第4章_无线个域网.ppt

第4章无线个域网,内容提要,概述IEEE802.15标准蓝牙技术简介蓝牙无线电规范蓝牙基带规范蓝牙链路管理器规范蓝牙逻辑链路控制和自适应协议蓝牙服务发现协议,4.1概述,无线个人区域网(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN，简称无线个域网)技术就是一种满足上述应用需求的小范围无线连接、微小网自主组网的通信技术。,无线个域网技术,当前发展最迅速的领域之一：蓝牙(BlueTooth)IrDA：红外数据组织提供的红外连接技术HomeRF：美国家用射员会提供的语音和数据传送技术，工作频段为2.4GHz,UWB：超宽带，不用载波，而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信。这种通信方式占用带宽非常之宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势,Zigbee：新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，最大的特点就是低功耗、可组网，特别是带有路由的可组网功能，理论上可以使ZigBee覆盖的通讯面积无限扩展。在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。,4.2IEEE802.15标准,IEEE802.15工作组是IEEE针对无线个人区域网(WPAN)而成立的，开发有关短距离范围的WPAN标准。,4.2.1标准构成,802.15.1是以既有蓝牙标准为基础，制定蓝牙无线通信规范的一个正式标准。802.15.2工作组目的是要802.11和802.15开发共存的推荐规范。802.15.3工作组的兴趣在开发对比于802.11设备是低成本和低功耗的设备的标准上。（UWB）802.15.3a的目标是要在使用同样的MAC层上提供比802.15.3更高的数据率802.15.4工作组则开发了一个非常低成本、非常低功耗的比802.15.1数据率要低的设备标准。（Zigbee）,IEEE802.15协议体系结构,三个WPAN标准都有不同的物理层和MAC层规范,WLAN与WPAN,WPAN考虑的是短距离传输，因此功耗和成本较低,4.3蓝牙技术简介,是IEEE802.15.1的基础，源于1994年爱立信公司的一项研究，旨在在移动电话及其附件之间探求一种新的低功耗、低成本的空中接口。1998年5月，Nokia、Inter、IBM、Toshiba联合成立蓝牙特殊利益集团(SIG)1999年7月SIG公布了蓝牙规范1.0版1999年12月公布了蓝牙规范1.0b版2001年4月公布了1.1版2003年11月公布了1.2版本2004年8月公布了2.0版本,4.3.1蓝牙技术的诞生与发展,为什么叫蓝牙？,蓝牙是什么？,蓝牙技术优点,(1)即插即用，可以随时随地地用无线接口代替有线电缆连接；(2)具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，如WAP、GSM(全球移动通信系统)、DECT(欧规数字无绳通信)等，引入身份识别后可以灵活地实现漫游；(3)低功耗，对人体伤害小；(4)蓝牙集成电路简单，成本低廉，实现容易，易于推广。,工作在2.4G频段为防止该频段的干扰，蓝牙设计了快速确认和调频方案，使系统更加稳定。支持点对点和点对多点通信，其基本网络结构是匹克网picnet或微微网，由主设备和从设备构成。主设备提供时钟同步信号和调频序列，从设备是受控同步的设备。一个匹克网中有一个主设备和多个从设备。,4.3.3蓝牙标准文档构成,核心规范(corespecifications):描述了从无线电接口到链路控制的不同层次蓝牙协议体系结构的细节。（互操作性、检验、计时器等）概要规范(profilespecifications):使蓝牙技术支持不同的应用模型。概要规范的目的是定义户操作性的标准，一般分为两类：电缆替代（临近设备的逻辑连接和数据交换）、无线音频（短途语音连接）,4.3.4蓝牙协议体系结构,核心协议(coreprotocol)形成五层栈,(1)无线电(radio)：确定包括频率、跳频的使用、调制模式和传输功率在内的空中接口细节。(2)基带(baseband)：考虑一个微微网中的连接建立、寻址、分组格式、计时和功率控制。