短距离无线通信的比较与研究——蓝牙和WI-FI.doc

毕业设计（论文）专 业 通 信 技 术 班 次 xxxxx 姓 名 xxxxxx 指导老师 xxxxxxxx 成都工业学院二0一 二 年 成都工业学院 通信工程系毕业论文短距离无线通信的比较与研究蓝牙和WI-FI 摘要：随着电子技术的发展和各种便携式个人通信设备的增加，蓝牙和WI-FI的应用也越来越普遍，尤其是两者在手机上的应用最为突出，蓝牙侧重于任意两设备之间通过无线互联来传输数据，而WI-FI则侧重于通过无线来与互联网进行连接。为了了解两种设备的优劣势，满足人们对无线通信日益增长的要求和需要，通过对两种设备的系统结构、技术组成的对比和说明，分析出两种设备在应用时各自的优缺点。两种设备同时工作时，合理的运用各种方案，在减少干扰实现共存的情况下，降低技术成本，提高应用价值。关键词 通信技术；无线传输；扩频；跳频；干扰；共存 目 录第1章 绪论11.1 研究意义11.2 国内外现状11.3 研究目标与内容2第2章 蓝牙32.1 蓝牙系统结构的基本组成单元32.2 蓝牙协议栈42.2.1 蓝牙底层协议52.2.2 蓝牙中间层协议72.2.3 蓝牙高层协议112.3 蓝牙的关键技术122.3.1 跳频技术122.3.2 编址技术132.3.3 纠错技术142.4 蓝牙组网类型及连接过程15第3章 WI-FI213.1 WI-FI系统标准及结构213.2 WI-FI协议253.2.1 CSMACA协议253.2.2 RTS/CTS协议263.2.3 BTMA协议263.3 WI-FI的关键技术273.3.1 DSSS技术273.3.2 CCK技术273.3.3 OFDM技术283.4 WI-FI组网结构及数据传输29第4章 蓝牙与WI-FI的技术比较334.1 扩频方式334.2 调制方式334.3 安全性34第5章 蓝牙和WI-FI的干扰与共存375.1 蓝牙和WI-FI的干扰分析375.2 蓝牙和WI-FI的共存方案38结 语41致 谢42参考文献43 I 成都工业学院 通信工程系毕业论文第1章 绪论1.1 研究意义蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，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。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学（Industrial, Scientific and Medical, ISM）频段。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，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。WI-FI技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术使用的也是2.4GHz附近的频段，该频段属于免费的无线频段。其目前可使用的标准包括IEEE802.11a、IEEE802.11g和IEEE802.11b。该技术由于有着自身的优点，因此受到厂商的青睐。随着越来越多数字电子产品借着新科技提升本身的性能和实力，以目前发展的趋势来看，未来消费性电子产品将有两个重要的发展指标，一是使用蓝牙、WI-FI技术这类开放技术，以无线、局域网络、可携带式设备为主体的网络延伸；另一项则是将各种设备的内存规格统一，加密以及轻量化的应用。但是，蓝牙与WI-FI共享一个频段,靠得太近时会发生干扰。目前市场需求正在推动内含蓝牙与WI-FI的手持设备发展。蓝牙的自适应跳频（AFH）可以显著降低 2m 外的干扰,但对近距离则无效果。还有其它的共存方案,出现的最佳方案是两个 MAC 层进行沟通,以便仲裁使用的频谱，为两类链接提供 IC 的制造商正准备提供这种共存方案。 因此，本课题研究蓝牙与WI-FI的结构和区别，分析它们间的相互干扰因素，探讨较好的降低干扰的方法都是很有现实意义的。1.2 国内外现状自从1998年提出蓝牙技术以来,蓝牙技术的发展异常迅速。蓝牙Bluetooth作为一种新的短距离无线通信技术标准,受到全世界越来越多工业界生产厂家和研究机构的广泛关注。成立了世界蓝牙组织Bluetooth SIG,采用技术标准公开的策略来推广蓝牙技术,现已发展成为一个相当大的工业界高新技术标准化组织,全球支持蓝牙技术的2000多家设备制造商都已经成为它的会员,一项公开的、全球统一的技术规范得到了工业界如此广泛的关注和支持在以往是罕见的。