（计算机应用技术专业论文）短距离通信技术——蓝牙散射网形成协议的研究与实现.pdf

南京邮l u 学院删 研究生毕业论文摘要 摘要 本文对短距离通信技术蓝牙技术做了深入的分析、研究和探 讨。其中，第一部分主要介绍了蓝牙技术的发展背景、协议栈、物理 信道以及组网原理，综述了形成蓝牙散射网的应用需求；第二部分详 细分析了已有蓝牙散射网形成协议的分类、实现机制，对形成协议中 的性能参数进行了量化比较；第三部分提出和详细阐述了作者提出的 蓝牙散射网形成协议的机制；第四部分对该协议的机制进行仿真实 现；第五部分将仿真结果与已有的形成协议性能相比较，得出结论。 关键词：蓝牙微微网散射网短距离 南京邮i 乜学院倾i 研究生毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e sat h o r o u g ha n a l y s i s ，re s e a r c ha n dd i s c o v e r yo f b l u e t o o t h ，ak i n do fs h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y o fw h i c h ， i ns e c t i o nii ti n t r o d u c e sb l u e t o o t h sd e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d ，p r o t o c o l s t a c k ，p h y s i c a lc h a n n e la n dn e t w o r k i n gm e c h a n i s m ，a sw e l la sc a l l so n t h er e q u i r e m e n t sf o rf o r m i n gb l u e t o o t hs c a t t e r n e t i ns e c t i o ni i ，t h i s p a p e ra n a l y z e sa n d co m p a r e sind e t a i l sth ed i f f e r e n tk in d so fe x i s t i n g b l u e t o o t hs c a t t e m e tf o r m a t i o n p r o t o c o l s a n dt h e i ri m p l e m e n t a t i o n m e c h a n i s m ，a n dp e r f o r m a n c em e t r i c s i ns e c t i o ni i io ft h i sp a p e r , an e w b l u e t o o t hs c a t t e r n e tf o r m a t i o np r o t o c o li sr a i s e du p a n a l y s i so ft h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mi nd e t a i l si so f f e r e da sw e l l i ns e c t i o ni vw e i m p l e m e n ta n ds i m u l a t et h ep r o t o c o l w i t ho p n e tm o d e l e ra n di n s e c t i o nvw ec o m p a r ea n da n a l y z et h es t a t i cr e s u l t so fp e r f o r m a n c e m e t r i c sb e t w e e nt h ep r o t o c o li n t h i sp a p e ra n dt h ee x i s t i n gf o r m a t i o n p r o t o c o l s ，d r a w i n gac o n c l u s i o nt h a tt h en e w l y r a i s e df o r m a t i o np r o t o c o l i sr e l a t i v e l yb e t t e ri np e r f o r m a n c e k e w o r d s ：b l u e t o o