（通信与信息系统专业论文）蓝牙局域网接入系统的研究.pdf

硕士论文 蓝牙局域网接入系统的研究 摘要 随着互联网和移动通信技术的空前发展和相互融合，出现了许多新技术和新标 准。蓝牙就是其中一种成本低廉的短距离无线通信标准。发展蓝牙的初衷就是为了在 各种电子产品之间建立无线空中接1 2 1 ，以取代有线电缆的连接，因此它具有广阔的应 用前景。 本文首先介绍了蓝牙技术在国内外的发展概况，简述了蓝牙技术的主要特点和应 用，指出了开发蓝牙应用的目的和意义；然后以蓝牙规范1 0 版本为基础，论述了蓝 牙规范的完整框架和蓝牙协议栈的具体内容，其中重点分析了传输协议组、中间件协 议组和应用组；最后对低层的蓝牙协议层之间的关系以及通过高层协议实现对低层传 输协议的内部操作的原理，为开发简单的蓝牙通信系统奠定了基础。最后，将两个含 有蓝牙核心协议组件的硬件平台d d p 3 3 0 3 通过串口分别与两台p c 杌相连，并且在 v c + + 6 0 环境下实现了软件编程，设计了在p c 机之间实现i p 数据的无线传输，进而 实现基于蓝牙的局域网无线接入。而且从硬件和软件两个方面详细讨论了实现的方法 和步骤。 关键词：蓝牙，蓝牙协议栈，局域网无线接入，点对点无线通信 硕士论文蓝牙局域网接入系统的研究 a b s t r a c t w i t ht h eu n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n ta n dm u t u a l l yb l e n d e do ft h ei n t e m e ta n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m u c hn e wt e c h n o l o g ya n dm a n yn e we r i t e r i o ma p p e a r e d b l u e t o o t hi so n ek i n do f 也e s es h o r td i s t a n c ew i r e l e s se o m m u n i c a t i o nc r i t e r i o n s i ta l l o w s y o ue s t a b l i s hl i n k sb e t w e e nm o b i l ee q u i p m e n t sb yw i r e l e s si n t e r f a c e ，s o i th a sw i d e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d f i r s t l yt h ep a p e rm a k e sas u r v e yo fd e v e l o p m e n to fb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi nt h e i n t e r n a la n dt h ee x t e r n a l ，e x p l a i n sc h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no fb l u e t o o t h , p o i n t so u t t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fd e v e l o p i n gb l u e t o o t ha p p l i c a t i o n s e c o n d l y , b a s e do nt h e s i gb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o nv e r s i o n l 0 ，i ta n a l y s e st h ew h o l ef r a m e w o r ko fs p e c i f i c a t i o n o fb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dt h ec o n t e n t so ft h eb l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c k t h 埘l y ，i t d i s c u s s e st h ew i r e l e s sl a y e r , b a s e b a n dl a y e ra n dh c ii nd e t a i l o nt h eb a s i so fa b o v e k n o w l e d g e ，w ec o m p r e h e n dt h er e l a t i o n sa m o n gt h ed i f f e r e n tb l u e t o o t hp r o t o c o ll a y e r s f i n a l l y , b ym a k i n gu s eo fp r o g r a m m i n gi nt h ev c + + 6 0a n dm a k i n gi pd a t at r a