（通信与信息系统专业论文）蓝牙无线通信技术的研究和蓝牙耳机应用的开发与实现.pdf

中文摘要 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种新的用于建立短距离无线通信网络的无线接入技术， 它具有方便、灵活、成本低和功耗低等优点，并且在全球范围内技术标准是完全 开放的。经过多年的论证和发展，这项技术已经同臻完善和成熟，具有非常广阔 的应用前景。 本论文选择蓝牙技术为研究对象。首先对蓝牙通信技术协议规范进行j 深入 地研究，并着重论述了规范的各个协议层，包括基带层、射频、链路管理层、逻 辑链路控制与适配层、服务发现协议以及串r 】仿真协议。其次，根据蓝牙耳机的 丌发特点，详细介绍了本课题采用的蓝牙单芯片软件门。发平台b l u e l a b 和硬件玎 发平台，并对其函数库和a p l s 进行了描述。存此基础之上，分析蓝牙技术在移 动电话中的应用，根据蓝牙h e a d s e t 的原理，实现了h e a d s e t 和语音例关之恻从 协议栈底层到上层蓝牙链路的建链过程( a c l 、l 2 c a p 、r f c o m m 链路) ，并 设计出h e a d s e t 高层应用的系统流程，最终实现软件编程和调试。同时，基于英 国c s r 公司( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ) 的蓝牙芯片b l u e c o r e 2 一e x t e r n a l ，完成了 蓝牙耳机的硬件系统设计，并提出具体解决的方案。 总之，本文主要为了实现蓝牙技术的一个应用模型一无线蓝牙耳机，在此之 上，较全面地论述了蓝牙通信技术的协议规范及监牙应用丌发的方法及步骤，掌 握了蓝牙无线接入这门新技术，为将来进步地深入研究蓝牙技术、玎发蓝牙产 品奠定r 峰实的基础。 关键字：f 蓝牙1 协议舰范】 b l u e e o r e 2 一e x t e r n a l 【b l u e l a b 】 蓝牙耳目 a b s t r a c t b l u e t o o t hi sa no p e nt e c h n o l o g ys p e c i f i c a t i o nf o rw i r e l e s sa c c e s st os h o r t r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a san e ww i r e l e s st e c h n o l o g y ，b l u e t o o t hi s c h a r a c t e r i s t i co fm a n ya d v a n t a g e s ，b e i n gn l o r ec o n v e n i e n t ，m o r ef l e x i b l e ，a n da tl e s s c o s ta n dp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n di t i sc o m p l e t e l yo p e na r o u n dt h ew o r l da f t e r s e v e r a ly e a r s d e m o n s t r a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nr a t h e r c o n s u m m a t ea n dm a t u r e a n di t sa p p l i c a t i o ni sa l s op r o m i s i n gi nt h ef u t u r e t h et h e s i ss t r e s s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g yf o r t h er e s e a r c ho b j e c t f i r s to fa l l ，i d e e p l yr e s e a r c h e dt h ep r o t o c o ls p e c i f i c a t i o no fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y ，i n c l u d i n gr f ， b b ，l m p , l 2 c a p , a n dr f c o m m t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fb l u e t o o t h h e a d s e t ，ip r e s e n t e de m b e d d e db l u e t o o t hs o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ( b l u e l a b ) a n d h a r d w a r ed e v e l o p m e n tk i td e t a i l e d l y ，a n dd e s c r i b e dl i b r a r i e sa n da p i sb a s e do nt h e