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浙江工业大学硕士学位论文 基于蓝牙无线技术的室内定位方法的研究 摘要 蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，其目的是以无线连接取代 有线连接，将固定和移动信息设备组成个人局域网，实现设备之间低 成本的无线互连通信。本文对蓝牙技术应用于室内无线定位进行了研 究，首先介绍了蓝牙技术的提出背景，蓝牙技术的特点。然后叙述了 蓝牙逻辑链路控制和适配协议、电缆替代协议( r f c o m m ) 等协议。 本课题采用英国的c s r ( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ) 公司的b l u e c o r e 4 主 芯片来设计搭建蓝牙室内定位系统。实现蓝牙接入点的蓝牙串口应用 协议( s e r i a lp o r tp r o f i l e ，s p p ) ，针对蓝牙技术的特点分析了在硬件和软 件设计开发中的技术特点。 本课题是采用基于检测发送端发送的信号的强度来实现定位的。 在研究路径损耗模型的基础上，分析室内环境对信号在传输过程中的 影响，信号强度与传输距离之间存在对数关系，并采用最小二乘法估 计得到具体的适合蓝牙技术的室内定位的四阶函数模型。最后根据蓝 牙接入点得出了由移动设备发送的信号的信号强度，采用l s e ( 1 e a s t s q u a r e se s t i m a t i o n ) 来确认移动设备的具体坐标位置，分析了定位误差， 并对算法进行了修正。 关键字：蓝牙，室内定位，路径损耗模型，最小二乘法估计 浙江工业大学硕士学位论文 as t u d yo fl n d o o rl o c a t i o nb a s e d o nb l u e t o o t ht e c h n o l o g i e s a b s t r a c t a san e wk i n do f t e c h n o l o g yf o rs h o r tr a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， b l u e t o o t ha i m st or e p l a c et h ec a b l e sb e t w e e nt h ei n f o r m a t i o ne q u i p m e n t s w i t hr a d i ow a v ea n de s t a b l i s hap e r s o n a la r e an e t w o r kf o rt h e mt o c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r t h i sp a p e ri sc o n c e n t r a t e do nt h es t u d yo f i n d o o rl o c a t i o nb a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g i e s f i r s t , t h eh i s t o r ya n d f e a t u r e so fb l u e t o o t ha l ei n t r o d u c e d t h e nt h ep r o t o c o l so fb l u e t o o t ha r e d i s c u s s e dw i t h e m p h a s i so nl o g i c a l l i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o n p r o t o c o l 、r f c o m mp r o t o c 0 1 t h i sp a p e rg i v e sh o wt ob u i l dt h eb l u e t o o t h i n d o o rl o c a t i o n s y s t e mw i mt h ec o m p a n yc s r ( c a m b r i d g es i l i c o n r a d i o ) sb l u e c o r e 4c h i p a n dt h i sp a p e ri si n t r o d u c e dt od e s i g nt h e p r o g r a mo f a c c e s sp o i n tw i t hs e r i a lp o r tp r o f i l e ( s p p ) t h er a n g ee s t i m a t i o no ft h ep o s i t i o n i n gs y s t e mi sb a s e do na i l a p p r o x i m a t i o no f t h er e l a t i o nb e t w e e nt h er s s i ( r a d i os i g n a ls t r e n g t h i n d i c a t o r ) a n