无线通信9 蓝牙和RFID.ppt

无线通信 李榕教授华南师范大学物理与电信工程学院2011年4月19日 第九讲 蓝牙和RFID 一 蓝牙技术的概念 蓝牙是一个开放性的 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 因为蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的CMOS芯片中 因此它特别适用于小型的移动通信设備 蓝牙技术有效传输距离是10米 其数据传输带宽可达1MB S 通讯介质为频率在2 402GHz到2 480GHz之间的电磁波 蓝牙标志 二 蓝牙的由来 蓝牙 Bluetooth 是一种低功率短距离的无线连接技术标准的代称 蓝牙 一词取自一位在公元10世纪统一了丹麦的国王 哈拉德二世 Harald 的绰号 即 蓝牙 Bluetooth 1998年5月 爱立信 诺基亚 东芝 IBM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 成立了蓝牙特别兴趣组 以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准 Intel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 IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发 1999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 三 蓝牙的原理 蓝牙 Bluetooth 是一项短途无线电连接系统 它可以将不同的电子器材连系起来 原理就好像收音机一样 装有蓝牙的电子器材 可以接收外来的讯息 从而进行特定的指令 不过 蓝牙不但可以接收 也都可以 传送 因此装有蓝牙的电子器材 能够互相沟通 Bluetooth射频 物理层 在无需申请许可证的2 4GHzISM波段运行 系统采用了跳频收发器来防止干扰和衰落 在一般操作情况下 同步至共用时钟及跳频图的一组设备将共享一个物理无线电信道 提供同步基准的设备称为主设备 所有其它设备称为从设备 以此方式同步的一组设备形成了一个微微网 piconet 这就是Bluetooth无线技术通信的基本形式 四 蓝牙协议 蓝牙的通信协议也采用分层结构 层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性 根据通信协议 各种蓝牙设备无论在任何地方 都可以通过人工或自动查询来发现其他蓝牙设备 从而构成微微网 piconet 或分散网 scatternet 实现系统提供的各种功能 使用十分方便 蓝牙协议栈图 Bluetoothradio是蓝牙设备中负责传送和接收调制无线电信号的收发器 出于兼容的原因 采用蓝牙的无线设备应当具有确定的无线收发特性 Baseband 基带 即蓝牙的物理层 负责管理物理信道和链路 但不包括错误纠正 数据处理 跳频选择和蓝牙安全等业务 ACL即在物理信道上传输数据的异步无连接 AsynchronousConnection Less 物理链路 ACL链路在主单元 Master 和所有其他从单元 Slave 之间提供分组交换连接 SCO即同步连接 SynchronousConnection Oriented 物理链路 主要用于语音通信之类的信息传输 SCO是主单元和指定从单元之间点对点的对称链路 它和电路交换连接非常相似 链路管理器 LinkManager 主要处理链路建立 链路安全和链路控制等任务 它提供认证 加密控制 功率控制等服务和QoS能力 L2CAP即逻辑链路控制和适应层协议 LogicalLinkControlandAdaptationLayerprotocol 它位于数据链路层 向上层协议提供复用 分段 重组和组抽象等无连接和面向连接的数据服务 L2CAP允许高层协议和应用程序收发长度最高可达64Kb的L2CAP数据包 SDP即服务发现协议 ServiceDiscoveryProtocol 应用程序使用该协议找出哪些服务可用 并确定这些可用服务的特性 串口仿真协议 RFCOMM 是一种简单传输协议 可在L2CAP之上仿真RS 232串口电路 因此它实际上是一种电缆替代协议 RFCOMM协议支持两台蓝牙设备之间的多达60个并发连接 TCP 传输控制协议 TransmissionControlProtocol 