（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙技术的无线个域网关键技术的研究.pdf

东南大学硕士研究生论文 摘要 本课题是国家“ 十五” 科技攻关项目“ 基于b l u e t o o t h 技术的无线接入系统” 和江苏省优先启动的“ 十五”重大科技攻关项目“ c d ma无线接入系统”的研 究内 容之、 其主要任务是研制基于蓝牙技术的无线个域网系统并对该系统的 关键技术进行研究。论文对wi n d o w 2 0 0 0 / x 8 6 体系下的蓝牙个域网系统进行设 计， 对该系统中的蓝牙网络适配协议进行了深入研究， 分析w i n d o w s 下的网络 体系结构，研制了蓝牙网络适配驱动程序和基于 p c的应用系统并付诸实际使 用。 全文分为六章。第一章概述了课题背景，对蓝牙技术以及无线个域网应用 和发展现状做了简单介绍。第二章介绍了蓝牙技术标准，包括系统组成、协议 框架和应用模型等，并和其它无线个域网技术做了简单比较。第三章给出了蓝 牙个域网应用模型的结构体系、协议框架和基本流程等。第四章介绍了蓝牙个 域网系统中包括的蓝牙网络封装协议。详细介绍了该 协议在协议栈中的作用和 帧结构之后，给出了实现该协议所用的数据结构、接口和基本流程。第五章分 析了wi n d o w s 2 0 0 0 系统下的网络结构和 t c p / i p 模型，并给出了蓝牙个域网系 统在wi n d o w s 2 0 0 0 下的设计方案。 第六章论述了蓝牙适配网卡驱动程序的设计 和实现。包括数据收发、系统管理和对上下层的接口， 包括对上n d i s 接口 和 对下的u s b接口配置等。 根据系统分析，己完成蓝牙个域网的应用系统，包括蓝牙收发模块和相关 的软件部分。在该系统下，多个设备之间可以实现数据共享，如果其中一个设 备和局域网连接，其它设备也可以通过该设备访问局域网和 i n t e r n e t 网络。 第 1 页 东南大学硕士研究生论文 a b s t r a c t t h e c o n t e n t o f t h e t h e s i s b e l o n g s t o t h e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y p r o j e c t o f 1 0 t h f i v e y e a r p l a n i n c h i n a ( 2 0 0 1 b a 1 0 2 c ) a n d t h e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y k e y p r o j e c t o f 1 0 t h f i v e y e a r p l a n i n j i a n g s u ( b g 2 0 0 0 0 0 8 ) . t h e m a i n t a s k o f t h i s t h e s i s i s t o d e v e l o p p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ( p a n ) s y s t e m b a s e d o n t h e b l u e t o o t h t e c h n o l o g y a n d t o r e s e a r c h t h e k e y t e c h n o l o g y o f t h e s y s t e m . t h e t h e s i s g i v e s t h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e p a n s y s t e m o f b l u e t o o t h b a s e d o n w i n d o w s 2 0 0 0 / x 8 6 s t r u c t u r e . b l u e t o o t h n e t w o r k e n c a p s u l a t i o n p r o t o c o l i n t h e p a n p r o t o c o l s t a c k i s a n a l y z e d i n d e t a i l a n d i m p l e m e n t e d i n s o f t w a r e . m o r e o v e r , t h e t h e s i s a n a l y z e s t h e n e t w o r k s t r u c t u r e i n w i n d o w s a n d g i v e s t h e i m p l e m e n t a t i o n o f b l u e t o o t h n e t w o r k a d a p t e r d r i v e r p r o g r a m a n d t h e u s a b l e s y s t e m o n p c . t h e w h o l e t h e s i s i s d i v i d e d i n