备时钟( c l k ，m a s t e rc l o c k ) 。c l k n 即为上述每个 b l u e t o o t h 设备内部的系统时钟，它是其它时钟的基础。c l k 是一个微微网中的主时 钟。对于主设备，它即为其本地时钟c l k n ；而对于从设备，可在其本地时钟上加 一个偏移来获得c l k ，从而实现与主设备的同步。c l k e 是在链路建立过程中，主 设备对从设备本地时钟的估计，它是通过在主设备本地时钟上加上偏移来获得的。 在下文中，我们还要用到b l u e t o o t h 时钟的概念。而通常所说的b l u e t o o t h 时钟 值指的就是2 8 b i t s 计数器的值。 旦坐! ! ! ! 坐茎堂塑坌苤壁蔓鎏垦基望翌薹垫 2 3物理信道与射频信道 第章中，我们已经引入了射频信道( r fc h a n n e l s ) 的概念，它是在2 4 g h z 频段内以1 m h z 为间隔来划分的。r f 信道的数目为7 9 或2 3 。但在b l u e t o o t h 基带协 议中，信道的概念更常指的是物理信道。 物理信道由在7 9 或2 3 个r f 信道上跳变的伪随机跳频序列来表征。当微微网 建立以后，所有工作在连接状态的b l u e t o o t h 设备均处于同一个物理信道上。表征该 物理信道的伪随机跳频序列由这个微微网中唯一的主设备的b l u e t o o t h 设备地址码 ( b da d d r ) 来确定，而其跳频相位则由主设备的时钟来决定。 物理信道被分成宽度为6 2 5 筒的一串时隙。通常，每个时隙对应一个跳频频 率，因此标称跳频速率为1 6 0 0h o p s s 。每个时隙都根据主设备的时钟进行编号，从 o 到2 ”一1 ，周期为2 ”。其中，主设备在偶数时隙上发射，在奇数时隙上接收，相 应的，各个从设备在偶数时隙上接收，在奇数时隙上发射，以此实现全双工通信。 图2 1 描述了上述情况。 2 4 b l u e t o o t h 基带数据流的处理 2 4 1b l u e t o o t h 基带数据包结构 在讨论基带数据包结构之前，我们先定义如下原则 最低有效位( l s b ) 用6 。表示； l s b 最先发送； 在示意图中，l s b 位于最左边。 在以下的讨论中，我们都遵循此原则。 童室塾窒堕墨盔兰堡主堂垡鲨塞 基带数据包是b l u e t o o t h 系统在无线物理信道上传输的最小单位，其一般格式如 图2 2 所示。 图2 2b l u e t o o t h 数据包的一般结构 图2 2 中，接入码( a c c e s sc o d e ) 和数据包头( h e a d e r ) 具有固定长度，分别 为：7 2 b i t s 和5 4 b i t s 。而有效载荷( p a y l o a d ) 部分的数据长度则是可变的，最小为0 b i t ，最大可以达到2 7 4 5 b i t s 。数据包的类型不同，其结构也有差异。有的数据包没 有p a y l o a d 部分，有的数据包即没有p a y l o a d 部分，也没有h e a d e r 部分。注意：当 数据包没有h e a d e r 部分时，其接入码的固定长度减为6 8b i t s 。 下面，我们对这三个部分逐一进行介绍。 2 4 1 1 接入码( a c c e s sc o d e ) 每个数据包的开头都包含接入码，接入码主要用于同步、直流偏置补偿和信道 识别。共有三种类型的接入码，分别为：信道接入码( c a c ) 、器件接入码 ( d a c ) 和查询( i n q u i r y ) 接入码( i a c ) 。这三种接入码分别用于不同的操作模 式。信道接入码主要用于微微网的识别以及微微网中所有设备之间的同步。器件接 入码用于寻呼( p a g e ) 过程中的器件识别与同步。而查询接入码则用于查询过程中 的设备查询。这三种接入码的区别仅在于产生它们所需的2 4 b i t sl a p 地址不同。如 表2 1 所示。 