在网络层采用IP协议情况下在传输层建立不同设备之间的可靠连接 五 蓝牙关键技术 1 跳频技术蓝牙的载频选用全球通用的2 45GHzISM频段 由于2 45GHz的频段是对所有无线电系统都开放的频段 因此使用其中的任何一个频段都有可能遇到不可预测的干扰源 采用跳频扩谱技术是避免干扰的一项有效措施 依据各国的具体情况 以2 45GHz为中心频率 最多可以得到79个1MHz带宽的信道 在发射带宽为1MHz时 其有效数据速率为721kb s 并采用低功率时分复用方式发射 蓝牙技术理想的连接范围为10厘米 10米 但是通过增大发射功率可以将距离延长至100米 对应于单时隙分组 蓝牙的跳频速率为1600跳 秒 对应于时隙包 跳频速率有所降低 但在建立链路时则提高为3200跳 秒 使用这样高的跳频速率 蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力 2 微微网和分散网当两个蓝牙设备成功建立链路后 一个微微网便形成了 两者之间的通信通过无线电波在79个信道中随机跳转而完成 微微网信道由一主单元标识 提供跳频序列 和系统时钟 提供跳频相位 来定义 其它为从单元 每一蓝牙无线系统有一本地时钟 没有通常的定时参考 当一微微网建立后 从单元进行时钟补偿 使之与主单元同步 微微网释放后 补偿亦取消 但可存储起来以便再用 一条普通的微微网信道的单元数量为8 1主7从 可保证单元间有效寻址和大容量通信 实际上 一个微微网中互联设备的数量是没有限制的 只不过在同一时刻只能激活8个 其中1个为主 7个为从 蓝牙系统建立在对等通信基础上 主从任务仅在微微网生存期内有效 当微微网取消后 主从任务随即取消 每一单元皆可为主 从单元 可定义建立微微网的单元为主单元 主单元除定义微微网外 还控制微微网的信息流量 并管理接入 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 同一区域内多个微微网的互联形成了分散网 不同的微微网信道有不同的主单元 因而存在不同的跳转模式 在1 0版本的技术标准中 蓝牙的基带比特速率为1Mb s 采用TDD方案来实现全双工传输 因此蓝牙的一个基带帧包括两个分组 首先是发送分组 然后是接收分组 蓝牙系统既支持电路交换也支持分组交换 支持实时的同步定向链接 SCO 和非实时的异步不定向链接 ACL 3 时分多址 TDMA 的调制技术 跳频的时分双工 FH TDD TDMA 4 编址技术蓝牙有4种基本类型的设备地址 BD ADDR BD ADDR是一个48位长地址 该地址符合IEEE802标准 可划分为LAP 24位地址低端部分 UAP 8位地址高端部分 和NAP 16位无意义地址部分 三部分 AM ADDR AM ADDR是3位长的活动成员地址 所有的0信息AM ADDR都用于广播消息 PM ADDR PM ADDR是8位长的成员地址 分配给处于暂停状态的从单元使用 AR ADDR AR ADDR是访问请求地址 accessrequestaddress 被暂停状态的从单元用该地址来确定访问窗口内从单元 主单元半时隙 通过它发送访问消息 任一蓝牙设备 都可根据IEEE802标准得到一个惟一的48bit的BD ADDR 它是一个公开的地址码 可以通过人工或自动进行查询 在BD ADDR基础上 使用一些性能良好的算法可获得各种保密和安全码 从而保证了设备识别码 ID 在全球的惟一性 以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密 5 安全性蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击 安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要 蓝牙系统采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障 但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层的安全管理 在链路层中 蓝牙系统使用认证 加密和密钥管理等功能进行安全控制 在应用层中 用户可以使用个人标识码 PIN 来进行单双向认证 6 纠错技术蓝牙系统的纠错机制分为FEC和包重发 在ACL连接中 可用ARQ结构 在这种结构中 若接收方没有响应 则发端将包重发 每一负载包含有一CRC 用来检测误码 六 蓝牙系统组成 