a 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 nt h em o b i l et e l e p h o n e ，1a n a l y z e dt h ep r i n c i p l e o fb l u e t o o t hi t e a d s e t ，i n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fl i n kf r o mb o t t o ms t a c ku pt o h i g h e rl a y e r s ( a c l ，l 2 c a p , r f c o m m ) a n da p p l i c a t i o nm o v e m e n t ，a n dw o r k e do u t t h ep r o c e s so fs y s t e ma n da p p l i c a t i o ns o f t w a r er e a l i z a t i o ni na d d i t i o n ，id e s i g n e d h a r d w a r em o d e lo fb l u e t o o t hw i r e l e s sh e a d s e ta n ds o l u t i o nu s i n gc s r s b l u e c o r e 2 e x t c r n a lm o d u l ea n dat 0 0 1s e to fb l u e l a b i nc o n c l u s i o n ，t h et h e s i sd i s c u s s e sb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o na n db l u e t o o t h d e v e l o p m e n to nt h eb a s i so fb l u e t o o t hh e a d s e t ，m a k e su sl e a r nt h ec o r et e c h n o l o g yo f b l u e t o o t h ，a n ds e t su paf i r m l yb a s ef o rf u t u r ec o m p l i c a t e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i nb 1 u e t o o t h k e yw o r d s ：f b l u e t o o t h 】 b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n 】 b l u e c o r e 2 一e x t e r n a l 【b l u c l a b j 【b l u e t o o t hh e a d s e t 】 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究j 作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字同期 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁垄盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有天数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 乃觅字导师签名：、留匹砷 签宁同朗：o 牛年口l 月a o 日签字f = f 期：勘v 年月如h 第+ 章绪论 第一章绪论 1 1 蓝牙技术的发展现状和趋势 随着计算机网络和移动电话技术的迅猛发展，人们越来越迫切需要发展一定 范围内的无线数据与语音通信。正是在这种大环境下，以爱立信为首，由血家i t 界巨人e r i c s s o n ，t o s h i b a ，i b m ，i n t e l 和n o k i af1 9 9 8 年0 月共l 刊提出 了一种近距离无线数字通信的技术标准，这就是蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术。这项技 术公以i 后，迅速得到包括摩托罗拉、朗讯、康柏、西门子、高通、3 c o m 、t d k 等大公司在内的许多厂商的支持和采纳。到目前为止，已经有2 0 0 0 多家公司和 机构宣布加入蓝牙特别兴趣小组( s i g ) ，其中包括许多世界著名的计算机、通 信、家电业厂商以及汽车、照相机制造商。 b l u e t o o t h 的日标是在一定范围内的移动设备、各种信息传输设备乃至于各 种电器设备之间建立起无线链接。就目前的发展来看，b l u e t o o t h ，。品将会较快 地和如下设备或系统融为一体，从而提供新的服务。 1 各种电话系统 b l u e t o o t h 产品将会首先应用于数字手机、家庭及办公室电话等系统中，实 现真诈意义上的个人通信。例如三合一电话，这种应用模式允许一部移动 乜话既 可以作为标准的蜂窝电话，也可以用作无绳电话与语音接入点( 无绳电话基站) 进行连接，还可以用作内部通信设备，与其他邻近的设备直接进行通晒。 