而1999年，802.11a定义了一个在5GHz ISM频段上的数据传输速率可达54Mbit/s的物理层，802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上但数据传输速率高达11Mbit/s的物理层。2.4GHz的ISM频段为世界上绝大多数国家通用，因此802.11b也得到了最为广泛的应用。苹果公司把自己开发的802.11标准起名叫AirPort。1999年工业界成立了WI-FI联盟，致力解决符合802.11标准的产品的生产和设备兼容性问题。近年来,世界上一些权威的标准化组织,也都在关注蓝牙和WI-FI技术标准的制定和发展。例如,IEEE的标准化机构,也已经成立了80215工作组,专门关注有关蓝牙技术标准的兼容和未来的发展等问题。而WF-FI技术同样由当初的802.11a标准发展到现在的802.n标准。现如今，蓝牙和WI-FI技术在国内应用相当普遍，尤其以各类智能手机、笔记本、平板电脑等便携式移动终端为例，一款手机是否带有蓝牙和WI-FI功能，基本上就能判断其是否属于中高端机。尽管目前看来蓝牙和WI-FI技术的发展势头很足，前景也很了乐观，但其与实际应用有关的许多具体细节尚需认真研究解决，其中，首先应该考虑的主要有统一标准的问题、可靠性与安全性问题、小型化问题、工程化问题以及测试技术，包括性能测试、一致性测试及互连（兼容性）测试,以及在同一设备上两者之间的干扰等。1.3 研究目标与内容本课题要求理解、分析以及说明蓝牙和WI-FI通信系统的通信原理和方式，包括信号传输、信号接收及通信协议等，了解和熟悉蓝牙与WI-FI系统的特点，包括它们的优缺点，分析其系统运行及性能；由于蓝牙和WI-FI都工作在国际公开的2.4GHz频率上，所以它们工作时必然会产生相互干扰，就两者在同一频率上如何减少干扰、实现共存，提出合理的优化方案。 第2章 蓝牙 2.1 蓝牙系统结构的基本组成单元蓝牙系统由4个基本单元构成，包括无线射频单元、链路控制单元（基带）、链路管理单元和软件功能单元；1 无线射频单元蓝牙系统采用全向天线，支持点到点的通信，使得多台蓝牙设备可以分享LAN资源，支持终端的移动性，更容易查询和发现设备。系统天线指标是按0dBm设计的，遵循美国联邦通信委员会有关电平为0dBm的ISM波段的要求，系统最大的跳频速率为1600跳/秒，在2.402GHz到2.480GHz之间，采用79个1MHz的频点来实现，其通信距离为10cm到10m之间，通过增大发送功率可将范围扩大至100m。2 链路控制单元链路控制单元即基带，基带中描述数字信号处理的硬件是链路控制器，基带链路控制器负责处理基带协议和其他一些低层连接规范，包括网络连接的建立、差错控制、验证和加密。在蓝牙微微网建立之前，所有设备都处于待机状态，在这种模式下，未连接单元每隔1.28s监听一次信息，每当一个设备被激活，他就监听规划给该单元的32个跳频频点。在初始寻呼状态，主设备在发送16个跳频频率上发送一串相同的寻呼信息给从设备，若未收到应答，主设备就在其他的16个跳频频率上发送寻呼信息。蓝牙基带技术支持两种连接方式；同步面向连接（SCO）和异步无连接（ACL），前者主要用于话音传输，后者主要用于分组数据传输，不同的主从设备可以采用不同的连接方式，而且在一个阶段内还可以任意改变连接类型，每个链接类型最多可以支持16种不同类型的数据包，其中包括四个控制分组，两种连接类型都使用时分双工传输方案实现全双工传输。基带控制器采用前向纠错编码（FEC）和自动请求重传（ARQ）的纠错控制方式，采用FEC编码的目的是减少数据重发次数，降低数据传输负载，但在无差错环境中，FEC校验位失去作用而且降低了数据吞吐量。在无编号的ARQ方案中，一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙获得收到消息的确认，只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为无错后，才向发端发回确认消息，否则返回一个错误消息。蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制，他允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域，加密被用来保护连接中的个人信息，密钥由程序的高层来管理，网络传送协议和应用程序，可以为用户提供一个较强的安全机制。3 链路管理单元链路管理单元携带了链路的建立、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议， 链路管理器可以发现其他链路管理器，并通过链路管理协议（LMP）建立通信联系，链路管理器利用链路控制器（LC）提供的服务实现上述功能，LC可实现的功能有接受和发送数据、设备号请求、链路地址查询、建立连接、验证、协商建立连接的方式、确定分组的帧类型、设置设备的工作方式等。