（计算机应用技术专业论文）基于蓝牙的数字家庭网络框架设计研究.pdf

摘要 数字家庭网络是指在家庭生活中供人们活动用的各种语音、数据、多媒体、控制等 信息能在家庭内部终端上传达，并且能与外部公网充分交流和共享。在家庭内部局域网 中包括多种联网技术，蓝牙正是短距离无线通信中很重要的一种标准规范，它最初的目 标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。从目前的应用 来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任 何数字设备之中，所以探讨基于蓝牙的数字家庭网络框架的构建是具有非常现实的意义 的。 本文围绕蓝牙最核心的协议部分，充分剖析数字家庭网络中各种家电对网络构建的 现实需要，设计了一种基于蓝牙的能满足不同种设备通信需求的网络框架，并且实现了 数字家电终端与数字家电控制终端间的连接。主要研究工作如下： ( 1 ) 音l j 析了在数字家庭网络中需要用到的蓝牙技术相关协议，包括蓝牙通信协议( 射 频协议、基带协议、链路管理协议、链路控制及适配协议、服务发现协议) 和蓝牙接口 协议( r f c o m m 电话控制协议) ，为后续工作奠定了基础。 ( 2 ) 结合数字家庭网络中各家电设备的实际需求，提出了三种蓝牙服务子网络框架： 主动模式、被动模式和中转模式。主动模式下，热点服务器主动搜索周围的设备，发送 预先设置的信息；被动模式下，热点服务器响应用户发送的信息请求，与用户进行交互， 只向用户发送其所感兴趣的信息；中转模式主要是将主动的工作模式与蓝牙技术相结 合，允许用户将发给第三方的信息存在热点服务器，而后由热点将信息转发出去。 ( 3 ) 设计出了一个基于蓝牙技术的数字家庭控制子网框架，包括总体的方案设计，家 庭网关、移动终端控制设备以及数字家电终端的设计与实现。 关键词：数字家庭网络；基于蓝牙的三种服务模式；h c l 分组； u d c p a b s t r a c t d i g i t a lh o m en e t w o r ki sd e f i n e da st h a tav a r i e t yo fv o i c e ，d a t a ，m u l t i m e d i a ，a n dc o n t r o l i n f o r m a t i o nw h i c hi ss u p p l i e dt op e o p l ec a nb ec o m m u n i c a t e di nt h eh o m et e r m i n a la n db e s h a r e dw i t he x t e r n a lp u b l i cn e t w o r ki nf a m i l yl i f e w i t h i nt h ef a m i l yi n t e r n a ll a n ，i n c l u d i n g av a r i e t yo fn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y , b l u e t o o t hi sav e r yi m p o r t a n ts t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n si n t h es h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i t si n i t i a l g o a li s t o r e p l a c et h ew i r e dc a b l e c o n n e c t i o no nt h ee x i s t i n gh a n d h e l dc o m p u t e r s ，m o b i l ep h o n e sa n do t h e rd i g i t a ld e v i c e s a p p l i c a t i o nf r o mt h ec u r r e n tp o i n to fv i e w , d u et os m a l ls i z ea n dl o wp o w e r , b l u e t o o t hi sn o l o n g e rl i m i t e dt oa p p l yi nc o m p u t e rp e r i p h e r a l s ；i tc a nb ei n t e g r a t e di n t oa l m o s ta n yd i g i t a l d e v i c e t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fb u i l d i n gaf r a m e w o r kf o rd i g i t a lh o m en e t w o r kb a s e do n b l u e t o o t hi sa v e r yr e a ls e n s e ( 1 ) t