dt h ea s s o c i a t e dd i s t a n c eb e t w e e nt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r w i t ht h es t u d yo fi n d o o rp r o p a g a t i o nl o s sm o d e l ，t h ep a p e ri sd e s c r i b e dt h e r e l a t i o nb e t w e e nr a d i os i g n a ls t r e n g t ha n dd i s t a n c eb e t w e e nt r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r ，a n dt h e i n f l u e n c eo ft h ee n v i r o n m e n to ft h er o o m 硝 浙江工业大学硕士学位论文 f i n a l l y ，g i v e nt h ep o s i t i o ne s t i m a t i o nb a s e do ns i g n a ls t r e n g t h su s i n gl s e ( 1 e a s ts q u a r e se s t i m a t i o n ) ，t h e n t h ee r r o ra n d o p t i m i z et h e e r r o ri s d i s c u s s e d k e y w o r d ：b l u e t o o t h ，i n d o o rl o c a t i o n ，p r o p a g a t i o nl o s sm o d e l ，l e a s t s q u a r e se s t i m a t i o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工 业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法 律责任。 作者签名：多心、友岁 日期：2 0 0 75 月2 5 日 学位论文版权使用授权书 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。本入授权浙江工业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 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：弓j j 、如争 日期： 2 0 0 75 月2 5 日 导师签名：埠2 砀 日期： 2 0 0 75 月2 5 日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 随着通信技术和信息网络技术的快速发展，基于这些技术成果的应用开发成 为经济发展和社会进步的重要任务。如今手机、p c 机、汽车、音响、电视等逐渐 成为人们工作、学习和日常生活中不可缺少的消费类产品。人们在享受这些产品 带来的方便的同时，希望能出现一种适合短距离、低成本、小功耗的无线通信方 式，来实现不同功能单一设备的互联，提供小范围内设备的自组网络机制，并通 过一定的安全接口完成自组小网和广域网的互通。蓝牙技术就是一种能满足上述 应用需求的小范围无线连接、微小网自组网络的通信技术。蓝牙技术的出现和进 步，显著地推动和扩大了现代信息技术成果的应用范围，不但可在个人区域内实 现快速灵活的数据通信和组网。 1 9 9 8 年5 月，爱立信、诺基亚、东芝、m m 和英特尔公司等五家著名厂商， 在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一 种短距离、低成本的无线传输应用技术。这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组 ( s p e c i a li n t e r e s tc r o u p ) ，以使蓝牙技术能够成为近距离无线通信技术标准，其 目的是实现最高数据传输速率t m b s ( 有效传输速率为7 2 1 k b s ) 、最大传输距离 为1 0 m 的无线通信。芯片霸主i n t e l 公司负责半导体芯片和传输软件的开发，爱立 信负责无线射频和移动电话软件的开发，i b m 和东芝负责笔记本计算机接口规格 的开发。1 9 9 9 年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三康、朗讯与蓝牙特 别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了 一股“蓝牙”热潮。 1 9 9 9 年7 月蓝牙s i g 公布正式规范1 0 版本。2 0 0 1 年以来，蓝牙产品陆陆续 续进入市场，各大公司分别推出了自己的产品，e r i c s s o n 推出了蓝牙移动手机及耳 机，m o t o r o l a 、n o k i a 和a l c a t e l 也推出了具有蓝牙功能的手机。东芝和i b m 公 司推出了蓝牙p c 卡，用于笔记本计算机。