接入码包括前置码( p r e a m b l e ) 、同步字( s y n c w o r d ) 和后缀码( t r a i l e r ) 这 三个部分，如图2 3 所示。 l s b46 4 4m s b e 三 二二三三互 ：量量 图2 3 接入码的一般结构 堡! 堂堂茎堂整坌羞壁蔓鲨垦茎旦翌皇婴l 一 前置码和后缀码用来进行直流补偿。当同步字的最低位( l s b ) 是1 时，前置 码为1 0 1 0 ；当同步字的最低位是0 时，前置码为0 1 0 1 。当同步字的最高位是1 时， 后缀码为0 1 0 1 ；当同步字的最高位是0 时，后缀码为1 0 1 0 。 同步字是由设备地址码的低2 4 b i t s ( l a p ) 经过计算得到的6 4b i t s 长的数据 字。同步字的产生基于一个( 6 4 ，3 0 ) 校验码和一个6 4b i t s 长的伪随机噪声序列( p n 序 列) 。这个( 6 4 ，3 0 ) 校验码可以保证由不同地址产生的同步字之间具有足够大的汉明 距离( b l u e t o o t h 任意两个同步字之间汉明距离的最小值为d m i n = 1 4 ) 。而伪随机噪 声序列则提高了接入码的自相关性能。 如图2 4 所示，同步字的产生过程如下： 1 根据b l u e t o o t h 地址码的2 4 b i t sl a p 生成3 0b i t s 的信息序列。其中，l a p 可 表示成多项式形式口( d ) = a o + q d + + 口”d ”( a o 为l a p 的最低位l s b ) 。由 l a p 的最高位口2 3 确定所加的6 b i t s 数据。当a 2 3 = o 时，加上0 0 1 1 0 1 ，当口：，= 1 时，加 上11 0 0 1 0 。这样做的目的是进一步提高同步字的自相关性能。 2 将3 0b i t s 信息序列与6 4b i t sp n 序列p ( d ) 的p ，4 p 6 3 位相异或。6 4b i t s 的 p n 序列e ( d ) 可由线性反馈移位寄存器( l f s r ) 来产生，它的值是固定的，用1 6 进制形式可表示为p = 3 f 2 a 3 3 d d 6 9 8 1 2 1 c l 。其中，p o 在最左边，等于0 ，p 6 ，在最 右边，等于l 。 i ， 宣室堕窒堕丕盔堂堡主堂堡垒塞一 3 所得的3 0b i t s 数据经( 6 4 ，3 0 ) 编码产生6 4b i t s 的码字( c o d e w o r d ) 。该( 6 4 ，3 0 ) 分组码的生成多项式可表示成g ( d ) = ( 1 + d ) g 。( d ) ，其中，g ( d ) 为( 6 3 ，3 0 ) 二进制 b c h 码的本原多项式，用八进制表示为1 5 7 4 6 4 1 6 5 5 4 7 。因此，g ( d ) 的生成多项式 用八进制形式可以表示为2 6 0 5 3 4 2 3 6 6 5 1 ，最左边比特对应于最高系数g ，。 4 将所得的码字再与p n 序列p ( d ) 的全部6 4b i t s 数据相异或，得到所需的6 4 b i t s 同步字。 由于各同步字之间具有足够大的汉明距离，且同步字拥有良好的自相关性能， 因此，可以利用同步字来提高定时同步精度和实现信道识别。 2 4 1 2 数据包头( i i e a d e r ) 数据包头中包含了重要的链路控制信息，它由六个域组成，如图2 5 所示。 l s b3 4 1 1 l8m s b 图2 5 数据包头结构 其中，a m a d d r 是主设备为了区分各个从设备，给每个正在参与通信的从设 备分配的个3 比特长的临时地址。由于a ma d d r = 0 用于主设备给从设备的广播 包以及f h s 包中，因而只有7 个临时地址可用。这就是我们在第一章中指出，在一 个微微网中最多可有7 个从设备同时与主设备进行通信的原因。 4 b i t s 的t y p e 描述了数据包的类型。关于b l u e t o o t h 数据包的类型我们将在 2 4 2 节“数据包类型”中详细介绍。 f l o w 用于对在a c l 链路上传送的数据包进行流量控制。