oa n a l y s et h er e l a t e dp r o t o c o l sa b o u tb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi nd i g i t a lh o m en e t w o r k ， i n c l u d i n gt h eb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ( r a d i of r e q u e n c yp r o t o c o l ，b a s e b a n d p r o t o c o l s ，l i n km a n a g e m e n tp r o t o c o l ，l 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 o l ，s e r v i c e d i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) a n db l u e t o o t hi n t e r f a c ep r o t o c o l ( r f c o m mp r o t o c o lt e l e p h o n yc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rf o l l o w e dw o r k ( 2 ) c o m b i n gt h ea c t u a ln e e d so fv a r i o u sh o u s e h o l de q u i p m e n t si nd i g i t a lh o m en e t w o r k ， t om a k et h r e ek i n d so fb l u e t o o t hs e r v i c ef r a m e w o r k ：a c t i v em o d e ，p a s s i v em o d ea n dt r a n s f e r m o d e i nt h ea c t i v em o d e ，t h eh o t - s p o t ss e r v i c ea v t i v e l ys e a r c ht h ed e v i c e sa r o u n di t ，a n ds e n d ap r e s e ti n f o r m a t i o n ；i nt h ep a s s i v em o d e ，h o t s p o t ss e r v i c er e s p o n s et h er e q u e s t sc o m ef r o m u s e r s ，i n t e r a c tw i t ht h eu s e r s ，a n ds e n dt h ei n f o r m a t i o nw h i c hu s e r si n t e r e s t i n gi nt ou s e r s ；i n t h et r a n s f e rm o d e ，t h ea c t i v em o d ei sc o m b i n e dw i t hb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , w h i c ha l l o w e d u s e r st os a v et h ei n f o r m a t i o ns e n tt ot l l i r d p a r t yi n t oh o t s p o t ss e r v i c e t h e nt h ei n f o r m a t i o ni s f o r w a r d e db yh o t s p o t s ( 3 ) t od e s i g nas e to fb l u e t o o t h - b a s e dd i g i t a lh o m ec o n t r o ls u b n e t w o r kf r a m e w o r k ， i n c l u d i n gt h eo v e r a l lp r o g r a md e s i g n i n g ，t h ed e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o na b o u t h o m e g a t e w a y , m o b i l et e r m i n a l sc o n t r o ld e v i c ea n dd i g i t a lh o m et e r m i n a l k e y w o r d ：d i g i t a lh o m en e t w o r k ；3m o d e ss e r v i c eb a s e do nb l u e t o o t h ；h c ig r o u p i n g ； u d c p l i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：, 孑44 1 日期：f 9 年月弓日 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。