i b m 和联想推出了具有蓝牙功能的笔 记本计算机。还有，具有蓝牙功能的打印机、数码相机、手表和收音机也已推出。 2 0 0 4 年1 2 月蓝牙2 0 协议提出。蓝牙2 0 标准的主要功能有：数据传输速率是 旧标准的3 倍( 某些情况下能够达到1 0 倍) ；支持更小的功耗；由于带宽的增大， 简化了多连接管理；能够向后兼容旧版本蓝牙标准；具有更小的误码率。从而使 浙江工业大学硕士学位论文 得蓝牙的应用领域更加的推广。随着蓝牙设备的普及及其技术的发展，蓝牙将不 仅仅是一个芯片，而是一个网络，由蓝牙构成的无线个人网也将无处不在。 1 1 本论文的研究内容 本课题正是基于蓝牙技术的室内无线定位的研究。无线定位技术是当今主要 的定位方式，在导航、交通、工程与抢险救灾等领域具有广泛的用途。目前，通过卫 星已能实现精确定位，而新出现的通过无线通信系统进行定位的技术，正以其廉价 和灵活的特点而受到广泛地关注。不管卫星定位、还是普通的无线通信定位，都 是应用于室外的，且由于大型建筑物或山脉反射信号所引起的多径传播效应，使 得接收天线将会收到直达信号和经反射而有延迟的信号，而使得它难以应用到室 内。面室内定位的提出有其应用的要求，如最近矿难的频频发生，使得对矿洞中 矿工位置的定位显的非常重要，以便于实施救援。 本文作者主要做了两个方面的工作：一方面在对蓝牙核心协议进行分析与研 究的基础上实现了以逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 以及电缆替代协议 ( r f c o m m ) 为基础的蓝牙串口协议( s e r i a lp o r tp r o f i l e 。s p p ) ，完成b l u e t o o t h 接入点的硬件和软件的设计调试，搭建蓝牙室内定位系统。另一方面，在分析室 内信号的路径损耗模型的基础上，根据实测的接收信号强度与距离的关系，确定 适合蓝牙技术的室内传输模型。最后在一个4 8 m 2 室内空间实现定位，确定其误差 并做有效的优化。 1 2 论文的结构安捧 本文的各章内容主要安排如下： 第一章绪论部分说明了本文的研究内容和章节安排；第二章描述蓝牙技术的 特点，并分析当前应用于室内定位的其他技术；第三章实现蓝牙室内无线定位系 统的硬件和软件的设计；第四章分析电磁波的室内传播模型；第五章研究适合蓝 牙技术的室内定位算法并实验分析其效果；第六章总结了本论文的研究内容和展 望。 2 浙江工业大学硕士学位论文 第二章蓝牙技术的特点及当前室内定位技术的研究现状 蓝牙是一种低功耗的无线技术，2 0 0 4 年1 2 月蓝牙2 0 协议提出，对蓝牙技术 的数据传输速率、功耗、误码率都有了重大的改进和提升。本章将对蓝牙的技术 特点及其协议栈做详细的介绍。最后会分析包括当前应用与室内定位技术的研究 现状和趋势。 2 1 蓝牙技术特点 蓝牙是一种低功耗的无线技术。主要优点有： 1 ) 可以随时随地的地用无线接口代替有线电缆连接。 2 ) 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 ( 全球移动通 信系统) 、d e c t ( 欧规数字无绳通信) 等，引入身份识别后可以灵活地实 现漫游。 3 ) 低功耗，对人体伤害小。 4 ) 蓝牙集成电路简单，成本低廉，实现容易，易于推广。 蓝牙技术提供低成本，近距离地无线通信，构成固定与移动设备通信环境中 的个人网络，使得近距离内各种信息设备能够实现无缝资源共享。蓝牙技术工作 在全球通用的2 4 g h z i s m ( 3 2 业、科学、医学) 频段，从而消除了“国界”的障 碍。蓝牙的数据速率为l m b s 。从理论上讲，以2 4 5 g h zi s m 频段运行的技术够 使相距3 0 m 以内的设备互相连接，传输速率可以达到2 m b s ，但实际上很难达到。 任意蓝牙设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立连接，而无需用户进 行任何设置( 可以理解为“即插即用”) ，在无线电环境非常嘈杂的环境下，其 优势更加明显。 另外，i s m 频段是对无线电系统都开放的频段，因此使用其中的某个频段都会 遇到不可预测的干扰源，例如某些家电、无绳电话、微波炉等，都可能是干扰源。 为此蓝牙技术设计了快速确认的跳频方案以确保链路的稳定。与其它工作在相同 频段的系统相比，蓝牙跳频更快、数据分组更短，这使蓝牙技术系统比其它系统 更稳定。 蓝牙技术目前主要以满足美国f c c 要求为目标。对于在其它国家的应用，需 要做一些实用性调整。蓝牙支持点对点和点对多点的通信。蓝牙最基本的网络结 构是匹克网( p i o n e t ) 。匹克网实际上是一种个人网络，它以个人区域( 即办公室 浙江工业大学硕士学位论文 区域) 为应用环境。需要指出的是，匹克网并不能够替代局域网，它只是用来替 代或简化个人区域中的电缆连接。匹克网主要由主设备和从设备构成。主设备负 责提供时钟同步信号和跳频序列，而从设备一盘是受控同步的设备，并接收主设 备的控制。在同一匹克网中，所有设备均采用同一跳频序列。一个匹克网中一般 只有一个主设备，而出于活动状态的从设备目前最多可达7 个。蓝牙1 o 规范中 公布的主要技术指标和系统参数如表2 1 。 