t hp i c o n e ts c a t t e r n e ts h o r t r a n g i i 南京邮l u 学院坝i ：研究生毕业论义 缩略语表 b da d d r b t c a c b n e p h c i i c p l 2 c a p l m p d a c i a c s d u p d u s m b b p a n w l a n w p a n 缩略语表 b l u e t o o t hd e v i c ea d d r e s s蓝牙设备地址 b l u e t o o t h c h a r m e la c c e s sc o d e信道接入码 b l u e t o o t h n e t w o r ke n c a p s u l a t i o np r o t o c o l 蓝爿：网络封装协议 h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c ef u n c t i o n a l主机控制接口功能协议 i n t e r c o mp r o f i l e互联协议子集 l o g i c a ll i n kc q n t r o l & a d a p t a t i o np r o t o c o l 逻辑链路控制适配怫议 l i n km a n a g e rp r o t o c o l链路管理协议 d e v i c ea c c e s sc o d e设备接入码 i n q u i r ya c c e s sc o d e 询问接入码 s e r v i c ed a t au n i t服务数据单元 p r o t o c o ld a t au r u t s l a v e m a s t e r b a s e b a n d p e r s o n a la r e an e t w o r k 协议数据单元 从节点 主节点 基带 个人区域网 w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k无线局域网 w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k无线个人区域网 南京邮电学院倾1 一研究生毕业论丘翻表 图表 国! ：! 旦! 女地q 坐查垃遮佳丞生历熊的僮置：= ：= ：= ! 图! ：2 旦! 女! 垃q 坐复基他拯蕉的出缝：= ：= ：= 2 圈! 1 3 b 9 坠嫂g 虹昱拄堕生厶：二二二：二二= ：= ：= ：= ：! 图! ! 丛弛坯丝敏煎僵运至弛甚电啦间比筮：= ：= ：= ：5 崮! ：5 蓝丑：超备盥组盛：二：= ：= ：= ： 国! ：蕉召：怂邀挂：= ：二：= ：= ：二：= ：二：= ：= ：= ：= ：! 图! ：2 蓝夏型i 麴丞亟国：= ：二：二：= ：= ：= ：8 图! ：8 蓝互邀塑圆塑趑射圜二：二二二二二二二二二二二二二：二：二：二二二二：二：二二：二二：二：二：二：二二= = ：二! ! 图! ：2 墨益岔塑的= 胜搔式= ：二二：二：二：! ! 图! ：! q 堕召! 设备时垃：二：二：二：二：二二! ! 图! ：! ! f ) 圭莹盛虫的l k 也) 丛茔直虫盟l k ：= ：l ! 图! ：12 l k 垦：= 二：二：= ：二：二= 二二二二二二二二：= ：= ：= ：13 图! 1 3 整五邀圣地地二二二二：二：二二：二：二：二：二：二二二：二二二二：二二：二二二二二二：二：二二二二二二：二二：二1 4 罾l ! 型5 麴选量_ 【剑：二：二：= ：= = ：= ：= ：= ：竖 国! ：1 5 垂迥型i 麴匣到：= ：二：二：二：= ： 图! ：! 查迥定啦：= ：二：二：二二：二：1 2 国! ：1 2 查迦蛔座定盟：二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二：二二：二二二二：二：二二二二二：二二二二：二= ：= = ：二二二：1 8 国! ：! g 丕回筮挝蔓奎的堇虿：遮备组盛鳆丝熊圆：= ：二二：2 q 笪! ：l ! 堕互趱昼工i 笙丛盎的缱逸：= ：二：二：二：二二：2 q 国! ：2 q 圭丛芷直建童适篮过程：= ：二二：二二21 图! ：21 墨盟隧錾掘鱼：= ：= ：二：= ：2 3 图! ：垄堇夏熬盟圆凶湿盒垣盐二二：二二二二二二二二二：二二：二：二：二二：二：二二二二二二二二二二二二二二二二二：二二二二：2 1 国2 ! 