本人授权长沙理工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 、不保密曲。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：同俑日期： 巾年6 月 多日 导师签名： 日期：弘c 。年6 月岁 日 1 1 研究背景及意义 第一章引言 “数字家庭”是一个中国化的名词，在国外称之为“家庭网络( h o m e n e t ) ”、“电子家 庭( e l e c t r o n i ch o m e ) ”、“网络家居( n e t w o r kh o m e ) ”或者直接称为“家庭自动化( h o m e a u t o m a t i o n ) ”【l 】。从根本上说，这些名词都表示了一个意思：一个家居中供人们活动用 的各种设备由一个家庭网络来控制和监测，从而提供各种人们所需的功能。这就意味着 数字家庭的发展历史是围绕着网络技术的发展来书写的。 数字家庭网络是一个集计算机、通信和消费为一体的3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 和c o n s u m e r ) 系统，是整个世界形成的一个巨型网络末端，俗称“网络的最后1 0 0 米”【2 j 。 它最初的功能构思源自像电视、电话、光盘影碟机、数码相机、计算机以及各种各样的 家电设备电器的互联、以实现设备之间的信息交换和远程监测及控制。 家庭网络大致可以分为两个子系统，一个是主要面向计算机以及公用外设的信息子 系统。在美国这样的子系统已经超过5 0 0 0 万用户，有关产品2 0 0 9 年的销售总额达到 6 2 2 5 亿美元，主要采用双绞线或电话线作为传输的介质。另一方面是面向像照明、空 调、安全消防、监控摄像机以及各种家用电器的子系统。这样的子系统市场需求更大， 2 0 0 9 年销售额超过9 5 3 7 亿美元l j j 。 目前数字家庭网络主要在一些发达国家或地区迅速发展，例如：美国、欧洲和日本。 这些地区的一些著名大公司，如美国的c i s c o 、i n t e r 、l u c e n t 、3 c o m 和i b m ，日本的 p a n a s o n i c 、s o n y ，欧洲的a b b 和s i e m e n s 等是首先进入该市场的国际性企业【4 】。他们 不仅研制和开发了数字家庭网络的平台和制定了相关的标准，并且推出了一系列的家庭 网络产品，如接口卡、家庭网关、小型服务器、各种物理量的传感器，各种电器设备的 控制器和驱动器，信息收发机，正是有了这么丰富的网络产品，才使得现有的数字家庭 网络系统得以维持，而且还进一步推动了数字家庭网络技术的发展和开拓了数字家庭网 络系统的大市场。 虽然数字家庭网络框架的发展至今已经在网络协议、q o s 保证、实时通信、降低成 本等方面取得了较大的进展，但仍有很多问题需要突破，这些问题涵盖了网络安全、网 络扩展、网络运行维护、跨层设计以及通信标准等本身的一些缺陷。随着数字家庭网络 的不断推广和应用，大量的研究工作正在开展，数字家庭网络必将完全融入我们的生活， 发挥出巨大的应用价值和商业价值。 数字家庭网络具有很多不同于传统网络的特点，主要包括以下三个方面： 1 、舒适的居住环境：比如安装室内氧气自动调节器，使室内氧气含量保持在一个 合适的水平，这样可以保证人的大脑在相当敏锐的程度下进行思考。又比如在居室中配 备可根据室外光线强度而自行调节室内光线强度的系统，这样让人的眼睛不至于随着室 外光线的变化而易于疲劳。 2 、安全的家庭体系：这罩的安全包括两种不同的安全对象，首先是人身和财产的 安全，其次是家庭设备的安全。例如电子门禁、对讲系统、电子防盗系统、玻璃破碎检 测报警系统、跑水检测系统、火灾报警系统、室内有毒有害气体的检测报警系统和三表 ( 电表、水表、煤气表) 出户远程抄表系统等。 3 方便的生活方式：包括家用电器的远程维护、家庭成员的远程医疗、远程教育以 及具有个性化的丰富多彩的娱乐活动等。 就家庭内部短距离通信而言，主要的通信技术标准有：i e e e 8 0 2 1 i b 协议【5 】、h o m e r f ( 家庭射频) 技术1 6 l 以及蓝牙标准。i e e e 8 0 2 1 i b 协议主要存在无线收发设备硬件结构复 杂、功耗高、传输速率较低等问题；h o m e r f 的协同能力强，但数据传输安全性不高， 并且芯片价格比较昂贵，不利于在数字家庭网络中广泛使用；蓝牙协议结构简单，使用 重传机制来保证链路的可靠性，在基带、链路管理和应用层中还可实行分级的多种安全 机制，并且通过跳频技术可以消除网络环境中来自其它无线设备的干扰。在工程应用方 面主要的优点包括模块易于集成、价格低廉和功率较小。