表2 1 蓝牙技术指标和系统参数【1 l 工作频率i s m 频段：2 4 2 g h z - 2 4 8 0 g h z跳频速率1 6 0 0 跳s 双工方式全双工，t d d 时分双工工作模式n r k h o l d ，s n i f f 业务类型支持电路交换和分组交换业务数据连接方 面向连接s 0 0 ，无连接a c l 式 数据速率1 m b s纠错方式 1 3 f e c 、2 3 f e c 、a r q 非同步信道非对称连接：7 2 1 k b s 、5 7 6 k b s 、鉴权采用反应逻辑算术 速率对称连接：4 3 2 6z b s 同步信道速 6 4k b s 信道加密采用o b i t 、4 0 b i t 、6 0 b i t 塞 加密字符 功率美国f c c 要求小于o d b n ( 1 砷) ，其语音编码方连续可变斜率调制c v s d 他国家可扩展为1 0 0 r o w 式 跳频频率数7 9 个频点m h z发射距离一般可达到1 0 m ，增加功 率情况下可达到1 0 0 = 2 2 蓝牙协议栈体系 蓝牙技术规范由蓝牙特别兴趣组( s i g ) 制定，在使用无线传输模块和数据通 信协议的基础上，开发交互式服务和应用，便于便携式通信设备。该技术规范的 目的是使符合规范的各种应用之间能够互通，本地设备和远端设备需要使用相同 的协议，不同的应用需要不同的协议栈。但是，所有的应用都要使用蓝牙技术规 范中的数据链路层和物理层。图2 - 1 为b l u e t o o t h 的协议栈体系结构。 4 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1b l u c t o o t h 的协议栈体系结构 上图显示了数据遥过无线传输时，所有的协议之间的相互关系，但在某些应 用中这种关系是有变化的。完整的协议包括蓝牙核心协议( 如l m p 和l 2 c a p ) 和通用协议( o b e x 和t c p u d p i p ) 。设计协议和协议栈的主要原则是尽可能的 利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的 互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术规范的开放性保证 了设备制造商可以自由地选用其核心协议或常用的通用协议，在蓝牙技术规范基 础上开发新的应用。 蓝牙协议模型主要包括： 1 、物理层，即蓝牙无线接口。 2 、核心协议，基带( b a s c b a a d ) 协议，u 旧、l 2 c a p 、s d p 等。 3 、电缆替代协议，r f c o m m 。 4 、电话传送控制协议，t c s 二进制、a t 命令集。 由于蓝牙技术独立于不同的操作体统和通信协议之外，可以移植到许多应用 领域，因而应用场合很普遍。蓝牙力求与不同的操作系统和通信协议有良好的接 口，从而保证一定的兼容性。蓝牙技术适用于任何数据、图像、声音等短距离通 信场合。目前主要的应用领域有：替代蜂窝电话和远端网络之间的通信时所用的 有线电缆；提供最新的多功能耳机，并可在p c 、蜂窝电话、随身听中共享；笔记 浙江工业大学硕士学位论文 本、p d a 、蜂窝电话之间的名片数据交换等。 2 - 2 - 1 链路管理协议( l m p ) l m p ( l i n km a n a g e rp r o t o c 0 1 ) ，负责各蓝牙设备问连接的建立。它通过连接 的发起、交换、核实，进行身份认证和加密，通过协商确定基带数据分组大小。 它还控制无线设备的电源模式和工作周期，以及微微网内设备单元的连接状态。 链路管理状态与l 2 c a p 都是在基带上层的两个链路协议，但链路管理信息比用户 信息具有更高的优先级。 2 2 。2 逻辑链路控制和适配协议 链路控制和适配协议( l o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) ，简称 l 2 c a p ，位于基带层之上，将基带层的数据分组交换以便于高层应用的数据分组 格式，并提供协议复用和服务质量交换等功能。l 2 c a p 屏蔽了低层传输协议中的 许多特性，使得高层协议的应用开发人员可以不必了解基层协议而进行开发。 l 2 c a p 的功能要求包括协议信道复用、分段和重组( s e g m e n t a t i o na n d r e a s s e m b l y , s a r ) 、每个信道的流控制、差错控制和组管理。图2 - 2 表示了在蓝牙 协议栈中的l 2 c a p 数据流。l 2 c a p 在链路控制协议之上，和其它一些上层通信 协议相接，例如：s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l 服务发现协议( s d p ) ，r f c o m m 电 缆替代协议，t e l e p h o n yc o n t r o lf f c s ) 音频与电话协议和b l u e t o o t hn e t w o r k e n c a p s u l a t i o np r o t o c o l ( b n e p ) 蓝牙网络封装协议等。音频与电话应用和同步透明 连接的语音质量信道通常在同步逻辑传输上进行。分组后的音频数据，例如i p 电 话，可以通过在l 2 c a p 之上的通信协议进行传输。 