理盛礅徽囹：二：二：= ：二：二：二：二：二：二：31 图2 ：2 形成旦! 坠曼q 卫! 曼! ! 出q 丑：= ：二：= ：二：塑 图2 ：3 敦盟豳醴威怂邀曲监延：二：= ：= ：3 5 图2 ：! 苴息缝数= ：二：二：= ：= ：= = ：= ：3 图! ：i 筮强曲壑苴壶：二二：二二二二二二二二二二：二二二二二二二二：二二：二二：二二二：二二二：二二二二= ：二：= 二：3 图2 1 连迪的堇互拓盐( 监) 二：= ：二：= ：= ：= ：3 z 图2 ：2 丕回的查坷趔翅盟邀焦蕉现曲鬃喧：= ：= = ：3 z 图2 ：8 邀戥囝理盛虹间：二：= ：= ：= ：= ：= ：s 国! ：! 形盛微邀囝仝錾：= ：= ：二：= ：3 2 南京邮电学院砸l 研究生毕业论文 图表 图2 ：! q 微微圈卫丛茔盛尘数：= ：= ：= ：= ：= ：= ：塑 国2 ：! l 垂仝苴点的鱼鱼尘数：= ：= ：= ：= ：盟 图2 12 量题登径拯匿：二二二二二：二：二二二二：二：二：二：二二二：二二：二：二二二：二二二二：二：二二二二二二：二：墨! 圈2 ：1 3 查坷过捏弛曼! 立 撞扭剑：= ：= = = ：= ：兰2 图2 ：! 丘自邀戥豳曲监由显盛二二：= ：2 图3 ：! 堇五趣猩敛壅迥数据鱼= ：= ：二：二：盟 国31 2 立：屋查盗数量鱼二：= ：= ：= 二二二：二：二：二：= ：二二二：二= ：二：笪 图3 ：3 奎论塞鳆鱼坷盟噬：二二：二二二：二：二：二：二：二二二二二二二二：二：二：二二二二：二：二二：二二二堑 国3 堕狃让吐遮鱼蕉塑4 盟一! ：= ：二：4 1 图3 ：堕扭让吐丝餐蕉理a 曼2 ：= 二二：二：= ：二：二：8 圈3 ：随扭让吐查迩：二= ：= ：= ：型 圈：2 苴直丝王查迥搓式曲蚀岱盟：二二二：二二二二：二：二：q 图3 ：8 查趔睑段邀微幽置僮篮息：二：= ：二：二二二二二：二：5 1 圈3 ：2 董壶处王查逊妇揩攥式的伪岱盟：二：= ：= ：二：2 图3 ：! q 遗亟垫丝邀圆丝迨：= ：二：= ：二：= ：= ：塾 图：! ! 丛堇虑盆塑险堕曲蚀岱盟： 图! 1 2 毯益盆匿盟隧捡也二二二二二：二二：二二：二：二：二二二二二：二二二：二：二：二二二二= 二：二二二：二二二：二：二二二：堑 图3 ：1 3 丝邀圆查迦睑照缝堡蕉现丑能的壑茔直：二：= ：二：5 图3 ：1 4 圭茔壶筵迥睑丝的伪岱型：二：二：二：二：5 图2 ：! 援堇。点延邀狴团间鲍翅逸( 扭剑! ) ：二：二：2 图! ：! i 援苴直查邀邀圆间的切逸( 扭剑! ) ：二：二：二：二：二：! 图3 ! z 捶堇直熊迥险段伪岱堡二二二二：二二：二二二二二二二二二二二二二二二二二：二二二二二二二：二二二二二：二：二二：二二二二5 8 圈：! q n 垦! 蛙攥蓝曲功能：二：二：二：二：! 图g ：3 堇互遮昼堇直丛态越整图：二：二：二二：二：= ：! 圈! ：! 筮盟置丝挺然奎挂整图= 二：二：= ：二二二：= ：二：二：! 图! 5 毯噬狃堂程丛盔挂整图二：二二：二：二：二：= ：2 图：蕉剑器鞋程丛盎撞整国：= ：= ：= ：二：鳗 崮：! 苴点丛熬：= ：= ：= ：= = ：= ：二：= ：= ：= ：= ：盟 图：2 蕉丝的型盟盛：= ：= ：二：= ：= ： 国：3 盘虿3 q 尘壁夏遮圣鲤堇丕敛盟圆拓赴：= ：二二：二：二：= ：二= ：二二二二二二鲤 图5 ! 金虿q 仝照夏遮圣的照噩越射匾拓盐：二：二：鳗 图5 ：5 显盛微邀幽全麴：= ：二：= ：= ：z 围! ：徵邀圆生的：笪盛尘塑：= ：= ：二：= ：二：鳗 南京邮电学院硕士研究生毕业论文酗表 图! ! 廛用左塞途让：= ：= ：= ：= ：= ：二：= ：= ：2 壁 南京邮电学院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泞和致谢的 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 含为获得南京邮电学院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己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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。