目韵，国际上各大手机制造商都在加紧丌发b l u e t o o t h 手机，无绳电话和卡j + 线电话的制造商也感受到b l u e t o o t h 带来的挑战和机遇，竞桐研发带确b l u e t o o t h 功能向新产品，这些都将推动蓝牙技术迅速发展。 2 无线电缆 b l u e t o o t h 基于无线电缆的概念，使信息传输设备除电源线外再无其它连线， 甚至包括键盘、鼠标等也采用无线传输。b l u e l o o t h 企图建立一个全无线的工作 坏境和生活环境，由于这些设备类多量广，无论是硬体还是软件，都有着极) i t e j 商机。 3 无线公文包 以便携式计算机和掌上计算机为代表，采用无线方式和其他设备或嘲络4 _ | _ | 连 接，使人们拥有个流动的办公室。b l u e t o o t h 标准已制定了和训算机以及与 第一章绪论 i n t e m e t 、p s t n 、i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k l 、l a n 、w a n 、 x d s l ( xd i g i t a ls u b s c r i b e r l o o p ) 等网络的接口协议，其目标是用单一的b l u e t o o t h 标准来建立起和众多国际标准的连接。目前它用i m b s 的速率已完全可以胜f i 这 些工作，将来根据i e e e8 0 2 1 5 的发展计划，可以将速率提高到2 0 m b s 以卜。 4 各类数字电子设备 数字照相机、数字摄像机等设备装上b l u e t o o t h 系统，可免去使用电缆的小 便，随时随地将所摄图片或影像通过同样装上b l u e t o o t h 系统的手机或其他设备 传回指定的计算机中。 p d a ( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t ) 装上b l u e m o t h 系统后，采用无线方式收、发 e - m a i l 甚至浏览网页将更为方便。 b l u e t o o t h 的硬体电路可以做到微型化，在h e a d s e t 上应用非常合适。装上 b l u e t o o t h 系统的h e a d s e t 可以使它和手机进行无线连接，也可以使人存小范围内 自由走动地打电话、收听音乐，在较大的范围内召丌电话会议，应用前景十分诱 人。 微型化、低功耗和低成本的特性给b l u e t o o t h 在人们r 常生活中的应用丌拓 了近乎无限的空间。例如，b l u e t o o t h 构成的无线电电子锁比其它非接触式中子 锁或i c 锁具有更高的安全性和适用性，各种无线电遥控器( 特别是汽车防盗和 遥控) 比红外线遥控器的功能更强大。 5 电子商务 b l u e t o o t h 的安全保密特性将大大扩展现有电子商务系统的功能。例如，i j 用它在很多消费场合构成电子付账系统，宾馆接待处的电子登i 己服务等。 6 将来的应用 现在蓝爿：技术的发展显然已经超出了当初的没想，一整套的蓝牙系统可以用 一个手机控制家中的任何电器，包括加上了“蓝牙卡片”的门窗。 b l u e t o o t h 芯片的微型化和低成本将为它在家庭和办公室自动化、家庭蜞乐、 电子商务、_ 丁业控制、智能化建筑物等场合开辟广阔的应用前景。 1 2 蓝牙技术与其它相关技术的比较分析 作为一种近距离的无线通信技术，蓝牙技术并不是唯一的。甘前无线个人区 域网( w p a n ) 的技术中，主要有工作在24 g 频段上的i e e e 8 0 21 1b ，h o m e r f ， 以下针对它们的特点分别进行比较。 i e e e 8 0 21 1 b 无线以太网协议最初是以支持在大工作区内实现无线漫游为日 的丌发的。它只规定了开放式系统互联参考模型( o s l r m ) 的物理层和m a c 第一章绪论 层，其m a c 层利用载波监听多重访问冲突避免( c s m a c a ：c a r r i e rs c n s c m u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 协议，而在物理层，8 0 21l 定义了冲 l 不同的物理介质：红外线、跳频扩谱方式( f h s s ：f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ) 以及直扩方式( d s s s ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 。8 0 2 1 1 支持 i 1 1 m b p s 较高的数据速率，但是它只支持数据通信，为进行无线数掘通信，数 据设备先要安装有无线网卡。 i e e e 8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室 局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限f 数据仔墩，速率 最高只能达到2 m b s 。