从以上分析可以得出，数字家 庭网络需要在全球范围内的推广和应用，蓝牙是一种必不可少的非常实用的技术，可以 断定未来功能将更强大，在数字家庭网络中将有更为广阔的前景。 1 2 国内外研究动态综述 从2 0 世纪9 0 年代开始，国内外对数字家庭网络架构技术的研究同趋热烈，取得了 大量研究成果。各种家庭电子设备互联互通标准的制定、相关核心芯片的集成、u p n p ( 通用即插即用) 中间件技术及其嵌入式软件开发技术等方面都取得了相当大的进展。 孙常清，赵英涛【7 】介绍了不同行业对数字家庭网络概念的理解，对数字家庭网络相 关的关键技术发展现状进行了分析，给出了未来数字家庭网络功能的总体框架图，重点 分析了自动发现技术也称即插即用( p l u g & p l a y ) 技术的应用前景，最后总结了目前国际上 数字家庭网络的市场发展趋势。该文主要从宏观上展望了未来数字家庭的一些技术突破 口。 k w a n gy e o ll e e 和j a ew e o nc h o i 副构建了一套基于蓝牙技术的远程控制数字家庭网 络系统。包括其中的接口电路设计和服务器端和客户端的软件开发，着重分析温度传感 电路的实现，从图1 1 我们可以看出客户服务端电路由p c 接口，传感器电路及p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，脉冲宽度调节) 电路组成。传感器电路及p w m 电路集成在 接口电路板上。主要分析的问题包括功率输入与输出比；a c ( 模拟数字) 转换器的使 用：照明传感电路的应用，通过照明系统的传感器电阻，输入电阻和负载电阻计算出整 个电路的输出电压，通过实验得出最适合的参数值；输入电路的供暖设备与空调的协调 工作保证室内温度在一定范围内浮动，通过仿真实验对比现有温度每提高3 摄氏度所需 的时间。但是该文主要是进行理论上的分析，距离实际应用还有较大的差距。 2 嚣嚣一o 。：圣i 固11 传盛器硬调温器的硬件配置 袁字恒、叶芝慧、沈连丰 9 1 提出了基于蓝牙技术的家庭控制于网的实现方案，见图 12 ，该方案将家电厂商制定的家电控制协议和s p p 模型( 蓝牙串口应用模型) 承载的 u d c p ( 通用设备控制协议) 相结合，形成了符合实际应用场景的家庭控制子网通信协议 体系，实现了家电终端设各的添加、登录、控制、注销及报警等功能研制了基于单芯 片方案的嵌入式家电终端和基于p c 的模拟移动控制终端。最后就家庭网络控制子网中 应用移动自组织网络等技术进行了讨论。从图l2 中可以看出这种基于蓝牙的控制子网 的实现采用以网关为中心的完全星形组网方式所有子网设备包括移动控制终端部直接 与子网关进行通信以完成子网的控制和管理功能，组网简单，实现了即插即用。但是完 全的星型结构增加了维持子网通信链接稳定的难度并且所有的通信模块都必须加大发 射功率，信息家电设备的放置非常考究，潜在地降低了系统的稳定性和可靠性。 圈1 2 晷屋网络结构框图 c h u n l i m a g h s u 、t e n g - y a w h s u 、k u a n - y e n h o 和w e i b i n w u 1 0 1 实现了一种基于蓝 牙技术的数字家庭网络系统及其中的几点关键技术，包括相关的蓝牙模块软件开发，蓝 牙没各与r s 2 3 2 ( 串行数据通信的接口标准) 之间的硬件接1 3 设计开发实现了一种 能安装在任何微处理器和p c 机上的蓝牙设备与r s - 2 3 2 的接f a ，数据包的解码匹配以 及多种通信模式之间的转换。蓝牙的主模块由l i n k m a t i k 和p c 组成，有一系列的通信 接口t 具有良好的扩展性。蓝牙的从设备由l i n k - m a t i k 和8 0 5 1 微处理器组成，具有趣 好的实时响应性能。 左丰光【1 1 1 对智能家庭网络及蓝牙技术做了简单介绍，设计出了一套分布式蓝牙家庭 网络体系，如图1 3 我们可以看到整个网络系统中包括蓝牙家庭网关、蓝牙通信控制器 以及蓝牙设备。其中蓝牙通信控制器是蓝牙分布式智能家居网络的核心。但是从图中我 们可以看到，这样一个基于蓝牙的数字家庭网络的正常运行需要多个单独的通信控制器 进行一对一的控制，集成度不高使得资源浪费严重。 1 局域嘲和电话网】 -_。-。_。_。 蓝牙家庭网关 一涉，q 一 章章阜章 至鲨 蓝口匪遮口 竺! 兰兰竺! 垦兰竺! 兰苎 图1 3 分布式蓝牙家庭网络体系图 张士兵和徐别1 2 j 分析了数字家庭中基于蓝牙的n g n ( 多媒体全业务网络) 的分层 结构，结合现存的网络体系给出一种完整的n g n 多媒体通信解决方案，包括多媒体软交 换、蓝牙主服务器、多媒体服务环境和网络和业务管理。但是该方案缺乏可行的q o s ( 服 务质量) 和网络安全保证，需要建立开发新的用于管制的n g n 相关技术模型等。 傅剑虹、汪敏和朱俊【l3 j 设计了一个蓝牙家庭网络的总体框架图，主要研究的是其中 的远程控制部分，框架见图1 4 。实现了蓝牙中间层的协议以及蓝牙r f c o m m 连接。 在蓝牙远程控制系统中，主要包括蓝牙主、从模块、蓝牙网关、信息家电等。 