4 软件功能单元 蓝牙计划的目的是确保任何蓝牙设备实现互通，因此蓝牙设备必须能够相互识别并装载相应的软件以支持设备更高层次的性能，软件的互通性要求采用相同的应用层协议，而不去开发新的协议，软件功能单元主要实现的功能包括蓝牙设备的发现、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等。2.2 蓝牙协议栈 蓝牙规范的核心部分就是协议栈，规范在其协议栈中采用分层结构，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。虚拟名片(vCard)虚拟日历(vCal)对象交换协议 (OBEX) 无线应用环境(WAE) 无线应用协议(WAP)传输控制协议(TCP)用户数据报协议(UDP) 英特网协议(IP) 点对点协议 (PPP) 音频/电话命令 (A/T commands) 串口仿真协议 (RFCOMM)二进制电话控制协议 (TCS-BIN) 服务发现协议 (SDP) 逻辑链路控制和适配协议(L2CAP) 音频 链路管理协议 (LMP) 基带(Baseband)蓝牙无线收发器(Bluetooth Radio)底层硬件蓝牙主机控制器接口(HCI)中间协议层高端应用层软件实现硬件实现 图2-1蓝牙协议体系结构按照各层协议在整个蓝牙协议体系中所处的位置，蓝牙协议可分为底层协议、中间层协议和高层协议三大类。2.2.1 蓝牙底层协议蓝牙底层协议实现蓝牙信息数据流的传输链路,是蓝牙协议体系的基础,它包括射频协议、基带协议和链路管理协议.1 射频协议蓝牙射频协议处于蓝牙协议栈的最底层, 主要包括了蓝牙收发机的设计规范，频段与信道安排、发射机特性和接收机特性等，用于规范物理层无线传输技术，实现空中数据的收发。 载波产生载波调制（数据Rx/Tx）Tx能量控制Tx信号 无线射频 控制 空中数据 （比特流） 2.4GHz 蓝牙射频 图2-2蓝牙射频 蓝牙工作在24GHz ISM频段，此频段在大多数国家无须申须运营许可，使得蓝牙设备可工作于任何不同的地区。信道安排上，系统采用跳频扩频技术，抗干扰能力强、保密性好。蓝牙SIG制定了两套跳频方案，其一是分配79个跳频信道，每个频道的带宽为1MHz，其二是23信道的分配方案。12版本以后的蓝牙规范都采用第一种方案。蓝牙发射机的功率分为三个等级；Class1：20dBm（100mW），Class2:4dBm（2.5mW），Class3:0dBm（1mW），使用等级1的设备需要功率控制，功率控制用于限制传输功率高于0dBm，低于0dBm的功率控制能力是可选的，并且可以用来使功耗和所有接口层最优化，功率的跨度应该遵循统一的顺序，最大跨度为8dBm，最小跨度为2dBm。2 基带协议基带层在蓝牙协议栈中位于蓝牙射频层之上，同射频层一起构成了蓝牙的物理层，基带规范覆盖的范围非常广泛，其主要功能包括链路控制、管理物理链路、定义基带分组格式和分组类型、纠错功能以及处理数据包、寻呼、查询接入和查询蓝牙设备等功能。蓝牙基带支持异步无连接链路（ACL）和同步面向连接链路（SCO）。SCO链路是蓝牙微微网中的主单元和唯一的从单元之间的点到点链路，ACL链路是主单元和所有从单元之间的点到多点链路。ACL链路在主从设备间以分组交换方式传输数据，即可以支持异步应用，也可以支持同步应用。一对主从设备只能建立一条ACL链路，ACL通信的可靠性可以由分组重传来保证，由于是分组交换，在没有数据通信时，对应的ACL链路就保持静默。时钟连接建立（呼叫和查询）跳频选择链路类型（SCO，ACL）媒体接入控制：轮询（分组类型和处理）功率模式安全运算法则 控制 异步 数据 同步 数据 链路控制 控制 BB-PDUs: 空中数据（比特流） 基带 图2-3蓝牙基带的主要功能 SCO链路在主设备预留的SCO时隙内传输，而其传输方式可以看做是电路交换，并且不进行重传操作，只有建立了ACL链路后才可以建立SCO链路。一个蓝牙微网中的主设备最多可以同时支持三条SCO链路，一个从设备与同一主设备最多可以同时建立三条SCO链路。在一个蓝牙微网的信道中，数据以分组形式传输，每一个分组由识别码、分组头和有效载荷三部分组成，识别码和分组头的长度是固定的，分别为72位和54位。有效载荷的长度可以从0到2745位变化。3 链路管理协议链路管理协议(LMP)是在蓝牙协议栈中的一个数据链路层协议。LMP执行链路设置、认证、链路配置和其它协议：链路管理器发现其它远程链路管理器(LM)并与它们通过链路管理协议(LMP)进行通信。链路管理器之间交换的消息称为链路管理器协议数据单元（LMP_PDU）。