图2 2 在蓝牙协议结构中的l 2 c a p 数据流 6 浙江工业大学硕士学位论文 l 2 c a p 特征： 1 、协议复用 l 2 c a p 应支持协议复用，因为基带协议不支持任何“类型”字段，而这些类型字 段则用于标识要复用的更高层协议。l 2 c a p 必须能够区分高层协议。 在信道建立时，协议复用功能用来发送请求来连接正确的上层协议；在数据传输 时，逻辑信道复用必须能把同一个协议的不同几个高层协议区分出来。 2 、分段和重组 通过由资源管理器所提供的帧中继服务，在l 2 c a p 层之上个人应用程序可以控制 传输帧的大小。如果l 2 c a p 控制了p d u 的长度，那么就可为许多多路复用应用 提供良好的服务。它提供下面的好处： ( 1 ) 分段将允许应用数据单元的交错，这样可以满足延时的要求。 ( 2 ) 在l 2 c a p 控制了分组大小之后，内存和缓冲区管理就会变的更加简单。 ( 3 ) 重传纠错更加有效。 ( 4 ) 由于l 2 c a pp d u 损坏而造成丢失数据的数量可以比应用数据单元变 的更小。 ( 5 ) 上层分组映射在低层分组中，并可以从低层分组中分离出来。 3 、差错控制和重传 有些应用只需要比基带传送时更小的冗余差错率，l 2 c a p 提供了可选择的差 错校验和重传的l 2 c a pp d u ，在l 2 c a p 中的错误保护能否被检测到取决于基带 是否正确接收到分组头和基带分组中的t t e c 和c r c 错误校验是否正确。重传模式 也保护分组的丢失，它取决于在相同逻辑传输上的刷新( f l u s h ) 。如果同时使用错 误控制和流控制，在第一次传输时，流控制机制将替代重传。差错控制和重传都 是可选的。 2 2 3 串口仿真协议( r f c o m m ) r f c o m m 协议提供对基于l 2 c a p 协议的串口仿真。协议基于e t s i 标准 t s 0 7 1 0 。r f c o m m 是一个简单的传输协议，其中针对9 针r s - 2 3 2 ( e i a t i a 一2 3 2 - e ) 串口仿真附加部分条款。r f c o m m 协议可支持在两个b t 设备之间同时保持高达 6 0 路的通信连接。可由b t 设备利用的同时连接数量根据实际应用情况定义。 r f c o m m 的目的，是针对如何在两个不同设备( 通信的两端) 上的应用之间保证 7 塑垩三些奎兰堡主兰垡笙窒 一条完整的通信路径，并在它们之间保持一条通信段。图7 1 表示一条完整通信 路径。应用不只表示终端用户应用，比如也可以是高层协议或作为终端用户应用 的其它服务。 2 2 。3 1r f c o m m 服务概述 如果通过r f c o m m 服务接口设定指定端口的波特率，也不会影响r f c o m m 的 实际数据吞吐量。也就是说，r f c o m m 不限制人工速率或步长。但是，如果通信 链路两端的设备都是负责将数据转发到其它通信介质的第二类设备，或在两端 r f c o m m 设备接口上进行数据传输，实际数据吞吐一般将反映波特率的设置。 r f c o m m 支持两个设备的多串口仿真，也支持多个设备问的多串口的仿真。 r f c o m m 参考模型的组成部分描述如下表。 表2 2r f c o m m 参考模型组成部分 组成部分描述 应用利用端口通信接口 端口仿真实体 端口仿真实体将系统通信接口映射到r f c o m m 服务。端口仿 真实体与r f c o m m 组成端口驱动程序 r f c o m m 基于l 2 c a p 信道提供透明数据流和控制通道，复用多个仿真 串口 服务注册搜服务器应用注册在本地服务上，并向客户端应用提供获取其它 索服务器上服务端应用的服务 l 2 c a p协议复用，s a r 基带b t 定义的基带协议 2 2 3 2 多串口仿真 1 、两个采用r f c o m m 进行通信的b t 设备可以同时打开个多串口。r f c o m m 支持同时打开6 0 个仿真端口。但是，一个设备打开数根据实际实现而不同。 一个数据链接标志( d l c i ) 唯一标识一对客户和服务器之间的持续连接。d l c i 长度为6 比特，其可用值区间为2 至6 1 。t s 0 7 1 0 中d l c l0 为控制信道，d l c i 根据服务器信道概念不能使用，d l c l 6 2 6 3 保留使用。d l c i 在两个设备间的 r f c o m m 会话保持一致。 8 浙江工业大学硕士学位论文 仿真串口仿真串口 图2 - 3 多串口仿真 i 建立r f c o m m 连接( r f c 日m mc n 。c t ! e q 函数) l | 调用g c tr f c o m mc o n 获取r f c o m mc o n y 时象为该对象的 l s e n 哆c h n 赋值( s e r v 日c l h l 是在s d p 事务流程中获取的) i 12cap=null)iinl2c净一函数 ，_ + l 调用1 2 c a pc o m l l 喇函数 a p 层是否还未建立连接 图2 - 4r f c o m m 连接建立的数据流程 9 塑鋈三些奎兰堡主兰垡堡奎 在一次r f c o m m 会话中，客户和服务器应用可以分布在通信的两端，每一端的 客户都可以独立发起建立通信连接。