附田巨回同 兰 编写的监控信息家电的程序封装在蓝牙网关中，可以使蓝牙网关首先与家庭内的家 电设备建立无线链接，因此能在家庭内网的蓝牙网关上实现对信息家电的集中监控。但 是设计的此种数字家庭网络框架太过简单，在实现的过程中并没有就如何实现远程监控 做出详细的设计方案，不具高度的可行性。 n a z m u ss a a d a t 、h a n i f y a a c o b t l 4 j 等开发一种家庭远程监控的应用模型和远程数据访 问系统。对整个系统进行了实时的仿真测试。整个系统的内部设计如图1 5 。m u 表示 主单元，s u 表示从单元。m u 控制用户对s u 的接入访问，用户只有输入有效密码才可 以操作系统。g u i ( 用户图形接口) 和应用取决于系统提供的服务。这个系统采用两重 安全密码保护，g u i 进入a p i ( 应用编程接口) 时需要输入密码，从m u 蓝牙服务管理 到s u 协议栈之间还有一层密码保护。因此，在安全保护方面此系统考虑周到，但是在 4 实时获取信息的过程中稳定性有待加强 固】5 双层接 保护设备的内部软件系统 1 3 本文拟研究的主要内容 基于以上阐述和总结可以得出：基于蓝牙的数字家庭网络框架需要得到进一步的 发展，目前面临着如下几个方面的问题： 1 、网络拓扑结构单一，对设备的摆放及功率要求较高。 2 、对蓝牙网关的依赖性报强，一咀网关出现故障，全部家电控制将陷入瘫痪。 3 、已有的网络框架的架构没有考虑到数字家庭网络中人们各家电设备的个性化需 求，采用统一的联网方式易造成资源浪费。 本文将重点围绕不同家电设备对网络连接框架的需求，设计一种人性化的蓝牙热点 框架，满足现代家庭对低能耗高效率的要求。 本文所做的工作包括以下几个方面： l 、首先剖析在数字家庭网络中需要用到的蓝牙技术核心协议，包括蓝牙通信协议 ( 射频协议、基带协议、链路管理协议、链路控制及适配协议、服务发现协议) 和蓝牙 接口协议( r f c o m m 电话控制协议) 为后续工作奠定基础。 2 、然后结合数字家庭网络中各家电设备的实际需求，提出三种蓝牙服务网络框架： 主动模式、被动模式和中转模式，并设计出符合三种分组的h c i 数据模块。主动模式下， 热点服务器主动搜索周围的设备发送预先设置的信息：被动模式下，热点服务器响应 用户发送的信息请求，与用户进行交互，只向用户发送其所感兴趣的信息；中转模式主 要是将主动的工作模式与蓝牙技术相结合。允许用户将发给第三方的信息存在热点服务 器，而后由热点将信息转发出去。 3 、最后设计出了一套基于蓝牙技术的数字家庭控制子网框架，包括总体的方案设 计，家庭网关、移动终端控制设备以及数字家电终端的设计与实现。 一訇 1 4 本文的组织结构 本文的组织结构如下： 第1 章为引言。总结了研究数字家庭网络框架的背景和意义，国内外研究现状，并 阐述了本文所做的工作和文章的组织结构。 第2 章为剖析蓝牙协议栈，主要介绍了蓝牙通信协议( 射频协议、基带协议、链路 管理协议、链路控制及适配协议、服务发现协议) 和蓝牙接口协议( r f c o m m 协议电 话控制协议) 。 第3 章为家庭网络总体的框架。通过对数字家庭网络中各家电设备功能的分析，将 总体的功能分为三类：安防系统、查询系统及交互应用系统分别对应蓝牙服务模式中的 主动模式、被动模式和中转模式。通过分析主机控制接e i ( h c i ) 功能及特性，设计三种 适合不同功能家电模块的数据分组，分别为h c i 命令模块、h c i 事件模块和h c i 数据 模块。 第4 章为蓝牙家庭网络系统的硬件平台和相关软件设计，主要包括一套基于蓝牙技 术的数字家庭控制子网框架，包括总体框架的方案设计，家庭网关、移动终端控制设备 以及数字家电终端的设计与实现。 第5 章为总结与展望。对全文的主要研究工作进行总结，并展望下一步的研究工作。 6 第二章蓝牙通信协议分析 蓝牙协议栈是蓝牙通信系统中的核心部分，它是一个独立的操作部分，不与任何操 作系统捆绑。它负荷已经制定好的蓝牙规范。蓝牙规范中的协议采用分层结构，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、协议的复用和分用等功能( 15 1 。蓝牙技术的一个主要目的就是使符合该 规范的各种设备能够互通，这就要求本地设备和远端设备使用相同的协议。当然不同的 应用其使用的协议栈可能不同。但是它们都必须使用蓝牙技术规范中的物理层和数据链 路层。当然不是任何应用都必须使用所有的协议，可以采用部分协议。例如语音通信时， 就只需要经过基带协议，而不用通过链路控制及适配协议【l6 1 。 2 1 蓝牙通信协议 2 1 1 射频协议 射频协议( r a d i os p e c i f i c a t i o n ) 【l7 】是为保证蓝牙系统中不同射频天线间的兼容性而 制定的，它定义了系统的工作量。蓝牙收发器在工作时应该满足此协议中所述的要求。 射频参数必须用射频测试协议中描述的方法来测量。蓝牙系统工作在2 4 g h z 的i s m ( 工 业、科学、医疗) 频段【l 引。在绝大多数国家，这一频段是2 4 0 0 m h z - - 一2 4 8 3 5 m h z 。有些 国家在频段方面有自己的特殊规定，为满足这些国家的要求，在蓝牙协议中为他们制定 了特殊的视频运算法则。