当接收端的接收缓冲 器满了，返回一个停止标志( f l o w = 0 ) 来暂时停止数据传送：当接收缓存器清空 后，返回个传输标志( f l o w = i ) 。如果没有接收到数据包或接收的数据包头错 误时，默认f l o 、v 三1 。 a r q n 用来证实含有c r c 的有效载荷数据是否被成功传输。如果接收成功，正 标志a c k ( a r q n = 1 ) 被返回；相反，负标志n a k ( a r q n = 0 ) 被返回。s e q n 则 用于重传机制下确定该数据包是重发包还是新包。如果是重发包，s e q n 值保持 不变。否则s e q n 值需变化。 h e c ( h e a d e re r r o rc h e c k ) 用来保证数据包的完整性。它可以用如图2 6 所示的 线性反馈移位寄存器( l f s r ) 来产生，其特征多项式可以表示为 g ( d ) = d 8 + d 7 + d5 + d 2 + d + 1 。 曼! ! ! ! ! ! 生薹堂塑坌羞堡墼垦基旦墅皇塑坠 图2 6 产生h e c 的l f s r 在产生h e c 前，l f s r 需要进行初始化。通常情况下，使用主设备的8 b i t su a p 对l f s r 初始化，但在寻呼过程中，主设备发射的f h s 数据包使用从设备的u a p 进 行初始化，而在查询过程中，从设备发射的f h s 数据包使用d c i ( = o x 0 0 ，d e f a u l t c h e c ki n i t i a l i z a t i o n ) 来初始化。 接收时，对接收的h e a d e r 有效数据部分按与上述相同的方法计算其h e c ，并 与接收到的h e c 进行比较，如果相同即认为接收的有效数据部分正确，如果不相 同，则认为接收数据发生了错误。 由于数据包头信息非常重要，因此对其( 包括8 b i t s 的脏c ) 进行1 3f e c 编 码，形成5 4 比特长的数据。以此保证接受端能够得到正确的数据包头。 2 4 】3 有效载荷( p a y l o a d ) 有效载荷可分为两种类型：语音有效载荷和数据有效载荷。在a c l 链路中传送 的数据包，其有效载荷中只含有数据有效载荷，而在s c o 链路中传送的数据包，其 有效载荷中只含有语音有效载荷( d v 数据包例外) 。 数据有效载荷包括三个部分：有效载荷头( p a y l o a dh e a d e r ) 、有效载荷体 ( p a y l o a db o d y ) 和c r c 码( 例外的是：a u x l 数据包没有c r c 码) 。语音有效载 荷较简单，它的长度固定，没有有效载荷头，没有c r c 。因此，下文我们着重分析 数据有效载荷。 p a y l o a dh e a d e r 规定了逻辑信道( 2 b i t s 的lc h 标志) 、逻辑信道的非实时流量控 带l j ( 1 b i t s 的f l o w 标志) 和有效载荷长度标志( l e n g t h ) 。p a y l o a dh e a d e r 的格式如图 2 7 和图2 8 所示。 l s b21sm s b 匡正三国 图2 7 单时隙数据包情况 l s b2 19 4m s b 图2 8 多时隙数据包情况 从图中可以看出，单时隙和多时隙数据包的p a y l o a dh e a d e r 仅是l e n g t h 域的长 度有所不同，其余各域的长度及作用完全相同。 壹壅塾至塾丕丕堂堡主堂焦鲨塞 一一 在b i u e t o o t h 基带部分，共定义了五种逻辑信道( l o g i c a lc h a n n e l ) ：l c 信 道、l m 信道、u a 信道、u i 信道和u s 信道。l c ( l i n kc o n t r 0 1 ) 信道就是数据包 头( h e a d e r ) 部分，用于传输各种控制信息。l m ( l i n km a n a g e r ) 信道用于在主设 备和从设备的链接管理器之间传输控制信息。u a ( u s e ra s y n c h r o