本人电子文档的内容和纸质沦文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许沦文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊卺) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名曰期 南京邮电学院碗t ：研究生毕业论文 第一章蓝牙技术概要 1 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术概要 1 1 蓝牙技术背景 蓝牙标准的开发始于1 9 9 8 年。e r i c s s o n ，i b m ，i n t e l ，n o k i a 和s o n y 公司共同成立了 蓝牙特殊兴趣小组( s i g ) ，其目的是为了开发和促进全球范围内在2 4 g h zi s m ( 工业、 医疗和科学) 频段的低成本、短距离无线通信的解决方案。 蓝牙技术的目标最初是为了为个人计算装置建立统一的连接机制，也就是实现无线连 接。 到目前为止，s i g 成员大约有4 0 0 0 多个。蓝牙技术以芯片模块为节点，无需建立基站， 就能够构成设备“对”，取代传统的线缆连接。蓝牙网络模型基于邻近组网的原则，是对 等( p e e rt op e e r ) 通信的一种。两个彼此靠近到一定程度的设备，可以自发地建立通信链 接。标准的o d b m 蓝牙无线设备的正常通信范围是l o m ，带有功放的蓝牙无线设备可以达 到1 0 0 m 左右。 图1 1 描述了b l u e t o o t h 协议在整个8 0 2 协议体系中所处的位置，由原来的b l u e t o o t h 工作组发展到后来的8 0 2 1 5 1 工作组。 i e e el a n m a n 标准委员会 t g l b l t i e t o o t h 【作组 t g l 8 0 2 1 5l 工作组 t g 2 8 0 2 1 52 工作组 8 0 2l i 光线局域叫 1 作组 t g 3 8 0 21 53 t 作组 8 0 21 5 无线个人局域嘲( w p a n ) 工作组 t g 3 a 1 1 0 m b p s 多媒体传输 t g 4 8 0 21 54 r 作组 图1 1b l u e t o o t h 在协议体系中所处的位置 其中，i e e e8 0 2 1 5 1 标准是由i e e e 与蓝牙s i g 合作共同完成的。源于蓝牙v 1 1 版的 塑室业生兰堕婴主婴! ! 生望些堡塞兰二里堕至垫查塑兰 i e e e8 0 2 1 5 1 标准已经由i e e e s a 的标准部门于2 0 0 2 年4 月1 5 日批准成为一个正式标准， 它可以同蓝牙v 1 1 完全兼容。i e e e8 0 2 1 5 1 是用于无线个人网络( w p a n ) 的无线媒体 接入控制( m a c ) 和物理层( p h y ) 规范。标准的目标在于在个人操作空间( p o s ) 内进 行无线通信。对应于i s oo s i 参考模型的物理层和数据链路层，它确定了蓝牙无线技术的 底层传输层( l 2 c a p ，l m p ，基带和无线接口) ，为便携个人设备在短距离内提供一种简 单、低功耗的无线连接，支持设备之间或在个人操作空问中的互操作性。支持的设备包括： p c ，打印机，数码相机，扬声器，p d a ，耳机，手机，传感器，显示器等等。 对于i e e e8 0 2 1 l 来说，蓝牙的出现不是为了竞争而是相互补充。蓝牙比i e e e8 0 2 1 l 更具移动性。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务建立 一个连接。蓝牙技术中的跳频更快，在接收或发送一个分组数据后，即跳至另一个频率序 列，因而更加稳定，同时它还具有低功耗、低成本和灵活安全等特点。蓝牙技术所采用的 前向纠错技术减少了较长距离链路的无序噪声影响，经过优化的编码方式可以侵蓝牙技术 应用于各种恶劣的无线环境。 图1 2 描述了b l u e t o o t h 同其他无线通信标准在速率和通信范围上的比较，从图中可以 看出，b l u e t o o t h 是低成本、适合跨平台使用的中低速协议。 图1 2b l u e t o o t h 与其他标准的比较 1 2 蓝牙技术应用的r o a d m a p 尽管开发蓝牙技术的初衷是用于取代移动或固定电子设备之间的连接电缆，但蓝牙所 堕塞塑生堂堕婴! 型! ! 生兰些堕兰兰二主堕互垫查壁茎 特有的技术优势，如功耗低、体积小、良好的抗干扰能力，使其应用范围大大扩展。 