目前，3 c o r n 等公司都有基于该标准的无线嘲 一 由于i e e e 8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继推出了i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 1 a 两个新标准。三者之间技术上的 主要差别在于m a c 子层和物理层。 i e e e 8 0 2 1 1 b 物理层支持5 5 m b s 和l l m b s 两个新速率，i e e e 8 0 2 1 l 标准在 扩频时是一个1 1 位调制芯片，而i e e e 8 0 2 “b 标准采用一种新的调制技术 c c k ( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ，补码键控) 完成。i e e e 8 0 2 ，1 1 b 使用动态速率 漂移，可因环境变化，在1 1 m b s 、5 5 m b s 、2 m b s 及l m b s 之间切换，且在2 m b s 、 l m b s 速率时与i e e e s 0 2 1 1 兼容。 i e e e 8 0 2 1 1 a 工作在5 g h zu n i i 频带，物理层速率可达5 4 m b s ，传输层达 2 5 m b s 。采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术：可提供2 5 m b s 的无线 a t m 接口和1 0 m b s 的以太网无线帧结构接r ，以及t d d r 1 1 d m a 的空巾接| _ i ； 支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户 终端。但是，芯片仍在研制阶段，没有进入巾场、设备昂贵、空中接力不好、点 对点连接很不经济、不适合小型设备。值得庆幸的是，r a d i a t a 的低成本c o m s 无线引擎芯片装置可支持i e e e 8 0 2 1 l a 。 h o m e r f 是专门为家庭用户设计的。h o m e r f 利用跳频扩谱方式，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。同8 0 21 l b 相比，h o m e r f 从一丌始设计上就是为了满足消费者在家庭网络上的需求。除r 提供良好的服务质量外，简单、保密、易用是很显著的特点。存家庭网络 ， h o m e r f 是消费者适合的选择。 h o m e r f 是i e e e 8 0 2 1 1 与d e c t 的结合，旨在降低语音数据成本。h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4 g h z 频带，能同步支持4 条高质量语音信道，f h 目前h o m e r f 的传输速率只有1 2 m b s 。f c c 建议增加到1 0 m b s 。 第章绪论 蓝牙技术与上面两种技术不同，它具有一整套全新的协议，可以应用于更多 的场合。蓝：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。 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。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性， 局部最优不等于全局最优。因此，用户应视实际需求选择适合自己的标准。 总的来讲，8 0 2 1 l b 比较适于办公室中的企业无线网络，h o m e r f 可以应用 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。目前这些技术还处于并存的状态，但是可能 引起干扰等问题，从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们将走向融合，尽 管它们可能在边缘上是竞争的，但在本质上是互补性的。蓝牙以其低成本，接入 的快捷性、方便性来形成大量电子设备之间的无线数据传输、同步平台。 1 3 本文主要研究工作 蓝牙耳机提供了一个安全、h a n d f r e e 的途径来发送和接收呼叫并进行语音传 输。尤其当用户不方便手持手机的时候，这种方式显得尤为便利。 蓝牙耳机的使用者可以在能保持连接的范围内自由移动，而不必和音频设备 绑在一起。而且用户可以将同一个耳机用于多种设备，因为蓝牙规范提供了个 标准的接口，所以用于电话通信的耳机也同样可以用束与固定的语音接入点，入 无绳电话基站进行通信，此外耳机还可以完成与计算机的音频交互。将来的耳机 还可能1 了立体卢音响、便携式c d 播放机和录音设备进行通信。蓝牙_ = ：机允许不 同的设备放置在各自方便的地方，移动终端甚至u r 以放进口袋或公文包早。通过 语音识别并利用已经使用的语音技术，将来的蓝牙耳机可以作为实现电话通信的 唯一用户接口。 本论文的主要工作是在深入分析研究蓝牙通信技术协议规范1l 版本( f 称 “蓝牙规范”) 的基础上，根据蓝牙耳机所要完成的功能，实现监二j 上层切、议栈 功能，在h e a d s e t 和语音网关之间建立蓝牙通信链路并实现高层的应用。 本系统是利用英幽c s r ( c m n b r i d g es i l i c o nr a d i o ) 公司的蓝牙芯片 b l u e c o r e 2 一e x t e r n a l 和会瓯蓝牙硬件平台来进行丌发的。 