链路管理器的处理与基带的实时处理方式不同，链路管理器的处理不是实时的，协议规定，从接收设备收到一个带有LMP_PDU的基带数据分组到发送一份带有合法的应答PDU的基带数据分组之间的时间间隔不能超过LMP的最大应答延迟时间，协议规定该最大延迟时间为30s。基带协议定义了一些设备鉴权和链路数据流加密所需要的安全算法以及处理过程，设备鉴权是强制性、必须进行的，所有的蓝牙设备均支持鉴权过程，链路的加密则是可以选择的。链路管理：安全管理、功率管理、Qos管理.传输时序安排 控制 LMP_PDUs链路管理和主机I/O 控制 图2-4链路管理器的功能 链路管理处于连接状态的设备可以调整它们与所连接的蓝牙微网的关系，以降低功耗或参与其他事件，常用的三种节能模式，呼吸模式、保持模式、休眠模式都是可以选择的，除了修改相互之间的链接特性之外，一个蓝牙设备还可以根据链路质量来要求与其连接的设备调整发射功率，链路质量可以由接收到的信号强度确定。2.2.2 蓝牙中间层协议蓝牙中间层协议完成数据帧的分解与重组、服务质量控制、组提取等功能，为上层应用提供服务，并提供与底层协议的接口，此部分包括主机控制器接口协议、逻辑链路控制与适配协议、串口仿真协议、电话控制协议和服务发现协议。1 主机控制器接口协议蓝牙主机控制器接口（HCI）是蓝牙主机-主机控制器应用模式中蓝牙模块和主机间的软硬件接口，它提供了控制基带与链路控制器、链路管理器、状态寄存器等硬件功能的指令分组格式以及进行数据通信的数据分组格式。在蓝牙的主机-主机控制器连接模型当中，主机和主机控制器间通过标准的物理总线接口（如通用串口总线USB、串行端口RS232）来连接，它们在通信时，HCI层以上的协议在主机上运行，而HCI层以下的协议由蓝牙主机控制器硬件来完成，它们通过HCI传输层进行通信。主机和主机控制器中都有HCI，它们具有相同的接口标准，主机控制器中的HCI解释来自主机的信息并将信息发向相应的硬件模块单元，同时还将模块中的信息根据需要向上转发给主机。蓝牙主机蓝牙主机控制器硬件 用户应用程序 其他高层驱动程序 HCI驱动程序物理总线接口（USB、RS232、PC）驱动程序 射频 基带链路控制器链路管理器 固件 HCI固件物理总线硬件物理总线接口（USB、RS232、PC） 固件 图2-5蓝牙主机-主机控制器模型 2 逻辑链路控制和适配协议蓝牙逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）与链路管理协议（LMP）类似，基于基带协议并为高层协议提供服务，它将基带层的数据分组转换为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。L2CAP只支持异步无连接（ACL）数据的传输，而不支持同步面向连接（SCO）数据的传输，L2CAP层本身不提供加强信道可靠性和保证数据完整性的机制，其信道的可靠性依靠基带层提供。由于蓝牙基带协议并没有提供高层的复用机制，因而对于L2CAP层，支持高层协议的多路复用是一项必不可少的重要功能。 主机 主机 高层协议及应用 L2CAP层 HCI层 射频部分 基带 主机控 制器 LMP 射频部分 基带 主机控 制器LMP HCI层 L2CAP层高层协议及应用蓝牙模块蓝牙模块 设备1 设备2 图2-6 L2CAP层在蓝牙设备通信模型中的位置蓝牙基带协议中定义的数据分组长度是很有限的，而蓝牙的高层协议则需要更大的分组来发送，因此，L2CAP分组必须能够在无线传输前分成许多小的基带分组，在接收端，经过简单的完整检查后，这些小的分组能够重新组合成一个较大的L2CAP分组。在L2CAP连接建立的过程中允许两台蓝牙设备之间交换各自所期望的服务质量消息，在连接建立之后通过监视资源的使用情况来保证服务质量的实现。3 串口仿真协议串口仿真协议（RFCOMM）是由SIG专门发布的，它为建立在串口之上的传统应用提供接口环境，使它们可以不做什么改动就能在蓝牙无线链路上工作，串口仿真协议在蓝牙协议栈中位于L2CAP协议层和应用层协议层之间，基于ETSI标准TS07.10规范制定的。 应用 端口仿真实体 RFCOMMSDP L2CAP 基带 服务注册/发现 Read/Write端口接口RFCOMM服务接口一般控制参数和 端口参数设置Data(TX,RX) 图2-7 RFCOMM参考模型Comtrol(如虚拟串口VCOMM)串口仿真协议支持两种实际应用设备，分别对应于一般串行通信中的数据终端设备DTE和数据通信设备DCE，DTE包括计算机和打印机等外围设备，是数据发起端或接收端，DCE为调制解调器或类似设备，起到连接不同通信媒介的作用。串口仿真协议的一个重要功能就是多路串口仿真，通过多路复用器，一条L2CAP链路可以同时支持多个串行应用。