n s f e r b e t w e e nt w op c sb yt w oh a r d w a r ep l a t f o r m s ( d d p 3 3 0 3 ) w h i c hc o n t a i nb a s i cc o r ep r o t o c o l c o m p o n e n t s ，w ee x p l o i tt h eb l u e t o o t hp o i n tt op o m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( t h a ti s w i r e l e s sl a na c c e s sp o i n t ) ，g i v i n gt h ed e t a i l e dm e t h o d sa b o u tt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ee x p e r i m e n t a ls y s t e m k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，b l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c k ，w i r e l e s sl a n a c c e s s ，p o i n t t op c ) h a tw l r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：孑红绺w ，年，；月”日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：写匠( 鸯锯p 5 年占月计日 硕士论文蓝牙局域网接入系统的研究 1 绪论 1 1 蓝牙技术综述 i i i 蓝牙技术的起源 近年来，移动通信技术已经成为信息产业中发展最快的领域之一，同时也伴随着 各种无线网络应用产品的飞快发展。在新旧世纪交替之际，诞生了一种崭新的无线通 信技术一蓝牙( b l u e t o o t h ) “1 。它推动和扩大了无线通信的应用范围，实现了个人区 域内的快速灵活的数据和语音通信。蓝牙技术是一种成本低廉的短距离无线通信技术 标准脚，发展蓝牙技术的初衷就是为了在各种电子产品之间建立一种无线连接标准， 以取代有线电缆的连接。 蓝牙技术的最早倡导者是爱立信公司，其起因可追述到1 9 9 4 年，当时爱立信无 线通信部门开始了一项针对移动电话及其周边电子设备间具有低功率、低成本的无线 连接可行性的研究开发，其主要目的是除去电话和计算机间的电缆联接，这项研究即 蓝牙技术的前身“3 。 1 9 9 7 年的初期，爱立信开始接洽其他的便携式设备制造厂商，使其对这项研究 技术能产生兴趣。为了确保系统的成功，这项计划的重点之一便是限定在使用短范围 距离的无线电技术。在1 9 9 8 年2 月，五大公司包括爱立信、诺基亚、i b m 、东芝、英 特尔成立一个特别兴趣组织- - s i g 伽( s p e c i a li n t e r e s lg r o u p ) 来研究新一代的无线 传输技术，其目的是建立发展一种能够简易使用且在各种通讯设备上都能畅行无阻的 新技术，建立一个实际上的无线接口和相关软件标准，并可以促进更多的设备制造商 支持该项协议。目前电子计算、通讯设备的接口及通信规格相当不统一，甚至在应用 上也有差异性，导致沟通上有相当多的问题，蓝牙便是对这些不统一做出一致的规范。 “蓝牙”( b l u e t o o t h ) 原为欧洲中世纪丹麦国王h a r a l di i 的名字，他为统一四分五 裂的瑞典、芬兰、丹麦有着不朽的功劳嘲。爱立信公司为这种即将诞生的开放式通用 技术命此名，正是希望它能够成为全球统一的近距离无线通信标准”。 蓝牙技术最大的优势在于能够为与人类打交道的各种电器设备提供附加的通信 能力，使之具有接入因特网和和其他互联网的能力。此项无线通信技术公布后，便迅 速得到了包括摩托罗拉、朗讯、康柏、西门子等一大批公司的一致拥护，至今加盟蓝 牙s i g 的公司已经达到2 0 0 0 多个，其中包括许多世界最著名的计算机、通信以及消 费电子产品领域的企业，甚至还有其汽车与照相机的制造商和生产厂家。一项公开的 硕士论文蓝牙局域啊接入系统的研究 技术规范能够得到工业界如此广泛的关注和支持，这说明基于此项蓝牙技术的产品将 具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。各种支持蓝牙技术的产品也纷纷面世，蓝牙 市场的全面启动已经差不多成型。 i i 2 蓝牙技术特点简介 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种开放的低成本、短距离无线连接技术规范的代称，用于 传送语音和数据。蓝牙技术作为便携式电子设备和固定式电子设备之间替代电缆连接 的短距离无线通信的标准，其主要特点是工作稳定、设备简单、功率低、对人体危害 小、价格便宜。它强调的是全球性的统一运作，工作频率定在2 4 5 g h z 这个被称之为 工业、科学、医疗全世界都共同开放的频段上，符号速率i mb s ，每个时隙宽度为 6 2 5 u s ，采用时分双工( t d d ) 方式，g f s k 调制方式。