本论文共分六章，具体安排如下： 第一章是绪沦，对论文进行总的概括； 第二章是蓝习：协议规范的介绍，按照从底层到高层的顺序分层讨论了蓝二j 。舰 范的各核心协议； 第一章绪论 第三章和第四章分别介绍了蓝牙硬件丌发平台及c s r 的单芯片丌发工具 b l u e l a b ，首先针对硬件平台的特点，介绍该平台所具备的功能及其硬件资源， 然后，介绍了b l u e l a b 的作用、a p i 接口和库函数； 第五章介绍了蓝牙耳机的硬件系统架构，并对主芯片b l u c c o r c 2 一e x t c r n a l 进 行了描述： 第六章描述了本系统通信链路建立的过程，介绍了蓝牙耳机的软件流程，对 编码的实现做了一些说明，并对程序的调试进行了说明； 第七章是本文的结束语。 第二章蓝才协议规范的介纠 第二章蓝牙协议规范的介绍 2 0 0 1 年3 月，监牙s i g f 式发布了s p e c i f i c a t i o no fb l u e t o o t hv e r s i o nl 1 规 范。本章主要对该规范中的协议和它们各自的功能及其相互关系进行概括性描 述，为以后各章的设计和研究打下基础。 2 1 蓝牙的协议体系结构 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的丌放性全球规范，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。其实质内容 是要建立通用的无线电空中接口( r a d i o a i ri n t e r f a c e ) 及其控制软件的公开标准， 使通信和计算机迸一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电缆相互连接 的情况下，能在近距高范围内具有互用、互操作( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 的性能。 蓝牙的载频选用在全球都可用的2 ，4 g h z ( i s m ) 频带，其收发信机采用跳 频扩谱技术( f r e q u e n c yt t o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) ，在2 4 g h zi s m 频带上以1 6 0 0 跳秒的速率进行跳频。依据各国的具体情况，以2 4 g h z 为中心频率，最多可 以得到7 9 个1 m h z 带宽的信道。在发射带宽为1 m h z 时，其有效数据速率为 7 2 1 k b i t s ，并采用低功率时分复用方式发射，适合1 0 m 范围内的通信。数据包在 某个载频上的某个时隙内传递，不i 司类型的数据( 包括链路管理和控制消息) 占 用不同信道，并通过查询( i n q u i r y ) 和寻呼( p a g i n g ) 过程来同步跳频频率和不 同蓝牙设备的时钟。除采用跳频扩谱的低功率传输外，蓝牙还采用鉴权和加密等 措施来提高通信的安全性。 具体蓝牙技术指标和系统参数见下表2 1 ： 表2 - 1 监牙技术指标和系统参数 i ：作频段i s m 频段，2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 烈i 方式 全烈】i ，t d d 时分烈r 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据速率1 m b s ：m 同步信道速率非对称连搂7 2 l 5 7 6 k b s ，对称连接4 3 26 k b s 同步信道速率6 4 k b s 第二章监牙协议规范豹介绍 续表2 功率美国f c c 要求 1 m w ，其他国家可扩展为1 0 0 r o w 跳频频率数7 9 个频点m h z 跳频速率1 6 0 0 次s i 作模式p a r k ，h o l 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 i 3 f e c ，2 3 f e c ，a r q 鉴权采h ；j 质询一响应方式 信道加密采用0 伉、4 0 位、6 0 位密码 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 1 0 m ，增加功率情况1 、i 哒1o o m 蓝牙支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一 个微微网( p i c o n e t ) ，多个微微网又可互连成特殊分散网，形成灵活的多重微微 网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。它能在一个微微网内寻址8 个设备( 实际上互联的设备数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8 个，其中1 个为主，7 个为从) 。 蓝牙技术涉及一系列软硬件技术、方法和理论，包括无线通信与网络技术， 软件工程、软件可靠性理论，协议的正确性验怔、形式化描述和一致性与互联测 试技术，嵌入式实时操作系统( e m b e d d e dr t o s ) ，跨平台开发和用、界面图形 化技术，软硬件接口技术( 如r s 2 3 2 ，u a r t ，u s b 等) ，高集成、低功耗芯片 技术。 