串口仿真协议提供对RS-232串口的仿真，对其中的非数据信号线也提供仿真，很多应用都熟知RS-232接口，包括各种与RS-232有关的控制信号，它都能模拟，从而使串口仿真协议以一个串口的形象呈现在客户眼前，就如同实际使用的串行电缆一样。它还提供了空调制解调器仿真，用于本地计算机和附近需要调制解调器的外围设备相连，在传输控制信号时，串口仿真协议并不区分DTE和DCE设备，这些控制信号都包含在MSC命令中，没有哪一种空调制解调器电缆连线方案能适用所有的情况，但串口仿真协议中提供的空调制解调器方案适用于大多数情况。4 电话控制协议电话控制协议（TCS）包括二进制电话控制（TCS BIN）协议和一套电话控制命令（AT commands），其中，TCS BIN定义了在蓝牙设备间建立语音和数据呼叫所需的呼叫控制信令，AT commands则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它是由蓝牙SIG组在ITU-T Q.931的基础上开发而成的。蓝牙电话控制协议层的设计支持电话功能，包括呼叫控制和分组管理，这些操作通常与语音呼叫有关，其中一些呼叫的参数就是使用TCS建立的，一旦呼叫建立成功，蓝牙音频信道就能运载呼叫的语音内容，TCS同样可以用来建立数据呼叫。 图2-8 蓝牙栈内的TCS无连接TCS组管理呼叫控制输入方输出方无连接TCS组管理呼叫控制电话控制L2CAPLMPL2CAPLMP数据链路 基带 基带物理层 TCS可以使用点到点信令和点到多点信令，在知道需要呼叫哪个设备的情况下，使用点到点信令，而当需要呼叫多个设备时使用点到多点信令，点到点信令映射到面向连接的L2CAP信道，点到多点信令则映射到无连接的L2CAP信道，对于单点配置，首先利用点到点信令信道通知被呼叫方请求，接下来用该信令信道进一步建立语音或数据信道，而对于多点配置，首先利用点到多点信令信道通知所有设备有呼叫请求，接下来被叫设备之一利用点到多点信道发回响应，该信令信道被用于进一步建立语音或数据信道。5 服务发现协议在蓝牙规范提出之前，服务发现协议已经存在，但由于蓝牙的无线网络与传统的固定网络有很大的不同，因此SIG针对蓝牙网络灵活、动态的特点开发了一个蓝牙专用的服务发现SDP协议。 客户 应用 服务器 应用 SDP 服务器 SDP 客户端SDP响应SDP请求图2-9客户服务器交换框图 SDP是一个基于客户/服务器结构的协议，它为客户应用提供一种发现服务器所提供的服务和服务属性的的机制，服务属性包括服务类型以及使用该服务所需的机制或协议信息。SDP定义了两种服务发现模式：服务搜索和服务浏览，服务搜索时查询具有特定服务属性的服务，服务浏览是简单地浏览全部可用的服务，服务器维护一个服务记录列表，服务记录列表描述与该服务器有关的服务的特征，每个服务列表包括一个服务的信息。客户端和服务器是SDP中定义的两种设备，客户端是查找服务的实体，服务器是提供服务的实体，一个蓝牙设备最多只有一个SDP服务器，如果蓝牙设备充当客户端，它就不需要SDP服务器，一般地一个蓝牙设备既可以是SDP服务器又可以是SDP客户端，如果一个设备上有多个应用提供服务，使用一个SDP服务器就可以充当这些服务的提供者，负责处理请求这些服务的信息，相似的，多个客户应用也可以使用一个SDP客户端作为客户应用的代表请求服务。2.2.3 蓝牙高层协议蓝牙高层协议包括对象交换协议、无线应用协议和音频协议。1 对象交换协议对象交换协议（OBEX）是由红外数据协会(IrDA)制定用于红外数据链路上数据对象交换的会话层协议。蓝牙SIG采纳了该协议，使得原来基于红外链路的OBEX应用有可能方便地移植到蓝牙上或在两者之间进行切换。OBEX是一种高效的二进制协议，采用简单和自发的方式来交换对象。在假定传输层可靠的基础上，采用客户机、服务器模式，它只定义传输对象，而不指定特定的传输数据类型，可以是从文件到商业电子贺卡、从命令到数据库等任何类型，从而具有很好的平台独立性。 Syuchronizatio Syuchronizatio Syuchronizatio OBEXRFCOMM IP TCP SDP ServiceDiscovery DB L2CAPvCard.vCal.Genenc Fomat vCard应用层会话层传输层适配层 图2-10 与OBEX有关的部分蓝牙协议结构在蓝牙系统中，OBEX的主要目的是实现数据对象的交换，蓝牙只使用面向连接的OBEX，典型的应用是把一个名片以对象堆的方式送给某个人，复杂的应用是使用OBEX在多个设备之间进行日历同步，OBEX对象模型描述了如何对OBEX对象进行表述，OBEX协议可以使用put-请求和get-响应操作传输一个对象，一个对象可以使用一个或多个put-请求和get-响应进行交换，客户端发出请求，服务器进行响应，客户在没有收到响应之前不能发送新的请求，请求分组包括1字节的操作码、2字节的长度指示和不定长度的数据，每个响应分组包括1字节的响应码、2字节的长度指示和不定长度的数据。