t o s i x c h a p t e r s a s f o l l o w s . f i r s t l y , t h e b a c k g r o u n d o f s t u d y i s i n t r o d u c e d . w e m a i n l y d i s c u s s t h e b l u e t o o t h a n d w i r e l e s s p a n a p p l i c a t i o n r e q u e s t a n d d e v e l o p m e n t . t h e n t h e b l u e t o o t h s t a n d a r d h a s b e e n i n t r o d u c e d . t h e c o m p o n e n t s o f s y s t e m a n d p r o t o c o l s t a c k a n d p r o f i l e m o d u l e o f b l u e t o o t h s y s t e m a r c d e l i n e a t e d . m o r e o v e r i t i s c o m p a r e d w i t h o t h e r w p a n t e c h n o l o g y . a f t e r t h a t t h e s t r u c t u r e , p r o t o c o l s t a c k a n d w o r k士 l o w o f b l u e t o o t h p a n s y s t e m a r e d e l i n e a t e d . t h e n , w e i n t r o d u c e t h e b l u e t o o t h n e t w o r k e n c a p s u l a t i o n p r o t o c o l i n p a n s y s t e m i n c l u d i n g t h e f u n c t i o n a n d p a c k e t s t r u c t u r e o f七 h e p r o t o c o l t h e n t h e d a t a s t r u c t u r e , i n t e r f a c e a n d w o r k f l o w ) t h e p r o t o c o l i m p l e m e n t i s g i v e n . f u r t h e r d i s c u s s i o n h a s b e e n p l a c e d o n t h e n e t w o r k a r c h i t e c t u r e( w i n d o w s 2 0 0 0 a n d t c p / t p m o d e l . d e s i g n a n d i m p l e m e n t o f t h e w p a s y s t e m b a s e d o n b l u e t o o t h i n w i n d o w s 2 0 0 0 a re g i v e n o n t h i s p l a t f、o r m . f i n a l l y , w e g i v e t h e m e t h o d t o d e v e l o p t h e n e t w o r k a d a p t e r d r i v e l o f b l u e t o o t h . s o m e k e y t e c h n o l o g i e s i n c l u d i n g t r a n s f e r r i n g d a t a , i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t , n d t s i n t e r f a c e t o u p p e r a n d u s b i n t e r f a c e t l o w e r a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l . b a s e d o n a n a 工 y s i s o f t h e s y s t e m , b l u e t o o t h p a s s y s t e m n c l u d i n g b l u e t o o t h u o d e l a n d r e l a t e d s o f t w a r e i s c o i叩l e t e d . i n t h e s y s t e m i n f o r m a t i o n c a n b e s h a r e d w i t h m a n y d e v i c e s a n d i f a n y o n e i s c o n n e c t e d w i t h l a n , o t h e r s c a n a c c e s s l a n a n d i n t e r n e t t h r o u g h i 七 . 