位于美国k a n s a so v e r l a n d 公园的蓝牙s i g 发布了2 0 0 6 年蓝牙技术的r o a d m a p ，其中 还推出了新的减少电源消耗和多任务功能的技术说明。 目前蓝牙技术得到了广泛的应用，主要得益于在手机上的应用，如一边开车一边打电 话是违法行为，而蓝牙技术却实现了手机和耳机之间的无线连接。 随着未来技术的发展，蓝牙技术也被构建为希望能够实现宽带传输功能。应用于流媒 体和多角色游戏等应用，在消费类电子产品中继续尽其所能。 蓝牙创新型的应用及潜在的应用有： ( 1 ) 儿章监护跟踪设备 在人群密集和流动性大的公共场合，经常可能发生儿章迷路或走失的情况。基于蓝牙 技术的儿章监护跟踪设备，可以有效的避免这些情况的发生。在公共场合父母或学校的 老师佩戴一个主蓝牙标签，给儿章配戴一个从标签，就可以随时了解孩子的位置。当儿童 离丌父母超过预先设置的距离时，蓝牙主标签会发出一个警告给父母，并且可以定位从标 签的位置。 ( 2 ) 移动支付( 无线电子钱包) 蓝牙技术也可以应用到移动电子商务中，消费者可以采用本地移动支付，其特点是服 务在附近，采用短距离通信技术，如蓝牙、红外线等来为短距离范围内的商品或服务支付， 其中蓝牙由于其较大的传输距离和无阻隔的性能可行性较大。移动支付的应用场合可以扩 展到售票付费的场所，如铁路售票、电影院售票、停车收费、过路收费、加油站收费等。 ( 3 ) 蓝牙技术与a f th o e 的结合 很多需要通信的场合往往是随机和暂时的，并非需要专门的网络基础设施。不利用专 门的网络基础设施，意味着不用交费给相应的服务提供商。推广规模扩大之后，应用前景 相当广阔。并且在这些场合中，用户持有的通信设备往往型号和系统并非统一，通信过程 也带有无目的性和随机性。 掐直二星堕金扬：在一个大型的招商会场，与会者众多，交流和会晤带有随机性，并 且在短短的时问内，与会者尽可能的收集有用的信息，却不能保证不遗漏极好的商机。考 虑到用户携带的手机或p d a 型号不同，操作系统各异，采用蓝牙技术，可以帮助用户进 行设备发现，利用设备中预存的交互信息，和其他满足条件的蓝牙设备进行信息交换、存 储，从而在短暂的移动环境中主动有效的捕捉到有用的信息。 扭扬! 篮奎盍厘：候机时，不用联网进行游戏对战，丌启蓝牙设备，服务自动发现大 厅内开启了同样应用的设备，进行多角色游戏，并且用户随意在大厅内走动，只要不超出 南京邮i u 学院颤i 研究生毕业论文第一章蓝牙技术概要 蓝牙协议规定的相对较长的通信距离，其应用都被支持。乘车时问到达时，关闭蓝牙设备， 结束游戏，这一服务是免费和随机的。 办公室金这室：项目组或者部门开会，会议主持人或者会议资料所有人不用将资料打 印分发，参加会议的人员不用同时接入网络接口下载相关p p t 和资料，利用手机、p d a 、 笔记本电脑上的蓝牙网卡，直接点对点或点对多点传输到本机阅览，传输时参加会议的人 员可以在会议室罩移动，也没有电线电缆的限制。 墅生 值堡丝区：救灾抢险，开发尚不完全的偏僻地区以及野外，需要一群多个人交互 移动通信时，通信基础设施的缺乏和蓝牙较长距离、低功耗的传输和设备发现的技术特点 可以帮助顺利完成任务。 潜在鲍圭翅厶壁：“熟悉的陌生人”，是心理学家s t a n l e ym i l g r a m 在1 9 7 2 年的论文里 首先提出，这是一种现代社会的社会现象。熟悉的陌生人是那些我们反复观察过，但是从 来没有交流过的人，这种关系就变成彼此相识，已经默认将对方忽略掉了却不是因为有敌 意的关系。个例子就是：每天早上上班时在车站都会遇见某个人，如果哪天这个人没有 出现在车站，你就会有所注意。 i n t e l 实验室利用这一研究结论，进行了一个名为j a b b e r w o c k y 项目的研发，j a b b e r w o c k y 软件运行在应用蓝牙技术并且能够运行m i d p 2 0 ( m o b i l ei n f o r m a t i o nd e v i c ep r o f i l e ) 应用 程序的手机上，采用广泛普及的蓝牙技术，在城市中捕捉人群中的每个用户的唯一的，相 互性的片刻，如图1 3 所示，j a b b e r w o c k y 软件可以帮助寻找生活中的陌生人。 囊豢丹，羹 麓点藉生a 量基冁生 擅量 当蘩再生 羟过嗍生 羹歪的匿生a 辆龋生a 薹粪辽】 黝i ；位 图1 3j a b b e r w o c k y 寻找陌生人 两个陌生人相互接近时，他们的手机如果部安装了j a b b e r w o c k y 软件，则在毫无察觉 的情况下检测并记录对方唯一的j a b b e r w o c k y 识别号。