(3)链路管理器协议(linkmanagerprotocol，LMP)：负责在蓝牙设备和正在运行的链路管理之间建立链路。这包括诸如认证、加密及基带分组大小的控制和协商等安全因素。(4)逻辑链路控制和自适应协议(logicallinkcontrolandadaptationprotocol，L2CAP)：使高层协议适应基带层。L2CAP提供无连接和面向连接服务。(5)服务发现协议(servicediscoveryprotocol，SDP)：询问设备信息、服务与服务特征，使得在两个或多个蓝牙设备间建立连接成为可能。,RFCOMM：蓝牙中的电缆替代协议，使用虚拟串行端口，并效仿EIA-232控制信号（被广泛使用的串行端口标准），提供数据传输。TCS-BIN：蓝牙中的电话控制协议，为语音呼叫和数据呼叫定义呼叫控制信令接纳协议：由其他组织定义，被接纳进蓝牙标准,4.3.5应用模型,大量应用模型定义在蓝牙的概要规范文档中。本质上，一个应用模型是一套实施特定的基于蓝牙的应用的协议。每个概要文件定义了支持一特定应用模型的协议和协议特性。,文件传输,拨号联网,LAN接入,同步,无绳电话或内部通信,耳机,4.3.6蓝牙应用,连接计算机和其他设备,支持自组织网络,充当访问Internet的接入点,构建居家环境,事例,运动中的连接,4.3.7微微网和散布式网络,蓝牙中的基本联网单元是一个微微网，它由一台主设备和17台活跃的从设备组成。蓝牙使用载波间隔1M的跳频模式，80M总带宽可提供80个不同频率。逻辑信道由跳频序列定义一个微微网中的设备也可作为另一个微微网的一部分存在，并在每个微微网中，起从设备或主设备功能,这种形式的重叠被称为散布式网络(scatternet)。一个区域内的微微网数量增加，会引起跳频冲突，性能随之下降。,主/从关系,无线网络的配置,4.4蓝牙无线电规范,国际上蓝牙的频率分配,蓝牙利用波段中的2.4GHz波段。在大多数国家，此带宽足以定义79个1MHz的物理信道,无线电规范给出类基于输出功率的发射器定义:类：最大范围的输出为100mW(+20dBm)，最小为1mW(0dBm)在该类发射器中，功率控制是强制的，范围为4dBm20dBm此模式提供最大距离类：最大输出为24mW(+13.8dBm)，最小为0.25mW(-6dBm)。功率控制是可选的类：最小功率名义上的输出为1mW.,发射器定义,4.5蓝牙基带规范,跳频物理链路分组纠错逻辑信道信道控制蓝牙音频,4.5.1跳频,目的：(1)它阻碍干扰和多路效应。(2)它为放置在不同微微网中的设备提供多种接入的形式。总带宽被分为79(几乎所有国家)个物理信道，每个信道的带宽为1MHz。在一个伪随机序列中，通过从一个物理信道跳到另一个物理信道，出现了跳频(frequencyhopping)。,跳跃序列由微微网中的所有设备共享，称为一个FH信道。跳跃频率为1600跳/秒，每条信道的被占时间0.625ms，称为一个时隙。FH序列由微微网中的主设备决定。相同的物理信道，会导致冲突。,4.5.2物理链路,面向同步连接(synchronousconnectionoriented，SCO)：在涉及主设备和一个单独从设备的点对点连接间分配固定的带宽。在规则的间隔中，主设备通过使用预留的时隙维持SCO链路。预留的基本单位是两个连续的时隙(每个在各自的传输方向上)。主设备能支持的并行SCO链路高达3个，而从设备能支持2或3个SCO链路。SCO分组不重传。SCO用于保证速率但不要求保证传送的数据。异步无连接(asynchronousconnectionless，ACL)：主设备与微微网中所有从设备间的一条点对多点的链路。在未预留给SCO链路的时隙中，主设备能与任一以单时隙为基础的从设备交换分组，包括已在SCO链路上的从设备。只有单独的ACL链路可以存在。大多数ACL分组使用分组重传。,4.5.3分组,所有蓝牙分组由3个字段组成：接入码、首部、负荷,接入码：用于计时同步、偏移量补偿、寻呼和询问信道接入码：标志一个微微网设备接入码：用于寻呼及其接下来的响应询问接入码：用于询问首部：6个域地址（AM_ADDR）：从设备地址类型：4种控制分组，4种SCO链路分组（64k/s的语音数据），6种ACL链路分组（错误保护、用户数据）。还有一种仅由接入码组成的分组：ID分组，用于查询和接入过程,流：为ACL通信提供1位流控制机制，流=0，停止ACL，流=1，重新开始传输ARQN：为由CRC保护的ACL通信提供确认，如果接收成功，返回ACK，否则返回NAK，重传SEQN：1位计数模式，0或1，用于标记已传送的分组首部差错控制：8位检错码，用于首部保护,负载格式：语音负载：无首部ACL和SCODV数据部分，有首部。