第 1 1 歹 1 学 位 论 文 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下 进行的 研究工作及取得的 研究成果。 尽我所知， 除了 文中 特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其 他人已 经发表或撰写过 的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它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。 签名:i 娜日期 7 c v 3， 3 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档， 可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 木人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外， 允许论 文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包 括刊登)授权东南大学研究生院办理。 签名:导 师 签 名 : 嘟日 期 ;2 4 7-0 ; . 今 东南大学硕士研究生论文 第一章 绪论 随着通信和计算机技术的不断发展， 产生了越来越多的通信设备和电子消费 产品。 手机、 p d a 、 数码相机、 笔记 本电脑以及信息家电 等等层出不穷， 丰富了 人们的生活， 也对无线通信和网络技术提出了更高的要求。 对于在任何时间、 任 何地方和任何人实现信息交流的要求不断推动着通信技术的向前发展。 从有线到 无 线， 从固 是 到 移 动， 从 简 单 业务 到 多 媒 体 应用， 通 信 技术 逐 步向 着 这 个方向 发 展。 网络技术是其中越来越重要的一方面， 计算机网络就范围上来讲包括广域网、 城域网、局域网 ( l a n , l o c a l a r e a n e t w o r k ) ，以 及目 前兴起的 个域网 ( p a n , p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 。 个域网作为最小范围的网络， 其目的是实现个人信息终 端的智能化互联， 组建个人化的信息网络， 是最靠近用户的信息交流方式。 个域 网有其不同于其它网络的要求， 首先必须能够实现无线的连接， 对于个人信息终 端多媒体化的情况下， 需要信息交互具有较高的速率。 另外， 对于多种个人设备 都处于移动的情况下，需要有简单灵活的组网方式。同时， 对于个人电子设备， 低功耗和低辐射以减小对人体的影响等方面都是需要考虑的因素。 目前， 有多种短距离无线传输技术并存， 其中由爱立信、 诺基亚以及i b m 等 公司发展起来的蓝牙技术是实现wp a n ( wi r e l e s s p a n)的一个佼佼者。蓝牙是 一个开放的、 短距离无线通信技术标准， 它可以 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。 蓝牙技术支持点对点和点 对多点的工作方式， 因此本身就具有灵活组网的性能， 和无线个域网的概念相辅 相成。 蓝牙在无线个域网的标准设立和技术发展方面有重要的价值。 事实上， 1 9 9 9 年3 月起成立的i e e e wp a n研究小组 8 0 2 . 1 5 ) 就致力于为p a n定义一个无线 通信标准， 满足不同情况下的个域网要求。 其中 将蓝牙协议被采纳为i e e e 8 0 2 . 1 5 的一部分， 即i e e e 8 0 2 . 1 5 . 1 ， 另外的8 0 2 . 1 5 . 2 主要研究wp a n和wl a n的互存 性， 8 0 2 . 1 5 .3 制定将来在wp a n中的高速传输标准 ( 2 0 m b p s 以上) ，8 0 2 . 1 5 .4 研究 特别 节电 的 技术 和低复 杂度的方案 ! 。 个 域网 概念 有着巨 大的 应用 潜力 和应 用范围， 同时在不同的场合下也有不同的要求。 针对个人设备就特别要求低成本、 小尺寸和低功耗， 对于多媒体等应用就对速率有更高的要求。 针对不同的要求可 以有不同的技术支持， 因此多种短距离无线传输的技术也有不同的应用场合和发 展方向。 蓝 牙 特殊 利益 小 组( b s i g , b lu e t o o t h s p e c i a l i n te r e s t g r o u p ) 2 在2 0 0 1 年6 月也针对基于蓝牙技术的个域网给出了 应用模型规范p a n p r o f i l e 0 .9 5 a 。 初步制 定了单个微微网情况下的蓝牙个域网实现的协议框架， 需要共同遵循的流程和设 置的参数。 不同厂商的产品只要都基于该模型就可以共同完成组网的功能。 蓝牙 个 域 网 模型曾 提出 多 个 方案 3 1 ， 最终 采 用的 方 案 通 过 仿 真以 太网的 方 式， 增加 蓝 牙网络适配协议，增加包头的开销获取承载 i p的能力。