并且，该软件的另一个好处是，就 算对方没有安装或者运行j a b b e r w o c k y 软件，它也会纪录对方手机的标识。通过几次之后， j a b b e r w o c k y 就积累了一个曾经遇到人的记录日志。以后就能感应到周围的人群中实时出 4 堕皇堂生兰堕堡：! ：旦塞生兰些堡兰 苎二要堕至垫查壁呈 现的那些曾遇见的人。它提供了一个对于组或人群的接口，从而避免了隐私和安全问题。 这个软件如果得到应用，会为我们的生活带来前所未有的新体验，给信息时代带来更多的 未知故事。 为了实现这些创新和潜在应用，s i g 小组2 0 0 6 年前的r o a d m a p 分为三个步骤： 2 0 0 4 年：实现现在的蓝牙版本2 ，0 + e d r ( e n h a n c e dd a t ar a t e ) ，传输速率从1 m b p s 增 加到3 m b p s ，并减少能耗： 2 0 0 5 年：主要解决安全和隐私保护问题及多个设备同时传输信息和能耗问题： 2 0 0 6 年：将实现一条信息同时向多个设备的传输，比如一台c d 播放器可以向多个设 备传输，另一个目标是把蓝牙传输距离扩大到1 0 0 米。 b l u e t o o t h 芯片的成本比较低( 5 美元以下) ，并且功耗较低。z i g b e e 技术虽然功耗极低， 可是一般用于传感器技术，而不是数据传输，如图1 4 ，几种协议的通信速率和供电时间 比较，b l u e t o o t h 待机时间较长，且可用于数据传输。 电 池 寿 命 1 3 蓝牙设备 数据速率( b p s ) 1 0 m l o o m 图1 4 几种协议的通信速率和供电时间比较 图1 5 显示了蓝牙按照实际的设备组成，分为蓝牙模块( b l u e t o o t h m o d u l e ) 和蓝牙主 机( b l u e t o o t hh o s t ) 两个部分。 南京邮i u 学院颂j ：研究生毕业论文 第一章蓝牙技术概要 图1 5 蓝牙设备的组成 蓝牙规范由两部分组成：核心规范( c o r es p e c i f i c a t i o n ，卷i ) 和议子集规范( p r o f i l e s p e c i f i c a t i o n ，卷i i ) 。卷i 定义了蓝牙协议栈中各层的功能协议，卷i i 由若干协议子集构 成，每个协议子集描述了如何利用蓝牙协议栈中定义的协议具体实现一个特定的应用，以 及该协议子集所需要的有关协议的使用和配置。 蓝牙协议栈与i s o 制定的o s i7 层模型在某些地方有所不同，这些差别首先体现在蓝 牙协议栈支持参与节点之间的a dh o c 互连性，并且对资源缺乏的设备进行功率保持和自适 应调整，以支持典型网络协议栈的所有层。蓝牙协议栈采用事件驱动的多任务运行方式， 它本身作为一个独立的任务运行，由操作系统协调它和应用程序之间的关系。协议栈的内 部则根据协议层次按模块来设计和编程，为上一层提供应用程序接口( a p i ，a p p l i c a t i o n p r o g r a mi n t e r f a c e ) 服务，并调用下层的a p i 来完成本层的任务。 南京邮屯学院硕j 一研究生毕业论文第一章蓝牙技术概要 中间件协议 传输协议 f 应用f 集 卜：f 一 r 其他l r f c o m m 卜 t c ss d p i li j l 2 c a p j f ：h e l 黟 i 。w v 基带 无线层 h c i ：主机控制其接口ap ：音频路径cp ：控制路径 图1 6 蓝牙协议栈 图1 6 显示蓝牙协议栈按照逻辑层次关系，可以分为两大部分： 第一部分为传输协议部分，包括无线层、基带层、l m 层和l 2 c a p 层等。第二部分为 中间件协议部分，包括s d p 、t c s 、r f c o m m 和其他高层应用协议等。 1 传输协议部分 无线层主要负责频率的合成、比特到符号的转换和过滤，以及符号的收发等操作。蓝 牙设备工作在2 4 g h z 频段，即i s m 频段。这个频段是无需许可频段，即自由频段。 蓝牙无线层采用快速跳频扩频( f h s s ) 技术，1 6 0 0 跳秒。在7 9 个1 m h z 的信道中按 伪随机序列方式跳频。图1 7 显示了蓝牙在7 9 个信道中随机选择跳频的方式。 