蓝牙支持一个异步数据信道、三 个并发的同步语音信道或一个同时传送异步数据和同步话音的信道。每一个话音信道 支持6 4 k b s 的同步语音；异步信道支持的最大速率为5 7 6 k b s 的非对称联接，或者 是4 3 2 k b s 的对称联接。系统采用跳频技术抗信号衰落，使用快跳频和短分组技术减 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。蓝牙网络的基本单元是微微网，它可以同时最多支持8 个电子设备，其 中发起通信的那个设备称为主设备，其他设备称为从设备。一组相互独立、以特定的 方式连接在一起的微微网构成分布式网络，各微微网通过使用不同的调频序列来区 分。蓝牙技术支持多种类型的业务，包括声音和数据，为将来的电器设备提供联网和 数据传输的功能，它将使来自各个设备制造商的设备能以同样的“语言”进行交流， 这种“语言”可以认为是一种虚拟的电缆。蓝牙一般传输距离是i o a m 到l o m ，如果 提高功率，可以扩大到1 0 0 m “”“”。 蓝牙技术的一个很大的优势就在于它应用了全球统一的频率设定，消除了“国界” 的障碍，而在蜂窝式移动电话“”领域，这个障碍已经困扰用户多年。另外，i s m 频段 “”是对所有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特别 设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术“”是把频带分成若干个跳频信 道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道， 只有收发双方都按这个规律通信，而其它的干扰源不可能按同样的规律进行干扰。跳 频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术“”可将这个窄带成倍的扩展成宽频带，使可 能干扰的影响变得很小，与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包 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。对于其他国家的应用，需要做一 硕士论文 蓝牙局域网接入系统的研究 些适应性调整。蓝牙1 o 规范已公布的主要技术指标和系统参数如表1 1 所示： 表1 1 蓝牙技术指标和系统参数 工作频段 l s m 频段：2 4 0 2 g h z - 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 1 m b s 非同步信道速率非对称连接7 2 1 k b s ，5 7 6 k b s 、4 3 2 6 k b s 同步信道速率 6 4 k b s 功率 美国f c c 要求0 d b m ( 1 m w ) ，其它国家可扩展为1 0 0 m w 跳频频率数7 9 个颈点m h z 跳频速率1 6 0 0 次，秒 工作模式 p a r k ，h o l d ，s n 【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 鉴权采用反逻辑算术 信道加密采用o 位4 0 位。6 0 位加密字符 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 m 增加功率可达1 0 0 m 1 1 3 蓝牙技术应用举例 蓝牙的目标是在所有移动设备之间以及任何小范围内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。在其1 1 版本的标准中，已定义了包括使用 w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议，联结因特网的多种应用。就目前发展 来看，蓝牙产品将会较快的和如下设备或系统融为一体，从而构成新的经济增长点。 手机与计算机相连。目前手机多数通过i r d a 红外线或r s 2 3 2 串口线与计算机相 连，蓝牙技术可以取而代之，不仅方便，而且资料传送的速度更快( 有些情况下i r d a 的速度更快些) ，也许将来手机下部的连接器也会消失，或是变得更简单。目前大多 数的手机已经支持了蓝牙传输。 硕士论文 蓝牙局域网接入系统的研究 可作无绳电话使用。内置蓝牙芯片的手机，在家里可以当作无绳电话使用，不用 双向收费，节省手机费用。当然离开屋子一段距离后边会自动切换至无线网络基站上。 数据共享，办公更方便。无论是手机、计算机、p d a 、打印机、或是数码相机等 都可以利用蓝牙技术互传语音、文字、图像、文件等。蜘蛛网式的会议室将不复存在， 白板记录仪、摄像机等都可以利用蓝牙技术来简化操作。 i n t e r n e t 接入。内置蓝牙芯片的笔记本型计算机或手机等，不仅可以使用 p s t n ( 公用电话交换网) 、i s d n 、l a n 、x d s l ( 如a d s l ) 等接入，而且可以使用蜂窝式移 动网络进行高速连接。 无线免提。笔记本型电脑具有话筒和喇叭，用蓝牙技术连接将来的手机( 也许是 宽带网) ，可使多人视频会议更为容易。免提手机也不再会汽车独有。 同步资料。