在这种模型下，可以和 现有的已经包含i p的系统融和， 形成具有蓝牙无线传输能力的无线个域网系统。 对于多个微微网组织成为多跳的个域网的标准，目 前有多种讨论方案， 蓝牙s i g 还没有给出最终的规范。 多 跳路径的 选择， 组网的方式等许多问题还在研究中 川 。 第 i贞 东南大学硕士研究生论文 本学位论文的主要任务就是研究基于蓝牙技术的无线个域网系统中的关键 技术。 作者所在的项目 组承担国家“ 十五” 科技攻关项目 和江苏省十五重大攻关 项目“ c d m a 无线接入的研制， ， 其中就包括蓝牙无线个域网的研究。论文作者主 要对蓝牙个域网应用模型规范进行研究、 分析和实现。 完成了蓝牙网络适配协议， 并和实验室自 主研制的蓝牙协议栈一同移植到w i n d o w s 2 0 0 0 内核系统下， 完成蓝 牙个域网系统的软件开发工作。 开发的软件能够和实验室自 主开发的蓝牙无线收 发模块共同组成初步的蓝牙个域网系统。 本 文 芬 为 六 章， 各 章 的 安 排 如 下 : 第一章介绍课题背景和项目 来源，并介绍论文的主要内容和章节安排。 第二章简要介绍蓝牙技术， 包括蓝牙系统的各部分组成、 协议结构和应用模 型体系，最后简单比较蓝牙技术和其它短距离无线传输技术。 第三章介绍蓝牙应用模型中的个域网系统。 包括结构体系、 协议框架和基本 流程。同时说明了系统需要的 配置参数和相关的操作。 第四章介绍蓝牙个域网系统包括的蓝牙网络封装协议。 详细介绍了该协议在 协议栈中的作用和帧结构。 同时给出了实现该协议所用的数据结构、 接口 和基本 流程。 第五章给出 wi n d o w s 2 0 0 0下蓝牙个域网的设计方案。首先介绍了 wi n d o w s 2 0 0 0系统中的网络结构和 t c p / i p模型，最后给出个域网系统在 wi n d o w s 2 0 0 0 下的实现设计 。 第六章介绍蓝牙个域网实现的主要软件工作， 即蓝牙适配网卡驱动程序的实 现。 首先详细介绍了数据收发和系统管理的实现， 然后说明了网卡驱动程序对上 下层的接口，包括对上n d i s 接口 和对下的u s b接口 配置等。这是本文作者的 工作重点。 第 z 4 i 东南大学硕士研究生论文 第二章 蓝牙技术和wp a n 蓝牙技术是一种典型的用于无线个域网的短距离无线传输技术。 本章首先对 蓝牙技术做总体介绍， 包括蓝牙的系统组成， 协议框架， 应用规范等。 最后再讨 论其它短距离无线传输技术，并与蓝牙技术做简单的比较。 2 . 1蓝牙拉术 概述 蓝牙的设计初衷是用一种小型化、低成本和微功率的无线通信技术，形成 一种个人身边的网络， 使得在其覆盖范围之内各种信息化的移动或固定设备都能 无缝地实现资源共享。 其实质内容是要建立通用的无线空中接口 及其控制软件的 公开标准， 使通信和计算机进一步结合， 使不同厂家生产的这类设备在没有电线 或电缆相互连接的情况下， 也能在近距离范围内具有互用、 相互操作的性能. 1 9 9 8 年5 月，由 爱立信 ( e r i c s s o n ) 、诺基亚 ( n o k i a ) 等公司联合发起，组织成立了 蓝 牙 特殊 利益 小 组b lu e to o th s p e c ia l i n t e r e s t g r o u p ， 简 称b s i g 或s i g , 旨 在 制 定和修改b l u e t o o t h 的技术规范和推广其应用。 到目 前为止， b s i g的成员已 接近 3 0 0 0 . 2 0 0 1 年2月，b s i g对外公布了蓝牙1 . 1 版本的标准，预计今后还会不断 推出更新的版本， 但从l o b开始的各版本都是可生产的。 蓝牙设备t - 作在 2 .4 g h z的工科医频段 ( i s m, i n d u s t r i a l , s c i e n c e a n d me d i c i n e ) ， 在大多数国家为2 4 0 0 - 2 4 8 3 . 5 mh z ， 使用7 9 频道， 间隔均为1 mh z ; 采用时分双i ( t d d , t i m e d i v i s i o n d u p l e x ) 方式: 调 制方 式为b t = 0 . 5 的g f s k , 调制指数为0 .2 80 .3 5 ; 最大发射功率分为三个等级， 分别是: i o o m w ( 2 0 d b m ) , 2 . 5 m w ( 4 d b m ) 和1 m w ( o d b m ) ， 在4 - 2 0 d b m范围内 要 求采用功 率控 制， 由 此可 见，蓝牙考虑的最大通信距离大约为 1 0 - - 1 0 0米。另外，到 1 . 1 版本，蓝牙的基 带符号速率仍为 1 mb / s ，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0 .6 2 5 u s 。不排 除将来采用更高的符号速率。蓝牙支持 6 4 k b / s的实时语音传输和各种速率的数 据传输，语音编码采用对数p c m或连续可变斜率增量调制 ( c v s d , c o n t i n u o s v a r ia b l e s lo p e d e lta m o d u la t io n ) 。 