南京邮【乜学院硕j ：研究生毕业论文第一章蓝牙技术概要 频率( 序号) 7 8 7 7 0 l 2 一 时同( t ) 图1 7 蓝牙跳频示意图 基带层定义了蓝牙设备互相通信的主要过程，包括编解码、跳频的生成和选择，形成 微微网的技术问题。 链路管理层负责两个或多个设备链路的建立、拆除及链路的安全和控制，包括设备认 证、链路硬件配置、加密、控制和协商基带分组的大小。l m 能够发现其他蓝牙设备的l m ， 通过链路管理协议( l m p ) 建立通信联系。它还为上层软件模块提供了不同的访问入口， 控制无线设备的工作周期和q o s ，或者命令蓝牙设备进入低功率模式。 l 2 c a p 层是蓝牙协议栈的核心组成部分。位于基带层之上，为高层协议屏蔽了下层传 输协议的细节，向上层提供面向连接和无连接的数据服务，高层协议不必了解无线层和基 带层的频率跳变和蓝牙空中接口上传输方的分组个数。主要完成数据的拆装、q o s 控制、 协议的多路复用、分组的拆分和重组( s e g m e n t a t i o na n d r e a s s e m b l y ) 、分组提取等。 2 中阃件协议部分 服务发现协议( s d p ) 是一种基于客户机服务器结构的协议，它工作在l 2 c a p 层之上，为上层应用程序提供一种机制来发现其他蓝牙设备中提供的可用服务及其属性。 r f c o m m 协议是符合e t s i 标准的t s0 7 1 0 串口仿真协议，提供了基于l 2 c a p 协议 层之上的虚拟串口。在基带上仿真r s 一2 3 2 的控制和数据信号，实现对利用串行线接口的 应用软件的支持。蓝牙通过r f c o m m 可以实现对p p p 、t c p i p 和w a p 等高层协议的支 持。 电话控制协议( t c s ) 定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令，负 r 堕塞堕! ! 兰堕堕! ：堕塑兰兰些堡兰翌= 童堕垄垫查堕兰 责处理蓝牙t c s 设备组的移动管理进程。 其他协议包括各个应用模型的协议子集、与蓝牙技术规范兼容的现有应用协议( p p p 、 t c p i p 、v c a r d v c a l 和w a p 等) ，以及未来可能出现的针对蓝牙开发的新的应用软件等。 1 4 蓝牙工作原理 蓝牙技术是由蓝牙特殊兴趣小组开发和推动的，作为短距无线通信操作，运行在无需 许可的2 4 g h z1 s m ( 工业、科学，医学) 频带。蓝牙采用了跳频( 1 6 0 0 跳秒) 码分复用 接入技术。规程中定义了一个包含7 9 个1 m h z 载波的集合，频带为( 2 ，4 0 2 + k ) m h z ，k = 0 ， l ，7 8 。每个蓝牙设备唯一的设备地址生成一个伪随机跳频序列，每个跳频上的驻留时 间为6 2 5 微秒。 蓝牙技术是面向连接的无线通信技术，要求通信双方事先设置信道。这是由微微网形 成来完成的。通常，通信发起方把自己称为主节点，建立一个微微网，微微网的伪随机跳 频序列由主节点的设备地址决定。这个阶段的跳频定时由主节点自身的时钟决定。主节点 必须发现其邻节点，邀请它们加入微微网。加入的邻节点成为微微网的从节点，遵从主节 点的跳频序列和定时。建立微微网，即在蓝牙设备之间建立点对点链路，是由两个步骤组 成的。 1 查询过程 查询过程用来发现存在的邻节点，搜集它们的信息。在查询阶段，主节点设备在不同 的跳频信道上探查，并且侦听可能的响应数据包。查询跳频序列的3 2 个频率被分成两列， 称为a 列和b 列，每列1 6 个频率。每个单列须被重复2 5 6 次，然后再使用一个新列。主 节点的邻节点周期对查询信道进行扫描。查询扫描窗口应该比一个单列的时间( 1 6 个时隙) 稍长。所以，如果主节点先从a 列开始，一个邻节点的扫描频率恰好落在a 列，则它可以 在一个查询扫描窗口内“抓住”主节点，但是，如果邻节点的扫描频率是在b 列中，则它必 须等待a 列结束，b 列开始。当邻节点扫描到主节点的查询信号时，它进行随机退避，避 免几个邻节点同时响应造成冲突。根据蓝牙规程，主节点设备至少需要在a 、b 列之间切 换三次，也就是必须停留在查询状态中至少l o 2 4 秒，以便搜集到所有可能的响应。 2 寻呼过程 有了邻节点的地址和时钟信息，主节点可以通过寻呼过程与想要的邻节点通信，这个 查询过程十分类似。因为寻呼的跳频序列是由被寻呼蓝牙设备的设备地址和时钟决定的， 这些信息在查询阶段已经由设备发送给了主节点，主节点就可以估计这时邻节点的扫描频 南京邮l 学院硕： 研究生毕业论文 第一章蓝牙技术概要 率。这使得邻节点可以在一个寻呼扫描窗口( 寻呼扫描问隔：1 2 8 秒) 里侦听到主节点， 减少寻呼时延。 