1 天线单元蓝牙的天线部分体积十分小巧 重量轻 属于微带天线 蓝牙空中接口是建立在天线电平为0dB的基础上的 空中接口遵循FCC有关电平为0dB的ISM频段的标准 如果全球电平达到100mW以上 可以使用扩展频谱功能来增加一些补充业务 2 链路控制 硬件 单元目前蓝牙产品的链路控制硬件单元包括3个集成芯片 连接控制器 基带处理器以及射频传输 接收器 此外还使用了3 5个单独调谐元件 基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议 美国德州仪器 TI 公司推出了单片蓝牙LSI 该产品将蓝牙的基带处理电路和RF收发器电路集成到一个CMOSLSI中 到目前为止只有英国CSR公司和美国Broadcom公司在研究这种LSI TI首先实现了此类芯片的单片产品化 蓝牙设备依靠专用的蓝牙微芯片使设备在短距离范围内发送无线电信号 目前主要用ASIC的解决方案 包括射频和基带部分 现在已有单片ASIC电路的方案和产品 3 软件单元蓝牙的软件是一个独立的操作系统 不与任何操作系统捆绑 它符合已经制定的蓝牙规范 蓝牙规范包括两部分 第一部分为核心部分 用以规定诸如射频 基带 连接管理 业务发现 传输层以及与不同通信协议间的互用 互操作性等组件 第二部分为应用规范 Profile 部分 用以规定不同蓝牙应用所需的协议和过程 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 QoS 协议的复用和分用等功能 4 无方向性天线的特性可穿透障碍物的特性是蓝牙的特征和应用RF的优点之一 一般红外线遥控器缺点是只要在障碍物的状况下时 可能电波 红外线 就会被遮断而无法传达 但以装有蓝牙的无线耳机为例 手机放在裤子口袋 或者是放在背包中 透过无线耳机就可以轻易的收听 因为蓝牙应用频段为2 4GHz 其拥有良好穿透性 七 蓝牙技术的发展 蓝牙技术从1994年出现 已经形成了较为完整的产品和供应链 IEEE802 15已经接受了蓝牙规范 蓝牙规范1 1 1 2 高速跳频和时分多址2 4GHz723 2kbps 蓝牙2 0 EDR标准 在2004年已经推出 采用蓝牙核心规范2 0版本及更高数据传输速率 EDR 的高速跳频和时分多址2 4GHz2Mbps 其产品于2006年大量出现 蓝牙规范2 0使其数据传输速率提高3倍 并降低了功耗 从而延长电池的使用时间 由于带宽增加 提高了设备同时进行多项任务处理 或同时连接多个蓝牙设备的能力 并使传输范围可达100米 最高速率达到10Mbps 蓝牙核心规范2 0 EDR主要改进如下 3倍于蓝牙1 2的数据传输速率 最大可以达到10倍 通过减少工作负载循环达到较低电力消耗增加带宽简化了多连接模式向后兼容早期蓝牙设备降低了比特误差率BER BitErrorRate Bluetooth3 0 2009年4月蓝牙技术联盟 BluetoothSIG 正式颁布了新一代标准规范 BluetoothCoreSpecificationVersion3 0 HighSpeed 蓝牙核心规范3 0版 高速 可简称为 蓝牙3 0 HS 或者 蓝牙3 0 蓝牙3 0的核心是 GenericAlternateMAC PHY AMP 这是一种全新的交替射频技术 允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确的射频 通过集成 802 11PAL 协议适应层 蓝牙3 0数据传输率提高到了大约24Mbps 是蓝牙2 0的八倍 Bluetooth3 0标准将能够使得Bluetooth频率依托于Wi Fi802 11协议 简单得说就是将可以使用Wi Fi802 11协议进行数据传输 为了能够充分利用高速的数据传输速率 相关设备将需要同时支持蓝牙和Wi Fi无线功能 如果相关设备不支持Wi Fi网络 那么数据传输将会由Bluetooth来进行 八 蓝牙的应用 音频蓝牙发送 蓝牙耳机 蓝牙的应用 蓝牙的应用 蓝牙适配器 蓝牙的应用 电话 蓝牙规范接口可以直接集成到蜂窝电话中或通过附加设备连接 电话的使用模型包括 通过蓝牙无线耳机实现电话的免提功能 与笔记本电脑和手持机的无电缆连接 与其它蓝牙电话 笔记本电脑和手持机的商用卡交易 与信任的蓝牙笔记本电脑或手持机自动同步地址簿 其它 它蓝牙设备的使用模型包括 耳机 手持机和其它便携设备 人机接口设备 数据及话音接入点 汽车上加入蓝牙音乐报放器功能 用户可以使用蓝牙手机和汽车内的音响相连 