语音 和 数 据 可 单 独 或同 时 传 输。 跳 频 也 是 蓝 牙 使用的关键技术之一， 对应于单时隙包， 蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 跳每秒; 对应 于多时隙包， 跳频速率有所降低; 但在建链时( 包括寻呼和查询 ) 则提高为 3 2 0 0 跳每秒。使用这样高的跳频速率，b l u e t o o t h系统应该具有足够高的抗干扰潜力 和多 址 能 力 ， 。 2 .2 蓝牙系统组成 蓝牙功能单元的构成如图2 . 1 所示，包括射频单元、 基带单元、 链路管理单 元和软件功能单元四个部分。 射频单元 主要包括调制部分和天线部分。 蓝牙工作在2 .4 g h z 的i s m频段， 调制方式 为g f s k ， 采用快速确认和跳频方案以 确保链路稳定。 可采用不同功率的发射天 线实现不同的通信距离。 第 3 s 东南大学硕士研究生论文 链路管理单元 基带单元 射频单元 图2 . 1蓝牙功能单元构成图 基带单元 主要包括基带链路的控制部分和基带包的纠检码部分， 负责基带协议和其它 一些底层的协议。 在蓝牙的主从节点之间， 有两种不同类型的链路， 即面向连接 的 同 步 s c o ( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n - o r i e n t e d ) 链路 和异步 无连接的 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。 可以支持一个异步数据通道， 或三 个并发的同步话音通道， 或一个同时传送异步数据和同步话音的通道。 每个话音 通道支 持 6 4 k b p s 的同 步话音; 异步通道支持的 最 大速率为 7 2 1 k b p s ， 反向 应答 速 率为 5 7 . 6 k b p s 的 非 对称连 接， 或者是 4 3 2 .6 k b p s 的 对 称连接。 基带 部分 采用以 下 三 种方案进行纠错:1 / 3 r 匕 例和2 / 3 比例前向纠错( f e c , f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n ) 码， 数据的自 动请求重发方案。 同时， 基带部分能够在物理层为用户提供保护和 信息保密机制。 鉴权是蓝牙系统中的关键部分， 它允许用户为个人的蓝牙设备建 立一个信任域。同时可以用加密来保护连接中的个人信息。 链路管理单元 链路管理器 ( l m , l i n k m a n a g e r ) 软件实现链路的建立、验证、链路配置及 其它的协议。 链路管理器可发现其它的链路管理器， 并通过链路管理协议 ( l m p , l i n k m a n a g e p r o t o c o l ) 建立通信联系， l m 利用链路控制器( l c , l i n k c o n t r o l l e r ) 提供的服务实现上述功能。l m 模块提供的服务包括:发送和接收数据 ;请求名 称， l m 能够有效地查询和报告名称或者设备i d ; 链路地址查询; 建立连接; 鉴权; 链路模式协商和建立，比如数据模式或者话音/ 数据模式，在连接建立过程中模 式是可以变更的;决定帧的类型;将设备设为s n i f f 模式或是h o l d 模式;当设备 不需要传送或接收数据但仍需保持同步时将设备设为暂停模式。 软件功能单元 蓝牙技术应用广泛，需要支持多种服务，并应具有互通特性。对某些设备， 从底层无线接口到应用层协议和对象交换格式都要实现互通: 对另外一些设备的 层次要求则宽松得多。 装有蓝牙的设备都应该能够互通。 软件的互通性始于链路 级协议的多路传输、 设备和服务的发现，以及分组的分段和重组。 蓝牙设备要能 够彼此识别， 并通过安装合适的软件识别出彼此支持的高层功能。 因此对于互通 第 4 f t 东南大学硕士研究生论文 性要求采用相同的应用层协议， 对于各种不同的 应用可能采用不同的协议栈。 为 实现这些功能，蓝牙软件构架将尽量充分的利用现有 的规范，如 o b e x , v c a r d / c a l e n d a r , h i d ( 个性化接口 设备) ， 及t c p / i p 协议等， 而不是再去开 发新的规范。 充分利用己有的协议可以扩大蓝牙设备的作为一种无线传输方式在 各种场合的应用。 软件结构将实现以下功能: 配置及诊断; 蓝牙设备的发现;电 缆仿真;与外围设备的通信; 音频通信及呼叫控制; 交换名片和电话号码的网络 协 议; 接 入i n t e r n e t 等。 2 .3蓝牙网络拓扑结构 蓝牙系统支持点对点以及点对多点通信， 因此其网络结构非常灵活， 总的看 来，它的拓扑结构是星形结构。在一个微微网( p i c o n e t ) 中，所有设备的地位都 是平等的， 但只能有一个主设备( m a s t e r ) 发起建链、 提供同步时钟。 一个主设备 可以最多同时和7 个从设备( s l a v e ) 进行通信。具有重叠覆盖区域的多个微微网 构成分散网络( s c a t t e r n e t ) ， 就是说多个微微网 可以覆盖同一区域。 