数据负载3个域：负载首部：单时隙，8位；多时隙，16位负载主体：用户信息CRC：除了AUX1，都有16位校验码首部由3个域组成：L-CH：标识LMP或L2CAP逻辑信道流：控制L2CAP层控制流的开/关长度：负载字节数，不包括负载首部和CRC,4.5.4纠错,蓝牙在基带层使用三种纠错模式：(1)l/3比例的FEC(forwarderrorcorrection，前向纠错)。采用3份副本的多数逻辑(2)2/3比例的FEC。能纠正所有单个错误(3)ARQ(automaticrepeatrequest，自动重发请求)。,4.5.5逻辑信道,(1)链路控制(linkcontrol，LC):在所有带首部的分组中传递，用于在链路接口管理分组的通信流如ARQ、流控制和负荷特征等控制信息。(2)链路管理(linkmanager，LM)：在参与站点之间传输链路管理信息支持LMP通信，能在SCO、ACL上传送。(3)用户异步(userasynchronous，UA)：传送异步用户数据在ACL链路和SCODV分组中传送(4)用户等时(userisochronous，UI)：传送等时用户数据等时：已知周期的计时中重发数据块相同的用户数据。(5)用户同步(usersynchronous，US)：传送同步用户数据在SCO上传送,4.5.6信道控制,链路两个主要的状态：(1)维持(standy)：默认状态。这是一个低功率状态，只有一个本地时钟在工作。(2)连接(connection)：设备作为主站或从站连到微微网。,用于增加从站的7个临时子状态,(1)寻呼(page)：(2)寻呼扫描(pagescan)(3)主站响应(masterresponse)(4)从站响应(slaveresponse)(5)查询(inquiry)：查询范围内设备(6)查询扫描(inquiryscan)：设备监听查询(7)查询响应(inquiryresponse)：,查询,建立微微网的第一步：主站发起查询操作：发射带IAC（查询接入码）的ID分组在32个（总共79个）唤醒载波中轮流广播IAC从站周期扫描查询：处于维持状态的从站收到查询，进入查询响应状态，向主站发送FHS分组，进入寻呼扫描状态主站不立即响应FHS分组，直到所有从站都被发现,寻呼过程,主站扫描发现所有设备，开始建立微微网：为每台被寻呼设备建立跳频序列主站发送带DAC（从站设备接入码）的ID分组进行寻呼从站返回相同DAC作为响应主站发送FHS分组，包含设备地址和蓝牙时钟值，从站返回确认，进入连接状态，开始使用主站分配的跳频序列。主站继续寻呼，直到所有从站连接，主站进入连接,连接状态,处于连接状态从站的四个操作模式：活跃：通过监听、发送和接收分组，积极参与侦测：只监听报文特定时隙，以较低功率运行保持：不支持ACL分组，可参与SCO，进入较低功率，可参与另一个微微网置停：无需参与微微网，但仍然保留部分时隙，置停的微微网从站可多于7个,状态转换图,4.5.7蓝牙音频,基带规范规定可以使用两种语音编码模式：脉冲代码调制(pulsecodemodulation,PCM)。连续可变的斜率增量(continuouslyvariableslopedelta,CVSD)调制。注：由两个通信设备的链路管理器进行选择。,4.6蓝牙链路管理器规范,LMP：负责在蓝牙设备和正在运行的微微网间建立链路LMP管理主站与从站间的无线电链路的各个方面。协议涉及主站和从站的LMP实体间表现为LMPPDU(protocoldataunit，协议数据单元)形式的报文的交换。报文总是作为单个分组发送，该分组带有一位标识报文类型的负载首部，和一个包含与此报文相关的附加信息的负荷实体。为LMP定义的过程被分为24个功能区，其中每个都涉及一个或多个报文的交换。P112表4.6,通用响应：用于回应其他类型的PDU安全服务：认证：属于基带规范，但涉及LMPPDU交换配对：双方建立链路密钥改变链路密钥、改变当前链路密钥加密：LMP不涉及链路加密，但提供相关服务（如确定加密模式、密钥大小）时钟/同步:为不同的微微网参与者提供时钟同步机制时钟偏移量询问：计算FHS分组中主站时钟与自己的差值时隙偏移量信息：相邻微微网之间的计时差别,计时精确性询问站点功能：LMP版本信息、被支持的技术规范LMP版本被支持的特征，表4.7模式控制：提供模式的管理交换主站/从站角色询问名字拆除连接保持模式置停模式功率控制。