蓝牙协议体系结构同样采用分层方式，包括蓝牙专用i ! ) ：j 、议和一些通用协议。 专用协议位f 协议栈的底部，从底到上依次是蓝牙无线层( b l u e t o o t hr a d i o ) 、 基带层( b a s e b a n d ) 、l m p ( l i n km a n a g e r p r o t o c 0 1 ) 、l 2 c a p 层( l o g i c a ll i n k c o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) 、s d p 层( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 。”外 r f c o m m 层以e t s it s 0 7 1 0 为基础，目的是取代电缆连接；t c s ( t e l e p h o n y c o n t r o lp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ) 以i t u t 的q 9 3 1 为基础，目的是进行呼叫控制。 在蓝牙专用洳议之上可以承载p p p 、t c p i p 、u d p i p 、w a p 等通_ j 高层协议。 具体的蓝牙协议栈见图21 。 无线规范规定了物理层无线传输技术。蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段，大 部分国家采用2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z ，f = 2 4 0 2 + km h z ，k = 0 7 8 ：即将该频段划分 为7 9 个带宽为1 m h z 的信道：在低频端留有2 m h z 的保护带，f 二i 岛频，驸自 3 5 m h z 的保护带。调制方式采用g f s k ( g a u s s i a n f i l t e r e df r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ， 第二章篮牙协议规范的介纠 高斯滤波频移键控) ，b t = 0 5 ，正频偏表示“l ”，负频偏表示0 。系统采用 跳频扩频技术，抗干扰能力强、保密性好。 l m p 负责蓝牙设备之间的链路建立，包括鉴权、加密等安全技术及基带层分 组大小的控制和协商。它还控制无线设备的功率以及蓝牙节点的连接状态。链蹄 管理( l m p ) 负责蓝牙组件间连接的建立。通过连接的发起、交换、核实，进行 身份鉴权和加密等安全方面的任务；通过协商确定基带数据分组大小；它还控制 无线单元的电源模式和工作周期，以及微微网内蓝牙组件的连接状态。 逻辑链路控制与适应协议( l 2 c a p ) 位于基带协议层之上，属于数据链路层， 是一个为高层传输和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议。其完成数据的拆装、 基带与高协议涮的适配，并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数掘q p 务 和分类提取，它允许高层协议和应用接收或发送长过6 4 k 字节的l 2 c a p 数据包。 l 2 c a p 在高层和基带层之间作适配，它与l m p 是并列的，区别在于l 2 c a p 向高 层提供负载的传送，而l m p 不能。l 2 c a p 向高层提供面向连接的和无连接的数 据服务，具备多协( ! = ( 复用功能和拆装适配功能。 业务搜寻协议( s d p ) 是极其重要的部分，它是所使用模式的基础。通过s d p ， 可以查询设备信息、业务及业务特征，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备川 的连接。s d p 支持3 种查询方式：按业务类别搜寻、按业务属性搜寻和、l p 务浏览 ( b r o w s i n g ) 。只有通过s d p 了解通信双方的设备信息、业务类型、l k 务特征， 然后才能在蓝牙设备之间建立通信连接。 v c a r d v c a lw a e o b e x、v a p a t _ c o m m a n d st c sb i ns d p u d pt c p i p p p p r f c o m m 。l au d i 。 l 2 c a p h o s tc o n t r o i i e ri n t e r f a c e l m p b a s e b a n d 图2 - 1 蓝牙协议栈 第二章监牙协议规范的介纠 22 基带层规范 2 2 1 物理信道与物理链路 蓝牙技术的特点体现在底层技术，而基带层是底层中的关键技术之一。注意 蓝牙基于微微小区机制，需具备强壮性、低复杂度、低功率、低成本的特点，而 这在基带层技术中有所体现。 蓝牙采用跳频扩频技术，每秒1 6 0 0 跳，从时域看即每个时隙长度是6 2 5us ， 即每个时隙从7 9 个信道中选择一个。时隙编号o 2 “一l 。即以2 的2 7 个次方双工 方式采用t d d 。蓝牙既支持电路型数据，也支持分组型数据：既支持点对点连接， 也支持点对多点连接。