一个微微网 的从设备可以按照时分复用加入多个微微网， 主设备可以同时是另一个微微网的 从设备。不同的微微网的设备使用由各自主设备决定的跳频序列和信道接入码 ( c h a n n e l a c c e s s c o d e pl 。图2 . 2 和图2 . 3 分别是p i c o n e t 和s c a t t e r n e t 的 拓 扑图。 蓝牙系统包括内部通信和与外界通信两种。 也就是说， 蓝牙系统既可以独立 成网， 又可以作为接入网或接入网中的一个环节。 包括计算机主机与其外围设备 的蓝牙无线连接， 计算机无线拨号上网、 无线接入局域网， 移动手机接入固定电 话网以及蓝牙个域网的一些应用网络结构。 所有这些情况都分别对应于蓝牙的两 种通信连接， 即不仅可以实现内部的设备通信， 而且可以通过各种网关访问固定 电话网、移动电话网、i p 网等，如图2 . 4 所示。 / / 一 / /- - -一一 / / / 图2 .2 p i c o n e t 拓扑图 图2 . 3 s c a t t e r n e t 拓扑图 第5页 东南大学硕士研究生论文 /护 络 网 牙 蓝 、 、 厂 口 咄咄咄 / / 图2 . 4 蓝牙系统与其它网络互连 2 . 4蓝牙协议栈 蓝牙通信协议基本都处于o s i 的数据链路层， 根据蓝牙系统的 广泛性、 灵活 性和开放性的 特点设计的。 能够适应多种常见的网 络协议和应用协议， 起到短距 离无线连接的作用。 协议栈的框图如图2 . 5 所示。 二工c 1 wag at- tcs_ obek wap commands bin sdprfcomii audiol2 capbas band v a r ! 一 va 一 udp ,tcpip -pyp 图2 . 5蓝牙协议栈 其中， 基带协议 ( b a s e b a n d ) 主要提供s c o和 路， 使两个蓝牙设备间的物理射频链路形成微微网。 备间物理链路的建立。 它是基带上层的链路级协议， a c l 两种不同类型的物理链 链路管理协议负责蓝牙各设 比用户信息具有更高的优先 级。 主机控制器接口 ( h c i , h o s t c o n t r o l l e r i n t e r f a c e ) 提供了 访q 基带控制器、 链 路管理以及硬件的状态和控制寄存器的命令格式。逻辑链路控制和适配协议 ( l 2 c a p , l o g i c l i n k c o n t r o l a n d a d a p t a t i o n p r o t o c o l ) 在基带上适配上层协议， 可以 认为与l m p 并行工作。 l 2 c a p 协议为上层协议提供数据服务， 它通过控制 逻辑链路 来支持多 种上 层协 议的复 用 ( p r o t o c o l m u lt i p l e x i n g ) ， 提供 分段和重组 操 作 ( s e g m e n t a t i o n a n d， 并且 提供 对组 发现协议( s d p , ( g r o u p )的管理功能。 服务 s e r v i c e d i s c o v e r y p r o t o c o l) 主 要由 两 大 部 分 组 成: 服务 信息 记 录 数据库和发现/ 浏览服务功能。发现服务在蓝牙系统中起着至关重要的作用，它 第 6页 东南大学硕士研究生论文 是所有用户模式的 基础。电 缆替代协议( r f c o m m ) 基于e t s i 0 7 . 1 0 规范的串 行 线仿真协议。 r f c o m m在l 2 c a p 上仿真r s 2 3 2 控制信号和数据信号，为使用 串行线传送机制的上层协议 ( 如o b e x 、拨号上网、f a x) 提供服务。二元电话 控制协议 ( t c s b i n , t e l e p h o n y c o n t r o l p r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n b i n a r y )是 面向比 特的协议， 它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令， 定义了 处理蓝牙t c s 设备群的移动管理进程。 阴影部分的协议是非蓝牙规范协议，设计蓝牙协议栈时， 主要的原则就是针 对高层的各种不同应用尽可能的使用已 有的协议，该原则在很大程度上使得现有 的各种应用可以向蓝牙移植， 从而缩短了产品推向 市场的时间。蓝牙协议栈同时 也是开放的， 它允许不同的开发者在蓝牙规范之上开发新的协议以支持新的应 用。 新的蓝牙规范还定义了一些新的协议和应用模型， 本文主要用到的蓝牙网络 适 配协议 ( b n e p ,b l u e t o o t h n e t w o r k e n c a p s u t i o n p r o t o c o l ) 就是为 个域网 模型 新 增加的协议。 2 . 5 蓝牙的应用模型 蓝牙技术可以 应用于多种场合， 也可能由 不同的制造商来生产开发。 为了 保 证蓝牙产品的通用性和兼容性， 蓝牙标准里为基本的应用都定义了一系列的应用 模型 ( p r o f i l e s ) 。