由于蓝牙微微网使用不同的跳频码分复用接入信道，使不同的微微网之间的通信得以 同时进行。蓝牙规程允许一个设备通过时分复用同时加入两个或两个以上微微网。多微微 网的蓝牙设备作为桥节点连接互相之间孤立的微微网，把蓝牙网络从单个的微微网结构扩 展成为复杂的多跳a dh o c 网络散射网。 在微微网内部，媒质接入由主节点的轮询机制控制。使用时分双工模式实现了主- 从节 点对的全双工通信。多微微网设备必须遵从每一个微微网中的轮询机制。 1 4 1 蓝牙的组网形式 蓝牙系统提供了点对点或者点对多点的连接。在点对点连接中，物理信道由两个蓝牙 设备共享。 在点对多点连接中，物理信道由几个蓝牙设备共享。 两个或两个以上共享同一个物理信道的设备构成个微微网( p i c o n e t ) 。微微网中， 一个蓝牙设备充当主节点( m a s t e r ) ，其他设备充当从节点( s l a v e ) 。一个微微网中最多 可以有7 个活动的从节点。另外，更多处于休眠状态的从节点可以同时存在于微微网中。 这些休眠的从节点在信道上不活动，但是保持与主节点的同步，不用连接建立过程就 可以变成活动状态。无论是活动节点还是休眠节点，信道访问都是由主节点控制的。 有共享蓝牙设备的微微网被称为散列网( s c a t t e m e t ) 。每一个微微网罩只有一个主节 点，然而，从节点可以通过时分复用，加入到不同的微微网中，另外，一个微微网中的主 节点可以同时成为其他微微网中的从节点。不同的微微网在频率上是不同步的，每个微微 网有自己的跳频序列。 南京邮电学院硕 ：研究生毕业论文第一章蓝牙技术概要 。主节点 。从节点a 单从节点微微网b 多从节点微微网c 散列网 图1 8 蓝牙微微网和散射网 图1 8 显示了蓝牙的多种组网形式，含有单从节点的微微网，多从节点的微微网，以 及由多个微微网组成的蓝牙散列网。值得注意的是，主设备和从设备的概念不能扩展到链 路管理层( l m p ) 之上的更高层。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，不存在主设备和从设备这种行为l 二的差别。 1 4 2 蓝牙数据分组 蓝牙数据按照根据分组的作用，可以分为用户数据分组和链路控制分组( 普通分组) 。 链路控制分组又分为i d 分组、n u l l 分组、p o l l 分组和f s 分组。 根据分组的长度，可以分为单时隙分组和多时隙分组( 可以占用3 个时隙或者5 个时 隙) 。每个时隙的长度均为6 2 5 p s 。 图1 9 显示了蓝牙基带规范中定义的分组的般格式，每个分组由访问码( a c c e s s c o d d ) 、分组头( p a c k e th e a d e r ) 和净荷( p a y l o a d ) 组成。 访问码 分组头净荷 ( 7 2 b i t 或6 8 b l t ) ( 5 4 b i t )( 0 “2 7 4 5 b i t ) j |? 叠t a | t i 一：罄、j 警，菇。j 簧i 。纛 i - - 誊i 图1 9 基带分组的一般格式 分组的3 个组成部分并非必须全部包括。一个分组可以只包括访问码( 如i d 分组) 1 l 一 堕塑塑鱼堂堕堕主堡塑兰望些丝塞 蔓二里堇堑垫查塑茎 或者只包括访问码和分组头( 如n u l l 和p o l l 分组) ，或者包括全部三个部分。如果有 分组头数据域，则访问码的长度为7 2 b i t ，否则访问码的长度就为6 8 b i t 。 访问码具有伪随机特性，根据蓝牙设备的工作模式不同，可以用于不同功能。可以作 为信道访问码( c a c ，c h a n n e la c c e s sc o d e ) ，标识一个微微网；可以作为设备访问码( d a c ， d e v i c ea c c e s sc o d e ) ，用于特殊的信令过程寻呼( p a g i n g ) 和寻呼响应；可以作为查 询访问码( i a c ，i n q u i r y a c c e s s c o d e ) ，查询发现通信范围内的蓝牙设备。 1 4 3 蓝牙设备时钟 每一个蓝牙设备都应该有一个自运转系统时钟产生的初始时钟。蓝牙设备通过在初始 时钟上加上时钟偏移来达到互相之间的同步。值得注意的是，蓝牙时钟和某一个具体时刻 并没有关系，因此它可能初始化为任意值。时钟的周期大概为一天( 2 4 小时) 。 如果时钟由计数器实现，其周期为2 2 8 - l 。最低有效位( l s b ) 每3 1 2 5 9 s ( 半个