无论在办公室或家里，你的n o t eb o o k 、手机或是p d a 可通过蓝牙 产品及相应程序，与其他设备同步。内部信息永保最新。当然e - m a i l 也可以实时接 受并同步输入计算机。而且e - m a i l 可以在飞机上完成，下机后自动发出。 影像传递。这有点类似n o d i a 9 1 1 0 的影响传输方式，但更加简单。带有蓝牙功能 的数码相机在拍摄完成后，影像传至手机后可直接送至世界任何一个角落，记者特别 需要这一功能。当然也可以直接将影像送入打印机，即拍即现。 蓝牙技术还可应用于键盘、鼠标、家庭网络、高速无线内部网络、电子名片等方 面堋。 1 2 课题的研究背景与意义 1 2 1 课题的研究背景和意义 随着计算机与通信设备的种类和数量日益增加，在这些设备之间建立连接就显得 至关重要。人们所需要的是一种廉价的无线连接，既方便、可靠、容易使用，要比红 外的作用距离远，又不需要直接对准。在当前各种无线通信技术中，能够满足上述需 求而又得到计算机与通信厂商广泛支持的，最有应用前景的就是蓝牙技术。可以预计， 在不久的将来，世界各地的人们将会尽情的享受这种方便快捷、安全可靠的无线连接。 其实在近几年内，蓝牙技术已经嵌入到数以亿计的移动电话、p c 机、笔记本电脑以 及各种电子设备中了嘲，笔者的手机就是支持蓝牙传输功能的，使用起来非常的方便 和快速。 蓝牙技术有着美好的未来，蓝牙技术在东方、在中国的发展与应用前景更加诱人 尽管未来的发展会有各种问题，不会帆风顺，但是蓝牙技术前进的步伐决不会停下。 我们应该抓住机遇，推广普及蓝牙技术的应用，加速实现信息化，加速实现现代化。 4 硕士论文 蓝牙局域网接入系统的研究 尽管蓝牙技术现在也受到了非常严峻的挑战，8 0 2 1 1 、w i f i 等无线技术的不断涌现 加速了无线领域的竞争。但我们应该认识到蓝牙所具有的特定优势，它功耗低，使用 方便，易于集成等特点决定了它在短距离无线传输领域的不可替代性。 1 2 2 课题的来源及主要研究内容 本课题来源于一个靶场的项目，要求把靶场的一些图像声音信息经采集编码后能 够无线传输到本地局域网中。此要求正好能被蓝牙短距离无线传输这个特性所满足， 于是便形成了此毕业设计。 此论文研究的是用蓝牙技术实现局域网的无线接入。本课题的工作在于首先全面 了解蓝牙规范1 0 版本，以及蓝牙规范的整体构架和蓝牙的底层协议栈，接下来对其 核心部分的基带协议和h c i 进行学习，在此基础上明确蓝牙协议层之间的关系以及通 过高层协议实现对低层传输协议的内部操作的原理，为开发简单的蓝牙通信系统奠定 基础。利用蓝牙的硬件平台，结合蓝牙的核心协议组件，在v c 6 0 上实现i p 数据的 无线传输，从而实现基于蓝牙的局域网无线接入。 1 3 主要研究内容 本课题的工作在于全面了解蓝牙规范1 0 版本，以及蓝牙规范的整体构架和蓝牙 的底层协议栈，接下来对其核心部分的基带协议和h c i 进行深入的研究，在此基础 上明确蓝牙协议层之间的关系以及通过高层协议实现对底层传输协议的内部操作的 原理，为开发基于蓝牙的口通信传输继而实现局域网接入奠定基础。结合设计的蓝 牙应用框架，通过在v c + + 6 0 环境下的软件编程实现p c 机之间点对点的蓝牙无线传 输，并具体讨论并给出了实现的方法和步骤。 硕士论文 菹牙局域呵接入系统的研究 2 蓝牙规范概述 2 1 蓝牙的协议体系结构 蓝牙技术标准包括协议( p r o t o c 0 1 ) 和应用模型规范( p r o f i l e ) 两个部分嘲。 协议定义了各功能元素( 如串口仿真协议、逻辑链路控制和适配协议等) 的工作方式， 而应用模型规范则阐述了为实现一个特定的应用模型，各层协议之间的运行协同机 制。显然，p r o t o c o l 是一种横向体系结构，而p r o f i l e 是一种纵向体系结构。较典 型的p r o f i l e 有拨号网络应用模型规范、局域网访问规范、文件传输规范、对象交换 规范、耳机规范( h e a d s e t ) 等，它们分别对应一种应用模型。本节对蓝牙的横向协 议和应用模型规范分别进行介绍。 2 1 1 蓝牙体系结构的协议 图2 1 简要绘出了蓝牙的协议栈结构。整个蓝牙协议体系结构可分为底层硬件模 块、中间协议层( 软件模块) 和高层应用三大部分。图中的射频层( r a d i o ) 、链路管 理层( l m ) 和基带层( b b ) 属于蓝牙的硬件模块。 图2 1 蓝牙协议栈 r a d i o 层通过2 4 g h z 无需授权的i s m 频段的微波，实现数据位流的过滤和传输 它主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所应满足的要求。 6 硕士论文 蓝牙局域网接入系统的研究 髓层负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输。它确保微微网内蓝牙设备单元之间 由射频构成的物理连接。 l m 层负责连接的建立和拆除以及链路的安全和控制，还通过协商确定基带数据 分组大小；它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。它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和数据 必须通过蓝牙主机控制器接口( h c i ) 的解释才能进行。 