由表2 1 可见，蓝牙协议包括了特殊的跳频方案，用来和法国 等国家的标准相协调。 表2 1 蓝牙系统工作的频率范围及射频信道 地区频率范围射频信道 美国、欧洲及大多数国家 2 4 0 0 g h z - 2 4 8 3 5 g h z f = 2 4 0 2 + k m h z , k = 0 ，7 8 法国2 4 4 6 5 g h z - 2 4 8 3 5 g h z f = - 2 4 5 4 + k m h z , k = 0 ，2 2 需要注意的是在简化频段上工作的蓝牙设备无法与在全频段上工作的蓝牙设备进 行协作。所以在简化频段上工作的蓝牙设备应该被看作是为单一市场制作的区域型版 本。蓝牙特殊兴趣小组组织正致力于克服这一困难，以使频段一致化。 蓝牙系统采用高斯频移键控( g f s k ) 的调制方式。设备根据天线连接器输出能量 分为三类。最大输出能量为1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) 的设备为第一类，2 5 m w ( 4 d b m ) 为第 二类，l m w ( o d b m ) 为第三类。针对第一类设备，规定有相应的能量调节方法。具有 能量调节能力的设备可以利用l m p ( 链路管理协议) 命令在链路中优化输出能量，这 是通过反馈控制来实现的。 2 1 2 基带协议 蓝牙采用跳频收发器来防止干扰以及信号的衰减，符号速率为1 m b s ，信道划分为 7 长6 2 5 i t s 的时隙”。为实现全职工传输，采用一种分时双工传输方案。信息在信道上以 分组的形式进行交换。各分组在不同的跳频频率上传输。一个分组一般覆盖个时隙， 但也可扩展至多达5 个时隙。 蓝牙协议采用一种电路交换和分组结合的交换方式。时隙可以保留用于同步分组。 蓝牙可以支持一个异步数据信道，多达3 个等时同步语音信道，或者一个同时支持异步 数据和同步语音的信道。一个语音信号在每个方向上支持6 4 k b s 的速率。异步信道可咀 支持最大7 2 32 k b s 的不对称数据传输，或者4 3 39 k b s 的对称数据传输。 蓝牙系统由射频单元、链路控制单元和支持单元( 用于链路管理及主控机终端接口 功能) 组成如图2l ，其中链路控制单元实现基带协议和其他底层链路事物。 蜊z 4 ( 。- i 频zi1 鬻i 鬻i 仨令蓝删频r1 黜擗?o 管理器l 厂 图21 蓝牙系统中的不同功能模块 蓝牙系统可以提供点到点连接或者点到多点连接。在点到多点连接中信道被多个蓝 牙单元共用。共用同一个信道的两个或多个单元组成一个微微网【”i 。有一个蓝牙单元作 为这个微微网中的主设备工作，而其他单元作为从单元工作。在微微网中，可以有多达 7 个从单元处于激活状态。同时，许多其他的从单元可以以所谓的停等状态锁定到这个 主单元。这些停等的从单元不能在信道中处于活动状态，但是可以和主单元保持同步。 所有从单元信道的访问都由主单元控制。 相互重叠的多个微微网可以组成散射网。每个微微网只能有一个主单元。从单元可 以通过时分复用参与不同的微微网，见图2 2 。同时，某个微微网的主单元可以是另一 个微微同的从单元。 围2 2 包含一个从单元的触微网 2 12 1 物理信道 信道使用7 9 或2 3 个跳频点的伪随机跳频序列。口”跳频序列对于微微网来说是唯一 的，由主设备的地址决定，跳频的相位由主设备的蓝牙时钟决定。信道被划分为时隙， 每个时隙对应一个跳颓频率。正常的跳频速率是1 6 0 0 跳秒。微微网中所有蓝牙设备都 要保持与信道问的时阳j 和跳频同步。 时隙的长度是6 2 5 p s 。时隙根据t 设备蓝牙时钟进行编号。编号范嘲是0 l l2 2 7 _ ， 以2 2 7 的长度为周期循环。在时隙中，主、从设各可以传输分组。主从设备采用分时双 工方案交替进行传输。主设备在偶时隙开始传输，从设备在奇时隙丌始传输。分组的起 始要与时隙的起始致。分组的传输可以扩展到最多5 个时隙。在一个分组的持续传输 中，跳频频率保持不变。对于单时隙分组，跳频频率就从当前蓝牙时钟值得出。对于多 时隙分组，整个分组所用的跳频频率由分组所在的第一个时隙的时钟值得出。 2 l22 逻辑信道 在蓝牙系统中定义了五种逻辑信道b 2 1 ：l c 控制信道、l m 控制倍道、u a 用户信 道、u i 用户信道、和u s 用户信道。 l c 控制信道和l m 控制信道分别工作于链路控制层次和链路管理层次。用户信道 u a 、u i 、u s 分别用于传输异步、等时、同步用户信息。l c 信道在分组头中传输。所 有其他信道在分组有效载荷中传输。l m 、u a 、u i 信道由有效载荷头中的lc h 域加以 指示。u s 信道只由s c o 链路传输；u a 和u i 信道一般由a c l 链路传输，它们也可以 在s c o 链路d v 分组的数据中传输。l m 信道既可由s c o 也可由a c l 链路传输。 2 12 3 收发规程 ( 1 ) 发送规程 发送规程针对每个a c l 链路和每个s c o 链路分别实现，如图23 所示。 