其中主要定义了应用蓝牙协议的流程，针对不同应用对各层协 议的要求以及所需要给出的确切参数。 只要不同的厂商设计的蓝牙产品都符合这 种规范， 才能保证兼容。 一个应用模型一般都包括支持该应用的一系列功能， 包 括必备功能、 可选功能、 条件功能。 如果某项产品声称支持某项应用， 就应支持 所有的功能， 才能通过认证。 通过认证的蓝牙设备之间的相同应用， 就可以相互 操作并保证兼容了。 amihraki一一-mttcs-bin nr1 育 淮 薰 濒知一 裂 黔 4 毫 对 象 推 入 通用对象 交 换 模 型 文 件 传 输 1 同 步1 拨号网络对象推入 传真 文件传输 耳机 同步 局域网接入 图2 . 6蓝牙应用模型的主要结构 第 ， 页 东南大学硕士研究生论文 蓝牙的应用模型规范是分层给出的，每个应用模型必须符合基本层的规范。 图2 . 6 是蓝牙基本应用模型的主要层次结构6 。随 着更多的 应用被开发出 来， 新 的应用规范会不断发布。 本论文主要讨论的个域网模型就是较新发布的应用模 型。 通用访问模型 ( g a p , g e n e r i c a c c e s s p r o f i l e )是最基本的应用模型。定义 了有关蓝牙设备发现的一般流程， 蓝牙设备建链管理的情况， 以及不同安全级别 要求下建链的相关流程。 还定义了应用层次上对一些蓝牙设备使用的参数的格式 要求。 这种模型作为所有蓝牙应用模型的基础， 是每一种应用都必须遵守的规范。 同样必须遵守的还有服务发现模型 ( s d a p . s e r v i c e d i s c o v e r y a p p l i c a t i o n p r o fi l e ) ，它用于规范蓝牙设备登记本机服务和发现另外的蓝牙设备服务的流程 和信息格式。无绳电话和对讲机系统应用是与语音应用相关的一系列应用模型， 是通过装有蓝牙的手机和家中有蓝牙功能的固定电话完成蓝牙无线信道和p s t n 网上的电话， 或是几个装有蓝牙功能的手机利用蓝牙的语音信道对话。 串口 应用 模型 ( s p 只s e r i a l p o r t p r o f i l e ) 需要通过r f c o m m仿真的串口 进行通信， 对这 种服务的流程做了相应的规定。 有一系列的应用模型是基于串口 应用模型的， 包 括拨号网络、 传真、 耳机和局域网接入等等。 通用对象交换模型( g o e p , g e n e r i c o b j e c t e x c h a n g e p r o f i l e ) 则是 基于o b e x协 议的一 组 应用。 包括对象 推入、 文 件 传输和同步应用等。 随着蓝牙应用的不断扩展和发展， s i g又不断推出新的应用模型， 本论文主 要阐述的蓝牙个域网应用模型就是其中之一。 蓝牙个域网应用模型主要是蓝牙在 无线网络上的灵活应用的方案。通过蓝牙网络封装协议( b l u e t o o t h n e t w o r k e n c a p s u l a t io n p r o to c o l ， b n e p ) ， 使 蓝 牙 更 好的 承 载i p 协 议， 能 使 几 个 蓝牙 设 备 方便的自 组织临时网络， 也可以通过其中一个接入局域网的设备使其它设备共享 网络资源。这是将蓝牙与i n t e rn e t 网络结合最紧密的一个应用模型。在下一章中 会给出更详细的讨论。 同时推出的还有高速音频视频应用、免提设备应用 ( 主 要用于汽车中) 、人机交互设备应用、基本静态图象应用和打印应用等等。作为 蓝牙延伸到各个方面的应用， 将在无线方面为更多的应用提供方便。 2 .6 蓝牙与其它短距离无线传输技术的比较 同 样 作 为 短 距 离 无 线 传 输 技 术 的 还 有i r d a ( i n f r a r e d d a t a a s s o c ia t io n ) . h o m e r f , i e e e 8 0 2 . 1 1 系列以及新的w p a n 8 0 2 . 1 5 系列。 它们各有特点和应用空间。 i r d a是红外线传输标准， 其特点为传输速率每秒 1 1 5 k b ， 传输角度为3 0 度， 点对点半双工传输， 最大传输距离1 米。 其窄角度传输的 特性使用户无需介入操 作， 同时也提供了很多的安全性和易操作性。 而蓝牙传输的全方向性使所有的周 围设备都可以作为交互的设备， 必须执行一套耗时的设备发现操作， 并通过服务 发现等操作选择合适的设备交互。 但这种特点， 在蓝牙自 组织网络的时候就显现 出优势了， 蓝牙设备很容易和周围设备组织成网络进行交互， 只要在一定的范围 内，而不需要在特定的方向内。 h o m e r f 是由h o m e r f 工作组开发的， 是在家庭区域范围内 的任何地方， 在 p c和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。 h o m e r f和蓝牙 都工作在2 .4 g h z i s m频段， 并且都采用t 跳频扩频( f h s s , f r e q u e n c y h o p s p r e a d 第8 页 东南大学硕士研究生论文 s p e c t r u m ) 技术。 