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。蓝牙设备设有多个物理总线接口，可用以连接蓝牙 硬件。这些总线可能采用不同的结构及参数，而蓝牙主控制器在初期阶段会支持通用 串行总线( u s b ) 、个人电脑插卡、r s - - 2 3 2 及通用异步收发器( u a r t ) 等的物理总线 结构。h c i 协议以上的协议软件实体运行在主机上，而h c i 一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。 中间协议层包括逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 、业务发现协议( s d p ) 、串口 仿真协议( r f c o 姗) 和电话控制协议( t c s ) 。 l 2 c a p 完成数据拆装、服务质量控制和协议复用等功能，l 2 c a p 向r f c o m m 和s d p 等层提供面向连接的和无连接的数据业务，是其它上层协议实现的基础。他允许上层 应用协议发送和接受长至6 4 k 字节的分组。它的功能包括：协议复用、数据的分段和 重组、组提取技术，以及服务质量信息的传送。基带数据业务可以越过l m p 而字节通 过l 2 c a p 向高层协议传送数据，从某种意义上说，l 2 c a p 和l m p 都相当于o s i 第二层 即链路层的协议，因此也是蓝牙协议栈的核心部分。 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其特性，服务发现 协议在蓝牙技术中的作用很大，它是所有应用模型的基础。s d p 上层可以有f t p 、l a n 接入、无绳电话、同步模式等应用模型。通过确定不同的信息类型和业务类型，s d p 可以在设备单元之间建立不同的s d p 层连接。 r f c o 删是基于e t s it s0 7 1 0 规范的串行仿真协议，在l 2 c a p 上仿真9 针r s 2 3 2 串口的功能。通过r f c o 删，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 等协议的支持。另外，r f c o 删可以支持a t 命令集，从而可以实现移动电话和传 真机及调制解调器之间的无线连接。 在蓝牙协议栈的最上部是高层应用，它对应于各种应用模型的p r o f i l e ，是 p r o f i l e 的一部分。针对不同的p r o f i l e ，选用的协议栈可以不同，绝大部分蓝牙设 备都需要核心协议( 中间层和底层硬件部分) ，而其它协议则根据应用的需要而定。 可选择的协议包括p p p 、u d p t c p i p 、o b e x 、v c a r d v c a r l 、i r 眦、w a p 等。 7 硕士论文蓝牙局域网接入系统的研究 2 1 2 蓝牙应用模型规范 蓝牙s i g 针对不同的应用模型，定义了许多标准的应用模型规范( p r o f i l e ) 。下 面分别进行介绍。 1 一般访问模型( g e n e r i ca c c e s sp r o f i l e g a p ) 此部分定义了用于与发现新的蓝牙设备( i d l e 模式过程) 和与连接蓝牙设备的 链路管理方面( 连接模式过程) 与关的通用的过程。同时还定义了在不同安全级别的 过程。另外，还包括了在用于用户界面级参数的通用格式。 2 业务发现应用模型( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o f i l e s d p ) 此部分定义了一个蓝牙设备如何发现其他蓝牙设备所注册的服务并且得到任何 与这些服务相关的信息特性和过程。 3 串口应用模型( s e r i a lp o r tp r o f i l e s p p ) 此部分定义了在两个对等蓝牙设备之闻使用r f c o m m 如何建立模拟串行电缆连接 的要求。这些要求以提供给应用的服务的形式，并通过定义不同单元之间的互操作性 的特性和过程来提出。 无绳电话应用模型( c o r d l e s st e l e p h o n yp r o f i l e ) 此部分定义了“三合一电话”应用中不同单元之间的互操作性的特性和过程。手 持电话有以下三种使用方式：接入公用电话网，作为普通电话使用；作为不计费的内 部电话使用；作为蜂窝移动电话使用。无线电话和内部电话使用相同的协议栈，语音 数据直接与基带协议连接，不经过l z c a p 层。 内部通信器应用模型( i n t e r c o mp r o f i l e ) 此部分定义了蓝牙设备用于支持在“三合一电话”应用中i n t e r c o m 功能的要求。 这些要求以终极用户服务的形式，并通过定义在“三合一电话”应用中不同单元之间 的互操作行的特性和过程来提出。 4 头戴设备应用模型( h e a d s e tp r o f i l e ) 此部分定义了蓝牙设备用于支持“耳机”应用的要求。这些要求以终极用户服务 的形式，并通过定义在“耳机”应用中不同单元之间的互操作性的特性和过程来提出。 使用该模式，用户打电话时可以自由移动。