a c o c 镕镕 j | g - 现甜次态先 先出数拊舛存嚣 ， 次卷f 现卷先 先出教据寄存器 x o 蝴” 分铂组台器 - 现悫做态先入先出署音寄存器 一m1 h战态嘎卷先八先出语膏寄存器j 图2 3 发送缓冲器功能说明 每个发送缓冲器由两个先入先出的寄存器组成：一个是可以被蓝牙控制器访问和读 取来进行组包操作的现态寄存器；一个是可以被蓝牙链路管理器访问束装载新信息的次 态寄存器。开关s 1 和s 2 的位置决定了哪个寄存器是现态寄存器，哪个寄存器是次态寄 存器。开关由蓝牙链路控制器控制。先入先出寄存器的输入和输出不会被同时连接。 在a c l 和s c o 链路的公用分组中，只由d m i 带有在链路控制器和链路管理器之 间交换的有效载荷。这种公用分组使用a c l 缓冲器。所有的a c l 分组使用a c l 缓冲 器。除了d v 分组外，所有的s c o 分组使用s c o 缓冲器。在d v 分组中，语音部分由 s c o 缓冲器处理，数据部分由a c l 缓冲器处理。 ( 2 ) 接收规程 a c l 链路和s c o 链路的接收规程是分别实现的，如图2 4 所示。接收a c l 缓存嚣 包括两个先进先出寄存器：个可以由蓝牙链路控制器访问并装载最近一个接收分组的 有效载荷；一个可以由蓝牙链路管理器访问并读取前一个有效载荷。接收s c o 缓冲器 也由两个先进先出寄存器组成：一个由刚达到的语音信息填充，一个被语音处理单元读 取。 4 1 1 “2 m 6 j 雌i 志 ，0 i j t 地情仵 s s m 。自m 1 - r 赫整j l 屯m 数州奇靠* j h l m ! 蝌m q 雠”# 一地扭波志 先- l l * r t 击行 女b 5 j ， 日目删白_ _ 1 m u - t # 斜i 见 | j 日 奇存# 图24 接收辕冲器功能i 兑明 ( 3 ) 控制流 由于新的有效载荷达到时接收a c l 缓冲区可能是满的，所以需要进行流控制。在返 回传输分组的分组头中的f l o w 字可以用来控制新数据的传输。 目的端控制：只要数据不能被接收，一个s t o p 指示将被链路控制器自动插入到返 回分组的分组头中。只要接收a c l 寄存器不被链路管理器清空，就返回s t o p 指示。 当可以接收新数据时，返回g o 指示，g o 是默认值。不包含数据的所有分组类型仍可 以被接收。比如语音通信就不受流控制的影响。而且虽然此时蓝牙单元不能接收新信息， 它仍可以继续传输信息，流控制在两个方向上是分开的。 发送端控制：接收到的s t o p 信号时，链路控制器将自动改变默认的分组类型。在 接收到s t o p 指示前的那个a c l 分组将被保存至收到g o 信号，当收到s t o p 指示时， 他马上被重传，只要接收到s t o p 指示就发送默认分组。当没有收到分组时就默认为 g o 。 2 12 4 收发定时 蓝牙收发器使用分时双工( t d d ) 方案田l 。这就意味着以一种同步的方式交替进行 收发。具体的分时双工定时方法与蓝牙单元所处的模式有关。对于一般的连接模式，主 设各传输总是在偶时隙开始，从设备传输总是在奇时隙开始。对于覆盖多个时隙的分组。 主设备传输可以在奇时隙中继续，从设各传输可以在偶时隙中继续。 微微网用主设备系统时钟进行同步。主设备在微微网存在期间不调整自身的系统时 钟：它在连续的传输之间保持m 6 2 5 胂( m 为正偶数) 的间隔。为了与主时钟相一致， 从设备用一个定时偏置来调整它们的本地时钟。这个偏置在每次收到来自主设备的分组 时进行更新，通过对接收定时的准确值和估计值的比较，从设备针对定时不准的情况修 正偏置值。 主设备发送定时由主设备时钟严格决定。主设备在连续的传输起始间保持一个严格 的m 1 2 5 0 1 a s ( m 是正整数) 的间隔，接收定时是由此发送定时加上n x 6 2 5 i t s ( n 是i f 奇数) 的偏移来决定的。考虑到从设备方面的偏差，在主设备的接收循环中，主设备也 要使用一个+ 1 0 9 s 的不确定窗口。主设备将针对所使用分组的不同类型来调整接收方法， 但不会调整下一次发送和接收的定时。 在单元所处不同状态时，如连接状态、保持模式的返回、停等和呼吸模式的唤醒、 呼叫状态，具体的定时行为有一定的差别。 2 1 2 5 识别过程 为建立新连接，要使用查询和呼叫过程。查询过程帮助一个单元发现周围的单元以 及他们的设备地址、时钟。通过呼叫过程，可以建立一个真实连接。建立一个连接只需 要知道蓝牙设备地址。了解时钟信息可以加速连接的建立过程。一个建立连接的单元将 实现聚焦过程并自动成为连接的主设备。 在呼叫和查询过程中，分别要用到设备识别码( d a c ) 2 4 】和查询识别码( i a c ) 。一 个处于呼叫扫描或查询扫描子状态的单元用一个匹配的相关器和相应的识别码关联。 对于呼叫过程，可以使用几种呼叫方案。每个蓝牙设备都支持至少一种强制呼叫方 案。这个强制方案是在单元门首次相遇，且呼叫过程直接发生于查询过程之后的情况下 使用的。两个单元一旦启用强制呼n q 查询方案，就可以共同使用一种可选的呼叫查询 方案。 2 1 2 6 查询过程 在蓝牙系统中，定义了一种查询过程。查询过程用于源设备不知道目的设备地址的 情况。查询过程也可用于发现周围的其它蓝牙单元。