2 无线应用协议无线应用协议(WAP)由无线应用协议论坛制定，是由移动电话类的设备使用的无线网络定义的协议。WAP融合了各种广域无线网络技术，其目的是将互联网内容和电话债券的业务传送到数字蜂窝电话和其他无线终端上，选用WAP可以充分利用为无线应用环境开发的高层应用软件。与互联网类似，WAP结构也定义了网络协议、内容格式和共享服务，这个方法导致灵活的客户机-服务器体系结构，可以以不同的方式执行，还在网络界面提供了互操作性和便携性。对于信息传送，一个WAP客户机使用蓝牙无线技术，通过服务发现协议SDP发现一个WAP服务器，当服务被发现时，WAP服务器的地址就被确定了。选用WAP，可以充分利用无线应用环境开发的高层应用软件，蓝牙SIG使用蓝牙协议栈作为隐藏信息处理的原因就是能够重复使用针对无线应用环境开发的软件应用。3 音频协议蓝牙音频(Audio)是通过在基带上直接传输SCO分组实现的,目前蓝牙SIG并没有以规范的形式给出此部分。虽然严格意义上来讲它并不是蓝牙协议规范的一部分,但也可以视为蓝牙协议体系中的一个直接面向应用的层次。2.3 蓝牙的关键技术 2.3.1 跳频技术 跳频(FHSS)扩频的实现方法是载频信号以一定的速度和顺序，在多个频率点上跳变传递，接收端以相应的速度和顺序接收并解调。这个预先设定的频率跳变的序列就是PN码。在PN码的控制下，收发双方按照设定的序列在不同的频点上进行通信。由于系统的工作频率在不停的跳变，在每个频率点上停留的时间仅为毫秒或微秒级，因此在一个相对的时间段内，就可以看作在一个宽的频段内分布了传输信号，也就是宽带传输。跳频通信系统的频率跳频速度反映了系统的性能，好的跳频系统每秒的跳频次数可以达到上万跳。 跳频通信系统在每个跳频点上的瞬时通信实际上还是窄带通信。其原理框图如下。图2-11 跳频原理框图蓝牙系统中使用的跳频序列有如下几种：1 寻呼跳频序列：在呼叫（Page）状态使用；该序列是根据待寻呼设备的地址和时钟而计算出的序列，在与外部设备建立连接时或者读取名称时进入该序列。2 寻呼应答序列：在呼叫应答（PageResponse）状态使用；周期性进入寻呼扫描状态，在特定的时间窗内监听到外部设备正在监听自己时进入该序列。3 查询序列：在查询（Inquiry）状态使用；特定的查询跳频序列可以被多个设备侦听到并给予回应，这样便可以发现多个设备。4 查询应答序列：在查询应答（InquiryResponse）状态使用；特定的查询跳频序列可以被多个设备侦听到并给予回应，这样便可以发现多个设备。查询过程获得的查询响应包含信息如下：（1）从设备地址： 主设备利用它导出从设备的DAC和稍后在寻呼从设备的过程中用到的寻呼跳频序列。（2）从设备的时钟值：它被用于估测从设备的相位，并以此来消除在后面的寻呼过程中的频率同步时延。5 信道跳频序列：在连接（Connection）状态使用。在已经建立连接的微微网中，主设备的时钟不变，从设备周期性地进行偏移以与主设备进行同步，相同的信道是指跳频序列是相同的。跳频序列便是由主设备的时钟和蓝牙地址共同衍生出来的。2.3.2 编址技术任一蓝牙设备，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。 图2-12 BR_ADDR的格式保留地址是我们为查询操作保留了一块 64 个的连续的 LAP 值；其中有一个留给对所有设备的通用查询，剩余的 63 个 LAP 值留给对特殊类别的设备的专用查询，不管 UAP 和 NAP 的内容是否相同，我们可以使用相同的 LAP 值，因此这些 LAP 值不能作为用户的蓝牙地址。这些保留的 LAP 地址是从 0x9E8B00 到 0x9E8B3F 。通用查询用的 LAP 是 0x9E8B33 。所有地址的 LSB 都是在最右边的位置，且为 16 进制方法表示。不论什么时候只要使用了保留的 LAP 地址，那么 UAP 就要使用缺省校验初始化（default check initialization ， DCI ）。 DLC 被定义为 0x00 。2.3.3 纠错技术 在蓝牙技术中使用了三种纠错方案：1 1/3 比例前向纠错码。2 2/3 比例前向纠错码。3 用于数据的 ARQ 方案。对数据有效信息使用 FEC 方案目的是减少重发次数。这样虽然提高了数据的可靠性，但 FEC 的采用增加了一些不必要时间开销，从而导致数据吞吐量下降。因此，分组究竟采用或不采用 FEC 码的选择，提出了在链接方式中应选用什么方式的分组问题。一般在 ACL 链接中使用 DM 和 DH 分组，在 SCO 链接中使用 HV 分组，而在 eSCO 逻辑传输中使用 EV 分组。