头戴式设备必须能收发并处理a t 命令。 5 拨号网络应用模型( d i a l u pn e t w o r k i n gp r o f i l e ) 此部分定义了蓝牙设备用于支持“报号网络”应用的要求。这些要求以终极用户 服务的形式，并通过定义在“拨号网络”应用中不同单元之间的互操作性的特性和过 程来提出。 6 传真应用模型( f a xp r o f i l e ) 此部分定义了蓝牙设备用于支持“传真”应用的要求。这些要求以终极用户服务 的形式，并通过定义在“传真”应用中不同单元之间的互操作性的特性和过程来提出。 8 硕士论文蓝牙局域网接入系统的研究 7 局域网接入应用模型( l a na c c e s sp r o f i l e l a p ) 此部分是一个用于蓝牙设备访问局域网的应用模型规范。首先，它定义了如何使 设各能够使用p p p 方式访问一个l a n 的各种服务。然后，它展示了如何使用同样的 p p p 机制来构建一个由两个蓝牙设备组成的网络。本毕业设计也是着重使用了该应用 模型。 1 0 文件传输应用模型( f i l et r a n s f e rp r o f i l e f t p ) 此部分定义了蓝牙设备用于支持“文件传输应用模型”的要求。这些要求以终极 用户服务的形式，并通过定义在应用模型中不同单元之间的互操作性的特性和过程来 提出。该模型提供两个终端之间的数据通信功能，可传输各种类型的文件，以及完整 的文件目录或多媒体数据流等并提供远程文件夹浏览功能。 除了这1 0 个应用模型外还有一些其他的应用模型就不在这边一一列出了，从原 则上来说，为了各个厂商之间的产品能够互联，所有的蓝牙设备都必须基于特定的 p r o f i l e 。而在各个p r o f i l e 之间，也存在着紧密的相互依赖关系。例如：局域网接 入应用模型和拨号网络应用模型都基于g a p 和s p p ，它们之间是继承的关系，所有的 应用模型都必须遵循g a p 中的规定。 2 2 蓝牙协议栈的组成部分 蓝牙规范的协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据 帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量( o o s ) 、协议的复 用和分用等功能。在设计协议栈，特别是高层协议时的原则就是最大限度地重用现有 的协议，而且其高层应用协议( 协议栈的垂直层) 都是用公共的数据链路和物理层。 蓝牙规范的核心部分是其协议栈。这个协议栈允许多个设备进行相互定位、连接 和交换数据，并能实现互操作和交互式的应用。图2 2 描述了蓝牙协议栈的重要组成 协议栈的各种单元( 协议、层、应用等等) 在逻辑上被分为三组： 图2 1 蓝牙协议栈的重要组成部分 9 硕士论文 蓝牙局域眄接入系统的研究 传输协议组1 ：这个协议组包含的协议主要用于使蓝牙设备能确认彼此的相互位 置，并且能创建、配置和管理物理以及逻辑的链路，以使高层协议和应用经这些链路 利用传输协议来传输数据。协议组包括射频( b l u e t o o t hr a d i o ) 、基带( b a s e b a n d ) 、 链路管理协议( l m p ) 、逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 以及主机控制器接口协议 ( h c i ) 。 中间协议组：为了在蓝牙链路上运行已有的和新出现的应用，这个协议组由另外 的一些传送协议构成。它不仅包括第三方和业内的一些标准协议，而且还包括s i g 特别为蓝牙无线通信而制定的一些协议。前者包括与i n t e r n e t 有关的协议( p p p ，i p 和t c p 等) 、无线应用协议( w a e ) 和i r d a 及类似组织所采用的对象交换协议，等等。 或者包括三个专为蓝牙通信而制定的协议，以使种类繁多的应用能在蓝牙链路上运 行。其中被称为r f c o m m 的串行端口仿真器协议( s e r i a lp o r te m u l a t o rp r o t o c 0 1 ) ， 能使一些传统的串口应用在蓝牙传输协议上无缝的运行。另一个基于分组的电话控制 信令协议为电话的操作提供了高级控制功能，比如为无绳手机和基站提供了分组管理 和移动型支持。最后，服务发现协议( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 使设备能够相互 查询对方所支持的服务，并且能够获知如何访问这些设备的信息。 应用组：这个协议组包含使用蓝牙链路的实际应用。包括通用协议子集，电话协 议子集，串口和对象交换协议子集，联网协议子集等等，目前共定义了1 3 种协议子 集这些应用被s i g 统一收录在蓝牙协议子集内。 2 3 传输协议组 传输协议是s i g 为在设备间承载语音和数据业务而开发的传输协议。其不仅支持 数据通信的异步传输，同时还支持能达到电信及质量的( 6 4 k b p s ) 语音通信的同步传 输。为了保证音频应用中所期望的高服务质量，音频业务被赋予了较高的优先级，不 经过任何中间协议层，直接从音频应用通到基带层上，然后以小分组的形式直接在蓝 牙的空中接口上传输。 总的来说，“传输协议组”总的协议集构成了一个虚拟的管道，通过蓝牙的空中 接口将数据从一个设备传送到另一个设备。