在查询子状态中，发起查询的单元 收集相应查询消息的所有单元的蓝牙设备地址和时钟。如果需要的话，它就可以用前面 说过的呼叫过程与其中任何的单元建立连接。 由源设备广播的查询消息不包含源设备的任何信息。然而，它将指出哪一类的设备 可以响应。有一个通用查询识别码( g i a c ) 用于查询任何蓝牙设备，还有一些特定查 询识别码( d i a c ) ，用于查询特定类型的设备。 某一单元若想发现其他蓝牙单元，则进入查询子状态。在这个子状态中，它在不同 的视频上连续地发送查询消息。查询跳频序列总是由通用查询识别码( g i a c ) 的低地 址部分得出的。一个允许自己被发现的单元，规律性的进入查询扫描子状态以响应查询 消息。 2 1 2 7 连接状态 在连接状态，连接已被建立，分组可以双向传输。两个单元都是用信道识别码和主 单元时钟。跳频方案使用信道跳频序列。 主设备发送p o l l 分组来检查到主设备定时和信道跳频的切换，这是连接状态的开 始。从设备可以用任意类型的分组来响应。如果从设备没有收到这个p o l l 分组，或者 主设备在规定时间内没有收到应答分组，两设备都将返回到呼叫扫描子状念。连接状态 的第一个信息分组包含制定链路特性、给出更多蓝牙单元的细节的控制消息。这些消息 在各单元的链路管理器间交换。 通过d e t a c h 或r e s e t 命令可以断开连接状态。如果链路已经通过正常方式断开则使 用d e t a c h 命令。蓝牙链路控制器中的所有配置数据依然合法。r e s e t 命令是一个针对任 何控制器过程的强制r e s e t 。在r e s e t 后控制器必须被重新配置。 连接状态中，蓝牙单元可以处在几种不同的工作模式1 2 5 】：活动模式、呼吸模式、保 持模式和停等模式。多个微微网可以同处一个区域，由于微微网的主设备各不相同，所 以微微网的跳频是相互独立的。同时信道上承载的分组都由信道识别码引导，此信道识 别码决定于主设备地址。加入的微微网越多，碰撞的几率越大，在跳频扩频系统中，这 种性能的降低是常有的。 当多个微微网同处一个区域时，一个单元可以通过时分多路技术参与两个或多个重 叠的微微网。为了参与正确的信道，应该使用相应的主设备地址和适当的时钟偏移来获 得正确的相位。一个蓝牙单元可以在几个微微网中充当从单元，但只能作为一个微微网 的主设备，这是因为使用同一主设备两个微微网是同步的，使用同一跳频序列，这样他 们就成为同一个微微网而不再是两个微微网了。一组彼此间存在连接的微微网成为散射 网。 2 1 3 链路管理协议 链路管理协议l m p ( l i n km a n a g e rp r o t o c 0 1 ) 用于链路建立、安全和控制。它们在 有效载荷传输而不通过l 2 c a p ( 逻辑链路控制及适配协议) ，利用有效载荷头中的保留值 来识别。在接收端，这些消息被链路层筛选出并终止，不再传递给高层，如图2 5 所示。 链路管理协议 物理层 图2 5 链路管理在整个系统中的位置 链路管理消息比一般数据享有更高优先级。这意味着如果链路管理器需要发送一条 消息，它不会因为l 2 c a p 层次上的传输而被延迟。但是它仍可能被个别基带分组的多 次重传延迟。 2 1 3 1 过程规则和协议数据单元 整个过程都是以一种序列图的方式描述，以图2 6 为例说明。p d u l 是一个从a 发 1 ， 囱审 往b 的p d u ( 用户数据协议) 。p d u 2 是一个从b 发往a 的p d u 。p d u 3 是一个从a 发往b 的可选p d u 。p d u 4 是一个从b 发往a 的可选p d u 。p d u 5 是一个或发自a 或 发自b 的p d u 。一条垂直线表示有更多的p d u 可以被有选择的发送。 ab p d u l p d u 2 1 p d u 3 p d u 4 p d u 5 舡 图2 6 序列图所用的符号 ( 1 ) 通用应答消息 p d ul m p _ a c c e p t e d 和p d u - n o ta c c e p t e d 用做一系列其他p d u 的应答消息。p d u l m p _ a c c e p t e d 包括所接受的消息的操作码( o p c o d e ) 。p d u - n o t _ a c c e p t e d 包括未被接受 的消息的操作码以及未被接受的原因，见表2 2 。 表2 2 通用应答消息 m o ( 强制可选)p d u ( 协议数据单元)内容 m ( 强制) l m p _ a c c e p t e d 操作码 m ( 强制) l m p n o t a c c e p t e d 操作码原冈 ( 2 ) 鉴权 鉴权过程中，验证方发送包含有一个随机数的l m p a u r a n dp d u 给请求者。请求 者根据此随机数、请求者b da d d r 和密钥计算出一个响应。此响应被发回给验证方， 见表2 3 。验证方检验响应是否正确。正确计算安全响应要求两个设备共相用一个密钥。 主设备和从设备都可作为验证方。 表2 3 鉴权所用的p d u m o ( 强制可选)p d u ( 协议数据单兀)内容 m ( 强制)l m p - a u