播放音乐 手机提供蓝牙技术使其能够通过蓝牙打印机无线打印照片 并与其它蓝牙装置共享其多媒体内容 蓝牙技术装备SONYTRV数码摄像机有了这个功能后 可以通过具备蓝牙功能的手机 做接入互联网络之用 除了可以把影像传给朋友外 用它还可以收发电邮和上网 RFID技术 RFID技术介绍 无线射频识别技术 RadioFrequencyIdentification 简称RFID 是一种非接触式的自动识别技术 它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据 识别工作无须人工干预 可工作于各种恶劣环境 可识别高速运动物体 并可同时识别多个标签 操作快捷方便 因此 RFID技术 已经成为21世纪全球自动识别技术发展的主要方向 RFID系统组成 应用RFID技术组成的自动识别系统称为RFID系统 RFID系统主要由三部分组成 1 电子标签 Tag 由IC芯片及一些耦合元件组成 每个标签具有唯一的电子编码 附着在物体上标识目标对象 标签含有内置天线 Antenna 用于和射频天线间进行通信 在标签和读取器间传递射频信号 2 阅读器 Reader 也叫读写器 读取 有时还可以写入 电子标签信息的设备 可设计为手持式或固定式 许多阅读器还带有附加的接口RS232或RS485等与外部计算机 上位机主系统 连接 进行数据交换 3 计算机 进行数据管理 RFID系统工作原理框图如下 RFID工作原理 RFID系统的工作原理 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号 当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流 电子标签获得能量被激活 电子标签将自身唯一识别码等信息通过卡内置发送天线发送出去 系统接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号 经天线调节器传送到阅读器 阅读器对接收的信号进行解调和解码 然后送到后台主系统进行相关处理 主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性 针对不同的设定做出相应的处理和控制 发出指令信号控制执行机构动作 电子标签的分类 电子标签 Tag 是射频识别系统真正的数据载体 Tag具有智能读写和加密通讯的功能 它的基本构成是由IC芯片和一些外围元件组成 依据电子标签供电方式的不同 电子标签可以分为有源卡 Activetag 和无源卡 Passivetag 有源卡内装有电池 无源卡内没有装电池 按照能量供给方式 RFID系统分为有源系统与无源系统 按照工作频率 RFID系统有低频 中频 高频 超高频 微波射频等几种 RFID标准 RFID标准 国际标准ISO美国的EPC ElectronicProductCode 日本的UID UbiquitousID 中国标准 制定中 ISO标准 ISO IEC14443 Identificationcards Contactlessintegratedcircuit s cardsISO IEC15963 UniqueidentificationforRFtagsISO IEC18000 ParametersforairinterfacecommunicationsISO IECCD24791 SystemManagementProtocol Architecture Datamanagement Devicemanagement Applicationinterface Security EPC EPC关于标签的规范 主要依其读写能力和操作方式分为六个等级 1 Class0 被动式标签 內部只能有true或false两种状态 规格简单 本身不需要存储器 一般使用在电子商品的防伪系统 2 Class1 被动式标签 含有存储器 所以可以包含EPC识别码等基本资料 但标签最多只可写入一次 主要应用在商品的识别上 3 Class2 被动式标签 为可重复读写的标签 应用范围广 4 Class3 半被动式标签 可以说是一內含存储器的环境感应器 主要用來记录环境的变化 如温度和湿度等 5 Class4 主动式标签 可将天线和其內部的控制芯片整合在一个細小的颗粒之中 由于其体积相当微笑 所以外界又将其称为Smartdust 6 Class5 主动式标签 此種Tag可以扮演类似Reader的角色 并提供其它标签工作时所