原则上，这些协议定义了通信设备之间的 传输，因此为该协议组选择了这样的名称。这个协议组的中全部协议都必须支持蓝牙 设备间的通信，对这个协议组之外的其他协议没有这样的要求，即使是对s i g 开发的 另外一些协议( 如r f c o m m ) 也没有这样的要求。 2 3 1l 2 c a p 层 来自数据应用的业务首先被传递到逻辑链路控制和适配协议( l o g i c a ll i i l k l o 硕士论文蓝牙局域网接入系统的研究 c o n t r o la n d a d a p t a t i o n p r o t o c o l ，l 2 c a p ) 层。l 2 c a p 层为应用和更高层的协议屏蔽了 下层传输协议的细节。这样，高层就不必为了解发生在射频和基带层的频率跳变，也 不需要知道在蓝牙空中接口上传输的特殊分组格式l 2 c a p 支持协议的多路复用，允 许多种协议和应用共享空中接口。他还能将高层使用的大部分组拆分成基带可以传输 的小分组，并在接收设备中完成对这些分组的相应组装过程。此外，通过协商一个可 以接受的服务等级，两个对等设备中的l 2 c a p 层的具体实现可以对新业务进行输入 控制，并与底层相互配合来维持这个希望的服务质量。 2 3 2 链路管理器层 每个设备中的链路管理器通过链路管理器协议( l h 佃) 与蓝牙空中接口协商能够 得到的性能。这些性能包括为支持数据( l 2 c a p ) q k 务所需的服务等级而分配的带宽， 以及为支持音频业务而获得的周期性预留带宽。通信设备中的蓝牙链路管理器采用查 询一响应方式对设备进行鉴权。并且在需要的时候对空中接口的数据流进行加密。如 果鉴权失败，链路管理器可能会切断设备之间的连接，从而禁止这两个设备相互通信 由于能够通过交换参数信息，比如低活动性基带模式的持续时间等，协商得到活动性 较低的基带操作模式，因此链路管理器还可以支持功率控制。此外，为了进一步保持 功率，链路管理器也可以请求调整发射功率的大小。 2 3 3 基带和无线层 只有在采用了相互匹配的无线发射机和接收机之后，空中的无线传输才有意义。 蓝牙射频设计包括了一些参数的设计，通过调整这些参数可以在短距离的无线通信中 最佳的使用蓝牙协议栈。 蓝牙规定的天线功率以0 d a m ( 1 m w ) 为基准，最大可达2 0 d b m ( 1 0 0 m w ) ，其工作 频率符合大多数国家( 如美国、欧洲、日本等) 的i s m 频段标准。之所以选取此频段是 为了能达到在全球均能运作的目标，即系统所需之频带必须是全球各地均能很容易取 得，且此频带是未受法规限定及公开给无线电使用的，唯一符合此项要求的便是 2 4 g h z 一称为工业，科学，医疗0 s m ) 的频带。 i s m 频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的任一频带都会遇到 不可预测的干扰。例如某些家电、无绳电话、微波炉等，都可能是干扰源。为此，蓝 牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。蓝牙通过跳频方式将能量扩散到 起始于2 4 0 2 g h z 终止于2 4 8 0 g h z 的i s m 频段中，并将其划分为7 9 个跳频信道，每 个信道1 m h z 。当前，蓝牙s i g 正试图在全世界的范围内协调这7 9 个信道，并己促 使日本、西班牙等国政府调整了相应的限制政策。 硕十论文 蓝牙局域网接入系统的研究 基带层决定和展示了蓝牙的空中接口。同时，他还定义了设备间相互查找的过程 以及建立连接的方式。基带层为设备定义了主从角色，发起连接过程的设备是这个连 接的“主控设备”，而其他的设备是“从属设备”。基带还定义了如何形成通信设备 所使用的跳频序列以及几个设备共享空中接口的有关规定，这些规定以时分双工一 ( t u n ed i v i s i o nd u p l e x ，t d d ) 为基础，采用基于分组的轮询方式。同时，它还进一步 定义了同步和异步业务共享空中接口的方式。例如，在同步传输中，主控设备既可以 向一个从属设备发送并同时周期性的查询该设备。基带也规定了支持同步和异步业务 的各种分组类型，同时定义了各式各样的分组处理过程，包括检错、纠错、信号白化 ( s i g n a lw h i t e n i n g ) 、加密、分组的传输和重传。 需要注意的是，主控设备和从属设备的概念不能扩展到比链路管理器层更高的层 次上。在l 2 c a p 层及其以上的各层中，通信是基于端到端的对等模型，不存在主控 设备或从属设备的这种行为上的差异。 如前所述，蓝牙在2 4 g h z 的i s m 频段的7 9 个信道里以跳频方式工作。当两个 蓝牙设备成功建立链接后，一个微微网( p i e o n e t ) 便形成了。两者之间的通信通过无线 电波在这7 9 个信道中随机跳转而完成。蓝牙给每个微微网提供特定的跳转模式，因 此它允许大量的微微网同时存在。蓝牙既支持电路交换也支持分组交换。 蓝牙基带帧保留了一部分时隙用于同步分组( 对应于电路交换) ，每个分组在不同 的跳频中发射，一个分组通常占用1 个时隙，最多能扩展到5 个时隙。蓝牙支持最大 可达3 个同步的语音信道，同时也支持非同步数据信道，或者一个信道同时支持同步 语音和非同步数据。