在一个微微网络( p i c o n e t ) 中，一个单元作为主节点其 他作为从节点，最多可以有7 个从节点；但是允许有更多从节点与 节点保持在 p a r k 状态。从节点对信道的接入由主节点控制。微微网络在覆盖上可以有重叠： 每个网络有各自的跳频方案，一个网络的主节点可以同时作为另一个网络的从节 点：一个从节点可以属于多个网络。主节点向从节点发送数据只能占用偶时隙， 反之从节点只能在奇时隙才能向主节点发送数据。一个分组( p a c k e t ，实际上更 习惯的说法是帧，因为在基带层其地位类似于o s i 的第2 层、部分涉及物理层， 分组的确切用法在第3 层，但是蓝牙基带层规范中采用p a c k e t 术语) 的传送最多 可以占用5 个时隙，在一个分组的传送期内，维持初始时隙所占用的信道而不再 跳频。 在主从节点之间，有两种不同类型的链路，即同步面向连接s c o ( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n o r i e n t e d ) 链路和异步无连接a c l ( a s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n l e s s ) 链路。s c o 是点到点链路，主节点在周期性的保留时隙上维持 s c o ；a c l 是点到多点链路。主节点可以利用s c o 占用的时隙建立a c l 链路，从 节点可以同时参与s c o 和a c l 。 s c o 具备双向对称性，可以看作电路型连接，通常用于支持语音等实时业 务。主节点可与一个或多个从节点建立多达3 个的s c o 链路：一个从节点也与多 个主节点建立s c o 链路( 最多3 条) 。s c o 分组不采用重传机制。s c o 链路的建 立通过丰节点发送l m p 的s c o s e t u p 消息，该消息中包含了t s c o 和d s c o 等参数。 d s c o 用于标识s c o 丌始的时隙相对数，而y s c o 用于表示时隙的重复周期。 未被s c o 占用的时隙可用于a c l ，在一对主从节点之问只有一条a c l 。a c l 的分组传送采用重传机制以确保f 确性。只有主节点在发往从节点的分组中以某 种方式允许某从节点发送数据时，该从节点才能在规定时隙发送数据。a c i 。支持 广播。 第二章蓝牙协议规范的介绍 2 2 2 分组组成 每个分组由3 部分组成，即接入码( a c c e s sc o d e ) 、头( h e a d e r ) 、负载 ( p a y l o a d ) 。其中接入码和头字段为固定长度，分别为7 2 比特和5 4 比特；负载 是可变长度，从0 2 7 4 5 比特。一个分组可以仅包含接入码字段( 此时为缩短的 6 8 比特) ，或者包含接入码与头字段，或者包含全部3 个字段。 接入码有三种类型：c h a n n e l a c c e s s c o d e ( c a c ) 、d e v i c e a c c e s s c o d e ( d a c ) 和i n q u i r ya c c e s sc o d e ( i a c ) 。c a c 用于标识一个p i c o n e t ，所有在浚p i c o n e t 中 传送的分组都包含c a c ；d a c 用于特殊的信令过程，如寻呼和响应寻呼：i a c 义 分为g e n e r a l ( g i a c ) 平t l d e d i c a t e d ( d i a c ) 两类：g i a c 对该区域内所有设备部 是一样的，用于发现其它的蓝牙单元；d i a c 用于根据某种特性划分特定用户群。 分组头包含链路控制信息，由6 个字段组成：3 比特的a m a d d r 、4 比特的 t y p e 、1 比特的f l o w 、1 比特的a r q n 、1 比特的s e q n 、8 比特的h e c ，一共1 8 个比特；再加速率为1 3 的f e c ，编码保护后一共是5 4 比特。在主节点与从节点 通信时，需要区分不同的从节点，用a m a d d r 来表示激活的从筘点地址。全0 地址用于。播，显然3 比特的编码最多可以支持的激活从节点数为7 ( 扣除全0 ) 。 4 比特的t y p e 字段可以区分1 6 种不同类型的分组。f l o w 字段用于a c l 链路上的 流量控制：如果接收端缓存满，则f l o w = o 指示发端停止发送数据：如果缓存 清空，d j f l o w ：h 旨示发端继续发送。a r q n = 0 时表示n a k ；a r q n = l 时表示 a c k ，用于对负载传送j 下确性的确认。s e q n 比特在每发送一个新的分组时翻转 一次，因为蓝牙采用无编弓- a r q 机制，所以s e q n 对于重传是必需的，这样呵以 避免由于a c k 的丢失而造成分组重复按收。分组头用8 比特的校验码以检查分组 头的难确性。 2 ，2 3 分组类型 在1 6 种分组中，有4 种是公共的；另外1 2 种根据s c o 平i i a c l t , 同链路而1 i 州。 ( 1 ) 公共分组 i d 分组：由d a c 或i a c 组成，长度固定为6 8 比特，用于寻呼、探洵、响应。 n u l l 分组：仅包含c a c 和分组头，没有负载，长度固定为1 2 6 比特。