分组头总以 1/3 比例前向纠错码保护，它含有很重要的链接信息，能允许多位错。1/3比例前向纠错码这是一种较简单的纠错码格式。它在分组头里 FEC 码用一种简单的 3 倍重复格式，既重复码对每位信息重复三次来实现。其结构如图所示： 图2-13 位重复编码方案在整个分组头里都采用了三位重复码，同时在 HV1 分组里的话音字段也采用了这种编码格式。2/3比例前向纠错码所有的寄存器设备在初始化时被清除为“ 0 ”。 把开关 S1 和 S2 设置在位置 1 上， 10 信息位顺序地进入 LFSR 。在输入完后，开关 S1 和 S2 被置于位置 2 上，五个奇偶位移出，奇偶位附加在信息位里。因此，每 10 个信息位块被编码成 15 位代码字，该代码字能在各个代码字中纠所有单错和检测所有双错。这种 2/3 比例前向纠错码用在 DM 分组， DV 分组中的数据字段， FHS 分组、 HV2 分组和 EV4 分组中。由于编码操作采用长度为 10 的信息段，所以用“ 0 ”的尾部位可附加在 CRC 位后。整个编码的位数（即：净荷头、用户数据、 CRC 和尾部数位）必须是 10 的整倍数，于是附加在尾部的位数是不可能达到 10 （即：在间隔 0 9 里）的，这些尾部位不包含在有效信息长度指示器里或 eSCO 建立的 LMP 命令的净荷长度字段中。ARQ方案即自动重复请求方案， DM 、 DH 和 DV 分组的数据字段传输或重发，直到收端（或超时执行）返回成功接收确认信息为止。该确认信息包含在返回分组头里。 ARQ 方案只用在分组的净荷中并且含有 CRC 的分组中。 HV 和 DV 分组的分组头和同步数据不受 ARQ 的保护。蓝牙使用快速，无编号确认方案。在响应前次接收分组的接收中返回 ACK （ ARQN=1 ）或 NAK （ ARQN=0 ）。从设备直接在跟随主 - 从时隙后的从 - 主时隙里响应。主设备将在下一个事件中将被编址为同一从设备来响应（即：在考虑成上次是接收来自从设备的分组和主设备响应该分组之间，主设备可编址为另一从设备）。尽管是正确接收分组，至少也需对 HEC 校验。另外，若必要时 CRC 也必须校验。2.4 蓝牙组网类型及连接过程蓝牙主要有以下几种组网类型：1 主设备与从设备 主动提出通信要求的设备是主设备，被动进行通信的设备为从设备。1台主设备最多可同时与7台从设备进行通信，并可以和多达256个从设备保持同步但不通信。1台从设备与另1台从设备通信的唯一途径是通过主设备转发。蓝牙系统提供点对点连接方式（即：蓝牙中仅有两点）或一点多址连接方式。在一点多址连接方式中，信道是分在几个蓝牙单元中。分在同一信道中的两个或两个以上的单元形成一个微网（ Piconet）。2 微网与扩散网 1台主设备和1台以上从设备构成的网络称为微网（皮克网）（Piconet）。一个蓝牙单元作为微网的主单元，其余的可作为从单元看待。在一个微网中最多可有七个活动从单元。另外，更多的从单元被锁定在休眠状态中。这些处于休眠状态的从单元在该信道中不能被激活，但对主单元来讲它们仍由主单元同步。无论对激活或休眠状态来讲，信道访问都由主单元控制。主从a）单个从设备构成的微网(点对点)主从从从从从从b）多个从设备构成的微网（点对多点） 图2-14 c）多个微网构成的扩散网主从主从从从从从从从从 具有重叠复盖域的微网之间存在设备间的通信，形成一个扩散网络（ Scatternet）结构。每个微网只能具有一个单独主单元，然而从单元可分享基于时分多址的不同微网。另外，在一个微网中主单元可视为另一个微网的从单元。且各微网间不再是以时间或频率同步，各微网有自己的跳频信道。3 对等网络Ad-hoc蓝牙设备在规定的范围内和规定的数量限制下，可以自动建立相互之间的联系，而不需要一个接入点或者服务器，由于这种网络是由某些蓝牙设备临时构成的网络，所以Ad-hoc网络又称临时网。由于网络中的每台设备在物理上都是完全相同的，因此又称为对等网。蓝牙网络连接的建立主要有三种状态：待机状态，连接状态和休眠状态。1 待机状态是蓝牙设备中的默认状态。在这个状态下，蓝牙设备处于低功耗模式，只有本地时钟以 LOP 精度（或更好的）运行。而控制器则可以脱离待机状态去扫描呼叫、查询消息、呼叫或自身查询。主设备和从设备采用信道访问码和主设备蓝牙时钟交换数据包。从待机状态向连接状态转变的过程中还存在七个子状态：寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主响应、从响应、查询响应。 图2-15子状态响应过程（1）寻呼子状态：主设备通过在不同的跳频信道上不断地传输由从设备的设备接入码组成的寻呼信息来试图和从设备保持一致。