因 此， h o m e r f 技术 产品 和蓝牙技术 产品 之间 几 乎没 有 相互 干 扰。 蓝牙技术适用于一种松散型的网络， 可以让设备为一个单独的数据事物建立 一个连接。但是，这样数据安全性很难保障。而 h o m e r f技术则不像蓝牙技术 那样随意。组建 h o m e r f网络前，必须为各网络成员事先确定一个唯一识别代 码。也就是说，它比蓝牙技术更安全。 i e e e 8 0 2 . 1 1是无线局域网标准，它主要定义了物理层和 m a c ( m e d i u m a c c e s s c o n t r o l ) 层的规范。 在物理层，支持红外线、 f h s s 跳频扩谱以 及d s s s 直 扩方式( d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d s p e c t r u m ) 。其m a c 层采用了c s m a / c a载波 监听多 重访a / 冲突 避免 ( c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s w i t h c o l l i s io n a v o i d a n c e ) 协议。 8 0 2 . 1 1 b 和8 0 2 . 1 1 a 是两个扩展的 标准，8 0 2 . 1 1 a 工作在5 g h z 频段， 传输 速率高达5 4 mb / s , 而工作在2 .4 g h z 频段的8 0 2 . 1 1 b 则适合于家居环境， 最高速率 可达1 1 m b / s ，不过成本较高价格较贵h l 而针对无线个域网，i e e e己将wp a n的研究发展纳入i e e e 8 0 2 系列，建 立了i e e e 8 0 2 . 1 5 工作组。 i e e e 8 0 2 . 1 5 标准主要分四 种， 其中 将蓝牙协议采纳为 i e e e 8 0 2 . 1 5的一部分，即 i e e e 8 0 2 . 1 5 . 1 ，而 8 0 2 . 1 5 .2主要研究 w a n和 w l a n ( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) 的互存性， 8 0 2 . 1 5 . 3 制定将来 在wa n中的 高 速传输标准( 2 0 m b p s 以 上) ， 8 0 2 . 1 5 . 4 研究特别节电的技术和低复杂度的方案 d 1 。 其中8 0 2 . 1 5 .3 的 设 计目 标 使能 为 多 媒 体 业务 提 供 具 有q o s 支 持的 特 别 连 接; 加入和离开现有网非常方便、具有先进的功率管理，可节省电 池功率; m a c和 物理层设计对短距离 ( 小于1 o m) 通信最优， 并且成本低、复杂性低; 支持高达 5 5 mb i t/ s 的高数据速率，可传送高质量视像和声音。这些是特别针对wp a n的 灵活、高速和低功耗的 实际 要求设计的， 作为比wl a n覆盖范围 更小、 数据速 率更高、 有一 定q o s 保 证、 使用更灵活的 一种网 络技术， 在未 来的多 媒体 应用 中，在便携式消费者电器和通信设备之间有广泛应用。 2 . 7小结 本章从蓝牙的系统结构、 协议分层、 拓扑结构以及应用规范等方面给予介绍， 从中可以 看出蓝牙技术在无线个域网技术方面的 优势。 同时， 对于蓝牙系统的开 发和应用有了整体的 认识。 最后， 我们比 较了蓝牙技术和其它的 一些短距离无线 传输技术，对比 各自 的优势和劣势，以寻求最适合的应用场合。 第 9页 东南大学硕士研究生论文 第三章 蓝牙无线个域网系统 近年来， 网络技术迅速发展， 网络己到达无所不在的时代。 从i n t e rn e t 互联 网， 城域网， 局域网， 根据不同的覆盖范围和应用方式存在多种多样的组网方式 和网 络技术。 随着个人电 子设备 例如笔记本电 脑， p d a ， 手机等等的 逐步增加， 短距离无线通信技术蓬勃发展，人们提出一个新的概念，即个域网。 p a t的核 心思想就是用无线电或是红外线代替传统的有线电缆， 实现个人信息终端的智能 化互联，组建个人化的信息网络。从计算机网络的角度来看，p a n是一个局域 网;而从电信网络的角度来看，p a n是一个接入网。p a n主要定位在家庭或是 小型办公室的场合， 其主要的应用范围包括语音通信网关、 数据通信网关、 信息 家电互联以及信息的自 动交换等等。 个域网同时也是蓝牙技术的一个重要的 应用模型。由于蓝牙技术支持点到 点、 点到多点的语音和数据业务， 只要将蓝牙芯片内嵌在设备中就可以 实现互联， 提供语音和数据的接入服务， 实现信息的自 动传输、 交换和处理， 最终实现个人 网络下信息的共享和交互。 下面详细分析蓝牙个域网的系统结构，功能描述和操作流稗等。 3 . 1 蓝牙个域网系统的结构体系 3 . 1 . 1应用场景 蓝牙个域网系统主要有两种应用场景:( 1 )网 络接入点方式 ( 2 ) a d - h o c 组网方式。 两种方式有不同的结构和网络要求， 不过可以互相融和组成蓝牙的个 域 网 a l 网络接入点的场景如图3 . 1 所示， 网络接入点通过直接的总线连接接入网络。 它可以包