蓝牙采用时分双t ( t d d ) 方案来实现全双工传输。因此蓝牙的一 个基带帧包括两个包，首先是发送包，然后是接收包。每个包可有1 个、3 个或者5 个时隙组成，每个时隙6 2 5 u s 。一个典型的单时隙每秒跳1 6 0 0 次。 多时隙由于节省了头信息开销而具有更高的数据速率。比如，单时隙真的单向速 率最大为1 7 2 k b i t s ，而一个5 1 ( 5 表示一帧内的发送包的时隙数，l 表示接收包的时 隙数) 的多时隙帧则支持发送率为7 2 1 k b i f f s 和接收率为5 7 6 k b i t s 。 2 3 4 h c i 层 无线、基带和链路管理器可以封装在一起，形成一个蓝牙模块。而把这个模块附 着在一个主机设备上，该设备就能具有蓝牙无线通信的功能。在这种配置中，主机还 包含l 2 c a p 层和协议栈终得更高层的有关部分。模块与主机之间的物理接口被称为 主机传送口( h o s tt r a n s p o r t ) ，类似于通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) ，r s 2 3 2 端口或一个u a r t 。为了使不同开发商的蓝牙模块能够互通，规范定义了一个通用接 口，以便可以访问模块中协议栈的下层协议，这个连接主机和模块的接口是一个独立 硕士论文蓝牙局域网接入系统的研究 的特殊物理接1 2 。主机控制器接口( h c i ) 允许包括应用在内的高层协议通过一个信号 标准接口访问基带层、链路管理器层和其他的硬件寄存器。通过h c i 命令，模块可 以进入某一种给定的操作模式，比如说，完成一种鉴权操作，或者执行一个设备的寻 呼状态。通过h c i 事件，高层协议可以得知一个设备请求操作自q 结果、读出在基带 中音频编译码器的设置以及读出接到传输分组的信号强度等等。当然，主机发射和接 收业务时，不论是同步业务还是异步业务都要通过h c i 。 典型的，h c i 层应处于l 2 c a p 层之下，但规范并没有提出这样的要求。开发这 一层的唯一目的是为了实现主机设备和蓝牙模块之间的互操作，因为这些设备或模块 可能是来自不同开发商的产品。而产品的具体实现不必一定满足h c i 规范来支持一 个完全符合要求的蓝牙空中接口。 2 。4 中间件协议组 中间件协议【3 2 】利用下层的传输协议，为应用层通信提供标准接口。中间件层的每 一层都定义了一个标准协议，这些协议允许应用能够利用一个更高级的抽象，而不必 直接与下层的传输协议打交道。中间件协议包括： ( 1 ) r f c o m m ，一个串行端口的抽象。 ( 2 ) 服务发现协议( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l ，s d p ) ，用于描述可用的服务和确定 所需服务的位置 ( 3 ) 一套i r d a 互操作协议，它们来自于k d a 标准，能实现i r d a 各种应用的互 操作。 ( 4 ) 电话控制协议( t e l e p h o n yc o n t r o lp r o t o c o l ，t c s ) ，用来控制音频或数字业务的 电话呼叫。 2 4 1r f c o m m 层 串行端口是如今计算和通信设备中最常见的通信接口之一。大多数通过串口传输 数据的串行通信需要一条电缆。由于蓝牙无线通信的目标是要代替电缆， 因此在最 初的一套电缆替代应用模式中，支持串行通信以及与之相关的应用是其最重要的特 征。端到端的文件和对象传输、数据同步和和拨号上网是一些最常用的串行通信的应 用。 为了方便在蓝牙无线链路上实现串行通信，协议栈定义了一个称为r f c o m m 的 串行端口抽象。r f c o m m 为各种应用提供了一个虚拟的串行端口，这样就可以方便 地将有线串行通信中的应用搬到无线串行通信的领域中来。因此一个应用可以象使用 一个标准的有线串口一样，利用r f c o m m 实现诸如同步、拨号上网和其他的各种功 硕士论文蓝牙局域网接入系统的研究 能，对于应用而言没有明显的变化。如此看来，r f c o m m 协议的目的就是要使传 统的基于串口的应用可以利用蓝牙传输。 r f c o mm 是欧洲电信标准协会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e e t s d t s0 7 1 0 标准定义的模型，这个标准定义了在一个单独的串行链路上进行多路 复用串行通信的方式。蓝牙规范采用了e t s l0 7 1 0 标准的一个子集，同时还专门为 蓝牙通信作了一些修改。 由于串行通信在数字设备中非常流行，因此r f c o m m 可以为应用提供的串口能 力就成为协议栈中非常重要的一部分，尤其是对版本1 0 规范要实现的那些传统应用 更为重要。 2 4 2 s d p 层 任何一种蓝牙应用模式都可以看成是利用了一组服务。设备组网的主要目的是要 使这些设备可以相互通信，以便设备间能相互利用。以像以太网这样的传统网络中， 文件服务、打印服务、域名服务、网桥和网关之类的多种服务是由网络中的设备( 服 务器) 提供的，对于蓝牙无线通信中使用的这种变化频繁的网络，不能像以太网那样 静态的配置。必须实现一种动态的配置方式，这就是提出蓝牙服务发现协议( s d p