,4.7蓝牙逻辑链路控制和自适应协议,与IEEE802规范中的逻辑链路控制(LLC)相同，L2CAP(logicallinkcontrolandadaptationprotocol，逻辑链路控制和自适应协议)在共享媒介网络的实体间提供一个链路层协议。L2CAP为流和差错控制提供大量服务，它依赖于更低层(基带层)。L2CAP使用ACL链路，它不支持SCO链路。通过ACL链路，为上层提供2个服务：无连接服务：可靠数据报格式服务连接模式服务：为用户交换数据建立逻辑连接，并提供流控制和差错控制,4.7.1L2CAP信道,三种类型的逻辑信道：(1)无连接(connectionless)：支持无连接服务。每个信道是单向的，该信道类型一般用于主站向多个从站广播。(2)面向连接(connection-oriented)：支持面向连接的服务。每个信道是双向的(全双工)。每个方向中定义一个服务质量(qualityofservice，QoS)的流规范。(3)信令(signaling)：提供L2CAP实体间信令报文的交换。,实例,L2CAP分组,无连接服务分组：长度信道标识：值为2，表示无连接信道协议/服务多路复用器（PSM）：标识高层收到分组数据信息负荷：高层用户数据面向连接的分组：无PSM域，用CID标识高层收到分组数据,信令命令分组：与面向连接分组相同格式，CID为1负荷部分由多个L2CAP命令组成，每个命令由4个域组成码，标识符，长度，数据,4.7.3信令命令,连接请求：用于建立新的逻辑连接，包含两个值PSM：此连接的用户（服务发现协议、RFCOMM、电话控制协议）CID配置请求：协商L2CAP传输参数最大传输单元（MTU）：请求的发送者所能接受的最大L2CAP分组负荷，最小46字节，默认672字节丢弃超时选项：放弃和丢弃分组之前，发送者试图传输一个L2CAP分组的时间长度服务质量：,4.7.4服务质量,L2CAP中的QoS参数定义一个基于RFC1363的通信流规范。一个流规范是一套参数，指出发送站点试图达到的性能级别。流规范的参数组成：(1)服务类型：指出通信流的服务级别0：无通信1：尽快发送，但不担保性能，适用于同步通信2：有担保的服务，必须符合QoS其余参数以下两个参数定义了QoS中的令牌桶模式(2)令牌速率(字节/秒)(3)令牌桶的大小(字节),令牌桶图解,为接收方预期的峰值和平均通信负荷提供了一个简明描述，也为发送方定义了可实现通信流策略。,在任意长的时间长度T中，数据发送量不能超过RT+B如果令牌不足，分组排队等候桶大小B成为了对允许的突发数据流的衡量度,(4)带宽峰值(字节/秒)：限定分组背靠背发送速度。如令牌桶满时，分组发送速度可能超过接收方容量，可通过带宽峰值限定。(5)等待时间(微秒)(6)时延变化(微秒)：最大时延和最小时延之间的差异，应用通过这个值判断所需的缓冲空间。,4.8蓝牙服务发现协议,在蓝牙规范提出之前，服务发现协议已经存在。在蓝牙设备的无线网络中，本地设备发现、利用远端设备所提供的服务和功能，并向其它蓝牙设备提供自身的服务，这是网络资源共享的途径，也是服务发现协议要解决的问题。服务发现协议提供了服务注册的方法和访问服务发现数据库的途径。SIG针对蓝牙网络灵活、动态的特点，开发了蓝牙专用的服务发现协议。,SDP能够提供的服务能力,SDP将为客户提供搜寻所需服务的能力。SDP允许基于服务类型搜索服务。SDP可以执行服务浏览，而不用预先知道服务特征。SDP将提供一种方法来搜索新的服务。当设备进入客户设备邻频或处于客户邻频的设备的新服务可用时，这些服务才可用SDP将提供一种机制来确定在设备离开客户设备邻频时，或者当处于客户设备邻频的设备上的新服务不可用时，设备在何时变为不可用。,客户服务器交互,服务搜索协议（SDP）为客户提供了搜索服务器服务及其属性（服务类型，所需机制，协议）的方法。SDP包括SDP服务器与SDP客户之间的通信。服务器保持一张描述服务器有关服务特征的服务记录表。每一服务记录都包含一项服务信息。客户可以通过发送SDP请求，从由SDP服务器维护的服务记录中检索信息。SDP提供服务发现机制，但不提供服务使用机制。一台蓝牙设备既可以作为一个SDP服务器，也可以同时作为一个SDP客户。,服务记录,服务可以是能提供信息、执行动作、控制资源的实质。可以以软件、硬件或