因此利用r f c o m m 服务器信道的概念将 d l c 值域空间在两个正在进行通信的设备问进行划分。 2 、多仿真串口和多b t 设备 如果b t 设备支持多串口仿真，通信连接两端允许使用不同b t 设备，那么 r f c o m m 实体必须能够运行多个t s 0 7 1 0 多路复用会话。每一多路复用器都使用 其l 2 c a p 信道i c ( c i d ) 。r f c o m m 可以选择支持t s 0 7 1 0 多路复用器的多个会 话。 r f c o m m 连接建立的数据流程参见图2 4 。 2 。2 4 蓝牙组网 蓝牙技术是用微波无线通信技术取代数据电缆来完成点对点或点对多点短距 离通信的一种新型无线通信技术。利用蓝牙，可以将需要数据和语音通信的各个 设备之间连成一个p i c o n e t 网( 即微微网) ，或将几个p i c o n e t 网进一步互连，组成一 个更大的s c a t t e r n e t 网( 即分布式网络) 。蓝牙的网络结构如图2 5 。 微微网( p i c o n e t ) 是蓝牙网络的基本单元。一个p i c o n e t 最多由八个蓝牙设备， 其中有一个设备为主设备( m a s t e r ) ，它可以同时与7 个从设备( s l a v e ) 通信，主 设备负责建立通信连接并决定该网络中从设备的跳频序列和同步时钟。 多个独立、非同步的微微网组成散射网( s c a t t e m e t ) ，如图2 5 所示，在微微网 p i c o n e t l 中有五个从设备a 、b 、c 、d 、e 正在和主设备进行通信；一个从设备f 处在等待连接状态；在微微网p i c o n e t 2 中有五个从设备a 、b 、c 、d 、e 正在与主 设备进行通信，一个从设备f 处与等待状态。当p i c o n e t l 中的蓝牙设备c 要与 p i c o n e t 2 中的a 设备进行通信时，设备c 首先要和设备a 一起建立一个新的微微 网p i c o n e t 3 ，然后设备c 作为p i c o n e t 3 的主设备与从设备a 进行通信。当然，以 蓝牙设备a 作为主设备和设备c 组成一个微微网也是可以的。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 p i c o n e t l p i c o n e t 2 图2 - 5 蓝牙网络结构 2 3 当前室内定位技术的发展 2 3 1 室内定位技术研究现状及趋势 之前已经有很多不同的研究小组已经投入室内定位的研究。a t & to l i v e t t i 研究实验室最新将红外线技术用于这个领域嘲。但是由于其线线和短距信号 传输，研究者发现红外线技术不能很好的解决这样问题。近几年，大多学者选取 射频技术来取代红外线。其研究小组包括。m i c r o s o f tr e s e a r c h 。j , u n i v e r s i t yo f w a s h i n g t o n l 4 1 。还有c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y 将i e e e8 0 2 11 无线技术用于室 内定位。其它项目还包括a t & t 研究实验室利用超声技术用于该方面研究嘲。麻省 理工更有将超声波和r f 结合用在定位系统当中。进入2 1 世纪，微软研究院的科 学家发现可以在室内通过w i f i 信号定位，从此在学术界掀起了一股w i f i 定位 的研究热潮。目前这一技术可以实现3 5 米的定位精度。有些商用系统的精度据 称可以达到l 米。w i - f i 也可以用于室外定位，比较有名的是i n t e lr e s e a r c h 的p l a c e l a b 项目。但是它们或多或少的存在着一些问题。存在的问题：一、设备价格昂 贵：二、需要安装或人携带感应设备。拿r f i d 为例，一台读取设备( r e a d e r ) 的 价格为$ 3 0 0 0 ，且人必须随身携带r f 设备( t a g ) 用于被读取设备感应。因此影响 了它使用普及。而随着蓝牙技术的进步和蓝牙设备成本的降低( 目前蓝牙芯片价 塑垩三些奎兰堡主兰垡堡兰 格已经低于5 美元) ，使得蓝牙技术不仅仅限制在用于电缆的替代，而普遍的使 用在移动设备当中( 如手机、p d a 、手提电脑) 。因此为蓝牙的定位提供了必要 的物质条件。 2 3 2 无线定位技术 2 3 2 1 基于方向的定位技术 到达角( a o a ) “”地理定位技术利用接收信号的到达方向来确定移动设备的 位置，如图2 - 6 所示。接收器利用定向天线或者天线阵来测量接收器收到的目标 发送器的信号的方向( 即相对于某一固定方向的到达角。如果方向测量的精度( 大 约是天线阵列的波束宽度) 为致，则接收器处的a o a 测量可以把发送器位置限 定在大约为2 0 , 的视线( l o s ) 信号路径。两个这样的a o a 测量将能锁定目标位 置。位置估计的精度依赖于发送器相对于接收器的位置。如果发送器恰好处在两 个接收器之间的直线上，则a o a 测量将无法锁定目标位置。因此通常采用多于两 接收器2 图2 - 6 地理定位的a o a 技术 个的接收器来提供定位精度。