由于主从设备的蓝牙时钟是不同步的，主设备不知道从设备什么时候被唤醒和从哪个跳频频率上被唤醒，因此在不同的跳频点向从设备发送一系列相同的扫描报文，然后在传输间隔时间内监听，直到收到从设备的响应。当从设备成功接收到了一个寻呼报文以后，主从设备之间将有一个近似的 FH同步。主从双方都进入响应子状态来交换重要信息来进行连接。尽管主从设备使用同样的跳频序列，但是在序列中使用不同的相位，而可能永远选择不同的频率。为了能校正时钟漂移，主设备应在一系列的唤醒频率上的一个短时间间隔发送寻呼报文。寻呼序列的建立不依赖与同步链路的存在，这就是说，同步分组通过保留时隙来进行传输，但是它不影响在未保留时隙中使用的跳频频率。寻呼子状态可以从待机状态或连接状态进入，在待机状态下，不存在任何已经建立的连接，因此设备可以用其所有的性能来进行寻呼。在连接状态时进入寻呼子状态之前，设备应该释放最大的性能来进行查询。为了做到这点，建议把ACL连接进入到保持或者休眠状态。然而，同步连接是不能被寻呼所中断的。这就是说寻呼将会被保留的SCO和eSCO时隙所中断（因为它们有较高的优先级）。为了为寻呼获取更多的性能，所以使用占用最小性能的SCO分组。 图2-16（a）常规寻呼（b）存在一个同步链路时的寻呼（c）存在两个同步链路时的寻呼 （2）寻呼扫描子状态：此状态下，设备根据由设备蓝牙设备地址所确定的寻呼跳频序列来选择扫描频率。序列中的相位由设备内部时钟的 CLKN 来确定，设备可以配置成使用标准扫描进程或隔行扫描进程。在标准扫描时，如果相关器在循环扫描时间内超过了触发门限，则设备进入了从设备响应子状态。扫描设备也可以使用隔行扫描。在这种情况下如果相关器在第一次扫描时间内没有超过触发门限，则它要用由 CLKN 所确定的序列的相位来进行第二次扫描。如果相关器在标准模式下或在隔行扫描模式下的第二次扫描时间内没有超过触发门限，那么它就要返回到待机或连接状态。在待机状态下，未建立任何连接的设备可以使用全部性能来实现呼叫扫描。在从联机状态进入呼叫扫描子状态前，设备尽可能多地保留扫描性能，如有可能的话，设备可以在保持模式、休眠模式或呼吸模式下保持 ACL连接。同步连接不能被寻呼扫描中断，寻呼扫描可以被保留的高优先级的同步时隙所中断，通过增加扫描窗口来就能减少建立连接延时。（3）查询子状态：查询子状态用来发现新的设备，这个子状态和寻呼子状态类似。RX 和 TX 频率是紧接着查询跳频序列和查询响应跳频序列的，它由通用查询接入码和本地的蓝牙时钟决定的。在查询过程中，接收器要对查询响应报文进行扫描，收到一个响应时，就读取整个分组，在查询子状态下的设备不能对查询响应报文进行确认响应，它将继续保持在不同的跳频信道上和在监听响应分组间内进行查找。如果查询进程周期性地自动初始化，那么两个查询实例间的间隔就随机确定了。这样可以避免两个设备同步它们的查询过程。查询子状态可以由待机或连接状态进入，查询子状态持续直到被基带资源管理器停止、 超时或从主设备发来的取消查询进程的命令。（4）查询扫描子状态：这其中定义了两种扫描类型：标准扫描和隔行扫描。标准扫描在一个单跳频上进行，隔行扫描在相邻的扫描窗口扫描来进行。如果扫描间隔不只是两倍的扫描窗口，则隔行扫描就不能用了。查询程序用 32 个专用的查询跳频频率，这些频率由通用查询地址来确定。相位由发送查询扫描的设备的本地时钟来决定；相位每 1.28 秒改变一次。通用查询接入码的替换或增加，设备可以扫描一个或更多专用查询接入码。然而，扫描将紧随由通用查询地址决定的查询跳频序列，如果在查询唤醒时收到了一个查询报文，设备将进入查询响应状态。（5）主响应状态：主响应进程将冻结当前的时钟输入，而转到寻呼跳频选择方案，然后主设备传输 FHS 分组，这个 FHS 分组包含主设备实时蓝牙时钟、主设备蓝牙地址、 BCH 奇偶位和设备类型。 FHS 分组包括所有建立信道接入码的所有信息，它不需要经过对主设备蓝牙设备地址进行数学变化。FHS分组在从设备响应后主-从时隙进行传输，它的TX时序不是基于从从设备那里接收的响应分组的，FHS分组在接收到响应分组后312.5s进行发送。在主设备发送了 FHS 分组以后，它就等待第二个从寻呼响应分组，如果没有接收到响应，则主机就对更新了时钟的 FHS 分组进行重传，而这个 FHS 中的其他参数不变。每次主设备都要对 FHS 分组中的时钟进行更新，直到收到第二个从寻呼响应，接收到了从设备的响应以后，主设备改用使用字节的参数，时钟的低位 CLK0 和 CLK1 在 FHS 分组传输开始传输时要重置为0，并不包含在 FHS 分组里。最后主设备进入连接状态，用主设备蓝牙设备地址来改变到一个新的跳频。（6）从响应状态：从设备在接收到寻呼报文以后，就给主设备发送一个寻呼响应报文，这个响应报文是从设备的设备接入码，从设