n u l l 分组用于通过a r q n 、f l o w 等字段将链路信息返回给发送端。n u l l 分组无需 确认。 p o l l 分组：p o l l 分组与n u l l 分组类似，也没有负载字段，但是需要接收 端的确认。当从节点收至i j p o l l 分组后，必须响应，即使当时没有数据信息需要 第二章监牙协议规范的介绍 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。负载字段包含1 4 4 个信息比特加1 6 比特的c r c 校验码，然后用速 率为2 3 的f e c 保护，最终长度为2 4 0 l e 特。f h c 的结构比较复杂，限于篇幅不 作介绍。 d m l 分组：d m 代表d a t am e d i u mr a t e ，该分组仅携带数据信息，负载包含18 个信息字节和1 6 l e 特的c r c 校验码，然后用速率为2 3 的f e c 保护( 即每1 0 个信 息比特附加5 个校验比特) 。 ( 2 ) s c o 分组 s c o 分组在s c o 链路上传送，分组不采用c r c 校验和重传机制。现在定义了 3 种s c o 分组，s c o 分组通常用于6 4 k b i t s 的语音传送。 h v l 分组：h v 代表h i g h q u a l i t y v o i c e ，该分组携带1 0 个字节的信息，用l 3 速率的f e c 保护，编码后负载长度为2 4 0 比特。一个h v l 分组可以携带1 2 5 m s 的 6 4 k b i t s 的语音，每两个时隙h v l 分组必须发送一次，目 j t s c o = 2 。 h v 2 分组：h v 2 分组携带2 0 个字节的信息，采用速率为2 3 的f e c ，编码后 负载长度也为2 4 0 l l 特。一个h v 2 分组可以携带2 5 m s 的6 4 k b i t s 的语音，每四个 时隙h v 2 分组必须发送一次，b 1 t s c o = 4 。 h v 3 分组：h v 3 分组携带3 0 个字节的信息，没有采用f e c ，负载长度也为2 4 0 比特。一个h v 3 分组可以携带3 7 5 m s 的6 4 k b i t s 的语音，每六个时隙h v 3 分组必 须发送一次，b t s c o = 6 。 d v 分组：d v 分组是数据和语音的混合，负载出8 0 比特的语音字段和最多l5 0 比特的数据字段组成。语音字段没有f e c 保护，数据字段有1 0 字节信息，加1 6l l 特的c r c 校验码，然后用2 3 f e c 保护。语音处理和数据处理是独a 的。 ( 3 ) a c l 分组 a c l 分组在a c l 链路上传送，承载的信息巧以是控制信息或用户数据。如果 包含d m l ，则一共有7 种a c l 分组，除了a u x l 外其它6 种a c l 分组采用c r c 校验 及重传机制。 d h l 分组：与d m l 分组类似，但是负载数据不经过f e c 。d h l 分组携，i i ；：2 8 。# 节信息加1 6 比特的c r c 校验码。d h 代表d a t a h i g hr a t e 。 d m 3 分组：与d m l 类似，但d m 3 可以占用3 个时隙，负载可包含1 2 3 个信息 字节加1 6 比特的c r c 校验码。 d h 3 分组：与d m 3 类似，但负载不采用f e c 。d h 3 可以携带l8 5 字节的信息 加1 6 比特的c r c 校验码。 d m 5 分组：d m 5 分组可以占用5 个时隙，负载可包含2 2 6 个信息字节加1 6 比 第一章监爿一协议规范的介蜊 特的c r c 校验码。 d h 5 分组：与d m 5 类似，但负载不采用f e c 。d h 5 可以携带3 4 1 字节的信息 加1 6 比特的c r c 校验码。 a u x l 分组：与d h i 类似，但没有c r c 校验码。a u x l 分组可以携带3 0 个信 息字节。 ( 4 ) 负载格式 在负载中要区分语音( 同步) 字段和数据( 异步) 字段：a c l 分组仅包含数 据字段，s c o 分组仅包含语音字段，d v t l 较特殊同时包含两种字段。语音字段 长度固定为2 4 0 比特，d v 分组中语音字段为8 0 比特，不存在负载头字段。数掘宁 段包含3 部分：负载头、负载体丰n c r c 校验码( a u x l 例外) 。 负载头为l 或2 个字节。负载头规定了逻辑信道、逻辑信道上的流量控制及负 载长度指示。用2 个比特的l c h 字段来代表逻辑信道，其中l l 表示l m 信道( 传 送l m p ；消息) ，1 0 表示u a u i ( l 2 c a p 消息丌始) ，0 l 表示u a u i ( l 2 c a p 消息继续) ，0 0 保留。 在蓝牙基带层中定义了5 种逻辑信道，f f i l c ( l i n kc o n t r 0 1 ) 控制信道、i ，m ( l i n km a n a g e r ) 控制信道、u a ( u s e ra s y n c h r o n o u s ) 用户信道、u i ( u s e r i s o c h r o n o u s ) 用户信道、u s ( u s e rs y n c h r o n o u s )