在室内环境下，周围物体或者墙体都会阻挡视线信 号路径，所以a o a 技术对于室内定位系统并不适用。此外，a o a 需要在接收器 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 处架昂贵的天线阵列来跟踪信号的到达方向，通常对于低成本的室内应用来说并 不是一个很好的解决方案。 2 3 2 2 基于距离的定位技术 移动设备和接收器之间的距离的估计可以通过接收信号强度( r s s ) 3 , 1 0 , i i , 1 7 、 到达时阊( t o a ) 以及接收信号相位等技术获得。为了估计移动设备在二维空 间的位置需要三次测量。图2 7 演示了为了估计二维空间中的位置所需要的三次 测量。 图2 - 7 基于距离的地理定位技术 如果接收器与移动设备之间的距离估计值为d ，移动设备可以被定位在以接 收器为中心，半径为d 的圆上。第二次测量减小了定位的模糊性，把移动设备定 位在两个圆的圆弧里。第三次测量锁定了移动设备的位置。我们的蓝牙技术的定 位将采用基于接收信号强度的技术。在接收器处测量r s s 值可以根据已知的数学 模型提供发送器和接收器之间的距离的估计，这样的数学模型描述了无线信号与 距离有关的路径特性( 将在第四章介绍) 。然而这种技术精度不是很高，这是因为 存在很多种路径损耗模型，由于阴影衰落效应采用这些模型时会造成较大的标准 偏差。接收器并不能分辨来自视距( l o s ) 路径和放射路径的信号强度。因此必 须对该模型做必要的修改来适合特定的环境。在后面的章节里我们将详细介绍。 2 3 2 3 基于指纹的定位技术 最近，信号指纹技术被采纳作为另一种定位的技术瞳4 ”1 。接收到的信号由于 其对地形和传播时障碍具有依赖性，因而呈现出非常强的站点特殊性。因此对于 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 每一个位置来说，该信道的多径结构对每一个位置是唯一的，如果同样的射频信 号被从该位置发射，这样的多径特征可以被认为是该位置的指纹或者特征签名。 这一属性被一些专用系统利用来开发一个适用于某一特定服务区域的与位置网格 有关的“特征签名数据库”。这样的一种方案对室内应用也是适用的。 本章小结 本章主要介绍了蓝牙的系统知识，包括蓝牙的技术特点、协议栈结构和组网 方式同时分析了目前的室内无线定位技术。下一章将具体介绍定位系统的硬件软 件的设计，介绍蓝牙串口应用协议( s p p ) 。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 第三章蓝牙室内无线定位系统的实现 本章将介绍以c s r ( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ) 公司的b l u e c o r e 4 主芯片为开发 平台来实现室内定位系统接入点的硬件、软件的设计。并介绍采用的蓝牙串口应 用协议( s p p ) 。 3 1 b l u e c o r e 4 芯片和开发工具b l i j e l a b 介绍 3 1 1 b l u e c o r e 4 芯片的技术特点和内部结构 在争夺蓝牙解决方案的竞争中，英国的c s r ( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ) 公司 作为s i g 联盟的初期成员之一，到2 0 0 6 年9 月份，c s r 的蓝牙芯片出货量合计 突破5 千万片，诺基亚、i b m 、摩托罗拉以及索尼等都成为c s r 的客户，成为蓝 牙方案的主要提供商。c s r 公司推出其第四代蓝牙芯片一- - b l u e c o r e 4 ，该芯片符 合蓝牙兴趣小组( s i g ) 最新的增强数据传输率( e d r ) 规范。b t u e c o r e 4 的数据 传输率将比现有的v 1 2 蓝牙装置快三倍，并且使蓝牙移动电话或手机的耗电量较 低。b l u c c o r e a 已经在2 0 0 4 底实现批量生产。蓝牙e d r 的最大数据传输率为2 1 m b i t s ，而目前v 1 2 标准传输率则为7 2 1 k b i t s 。传输率的提高意味着对一个特 定量的数据来说，e d r 的工作将比v 1 2 快三倍，从而减少耗电量，大大有利于 依赖电池的移动设备。蓝牙e d r 用一种相移键控( p s k ) 调制模式取代标准传 输率的g f s k 模式，从而实现更高的数据传输率。这样，在无线电链路上发送数 据时，信息包有效负荷能够传输更多的比特。然而，c s rb l u c c o r e a 完全能与现 有蓝牙v 1 1 和v 1 2 装置兼容，信息包定时和结构仍然一样，传输的频谱特征几 乎没有改变，并且e d r 产品能支持两种调制模式。b l u c c o r e 4 正在以两种形式提 供，一种采用外部闪存，一种采用掩模r o m 。b l u e c o r e 4 - e x t e m a l 以8 x 8 m m b g a 包装提供，是十分灵活的解决方案，能够适应迅速更新的市场。例如，由于b l u e c o r e 是目前可以得到的唯一能够支持蓝牙v 1 2 规格的所有强制和可选功能的芯 片，b l u e c o r e 4 一e x t e r n a l 为p c 应用程序提供了理想的解决方案，使它们得益于以 三倍速度的传输率传输文件，或者同时操作多个高需求的蓝牙链路。 浙江工业大学硕士学位论文 b l u e c o r e a 芯片主要特点如下： 符合b l u e t o o t h v l 1 规范； 带有u s b 和u a r t 主接口； 可编程的p c m 接口，支持1 3 - b i t8 k s s 1 双向串行的同步语音传输； 内含的数字转换器，可进行线性p c m ( 脉冲编码调制) 、a 律p c m 、肛律 p c m 和c b s d ( 连续变化斜率增量调制) 问的相互转换，编解符合高至h c i 层的蓝牙 控制协议； 采用3 1 5 v 单电源供电，支持p a r t 、s n i f f 、h o l d 多种节电模式； 支持所有的包类型以及多达7 个从设备的微微网( p i e o n e t ) ； 芯片内含链路控制、链路管理、h c i 以及可选的l 2 c a p 、r f c o m m 、s d p 等多层软件协议栈，可以直接使用； 提供v m ( v i r t u a lm a c h i n e ) 机制。内嵌1 6 位的r i s c 微处理器，运行协议栈 的同时还可以运行下载到f l a s hr o m 中的用户程序，实现真正意义上的单芯片。 b l u e c o r e 4 e x t e r n a l 和b l u e c o r e 4 r o m 将把蓝牙e d r 快速数据传输率的优越性带 给现有一些主要的蓝牙市场，加快文件传送，降低耗电并实现多个同时链路的操 作。它还将为这种技术开辟某些潜在的新应用领域。比如随着移动电话与较高分 1 6 塑翌三些奎兰堡主兰堡堡壅 辨力的数字照相机结合起来，传输图象文件将比较耗费时间，而e d r 意味着目前 大约需要1 2 秒钟下载的1 m b 图象，现在仅需4 秒钟。其他的新兴应用包括：为计 算机增添多个蓝牙链路支持能力、蓝牙无绳电话、用于激光打印机、家庭娱乐音 响的传输等。蓝牙特别兴趣小组( s i g ) 正在把蓝牙e d r 包括进去，把它作为现 有v 1 2 规格的补充，并在2 0 0 4 底实现批量生产。 b l u e c o r e 4 - e x t e m a l 芯片集成了射频无线电( 2 4 g h z r a d i o ) 、r a m 、数字信号 处理、微处理器( m c u ) 以及i 0 接口。 1 、r f 接收器 接收器具有接收接近零中频( n e a r - z e r oi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) 结构，这个结构 允许把信道滤波集成到内核中。在低噪声放大器输入端足够高的带外截止性能指 标允许射频模块靠近g s m 和w - c d m a 手机发射器使用。该芯片使用f s k 鉴频器，在 噪声存在的情况下具有卓越的性能，是b l u e c o r e - e x t e r n a l 在同信道和邻近信道抑 制方面超过了蓝牙要求。 1 ) 低噪声放大器( l n a ) 可以设置为单端模式和差分模式。单端模式用于蓝牙功 率一级操作，差分模式用于蓝牙功率二级操作。 2 ) 0 转换器执行快速的自动增益控制( a g c ) 。a d 转换器是在每一时隙期间 对接收信号指示器( r s s i ) 电压采样。前端的l n a 增益是随着测量到的r s s i 值 而交化的，使第一级混频器输入信号保持在一个限定的范围内。这改善了接收器 的动态范围，同时也改善了在干扰环境中的性能。 2 、r f 发射器 i ) i q 调制器：发射器采用直接i q 调制器，以减小发射时隙上的频率漂移。数字 式基带发射滤波器提供所要求的频谱形状。 2 ) 功率放大器：b l u e c o r e 4 e x t e r n a l 的内部功率放大器有最大+ 6 d b m 的功率输出， 用在蓝牙功率二级和蓝牙功率三级。具有发射功率控制功能，可以通过外部r f 功率放大器达到蓝牙功率一级。 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 o t h 弧 a m 图3 - 2 内部结构及其工作原理 砉耋m r 浙江工业大学硕士学位论文 3 ) 附加的d a 转换器：一个8 位的电压d a 转换器用来控制外部功率放大器， 外部功率放大器输出功率可达到蓝牙功率一级要求。 3 、r f 即插即用 对于b c 4 1 7 1 4 3 b ( b l u e c o r e 4 e x t e r n a l 型号) ，端口r fc o n n e c t 形成一个5 0 q 的不平衡输出输入。r fc o n n e c t 可以直接连接到天线，不需要阻抗匹配网 络。r fc o n n e c t 电路如图3 3 。 b l u e c o r e 3 1 2 软件调试环境b i u e l a b b l u e l a b 是专门针对b l u e c o r c 的仿真开发系统，它在p c 上模拟b l u c c o m 的 环境，从而方便开发基于b l u e c o r e 上运行的应用程序。它包括了c o m p i l e r 、 e m u l a t o r d e b u g g e r