无线网络第四章无线个域网.pptx

内容提要,41概述42IEEE802.15标准43蓝牙技术简介44蓝牙无线电规范45蓝牙基带规范46蓝牙链路管理器规范47蓝牙逻辑链路控制和自适应协议48蓝牙服务发现协议,概述,当今时代，手机、PC、汽车、电视、电冰箱等设备逐渐成为人们工作和日常学习中不可缺少的消费产品。人们在享受这些产品带来的方便的过程中，也逐渐感觉单一产品的功能局限性，希望可以有一种短距离、成本低、小功耗的无线通信方式，实现不通设备的互联，提供小范围内的设备的自组网机制，并且通过一定的安全接口完成自组小网与广域大网的互联。无线个域网（WPAN:WirelessPersonalAreaNetwork）诞生。蓝牙(Bluetooth)IrDAHomeRFUWBZigbee,为什么不是802.11,802.11是个无线局域网协议，并非针对个域应用更快的协议，覆盖范围更大。而个域网传输速度要求不高，范围要求小功耗较大，个域应用需要超低功耗（心脏监视器）拓扑复杂，需要计算机终端对待成本较高（4美元）蓝牙设计被用来在不同的设备之间创建无线连接传输速度版本不同而定，最高24M（高品质语音1.411Mbps），距离10米或100米超低功耗，一粒纽扣电池可连续工作数年拓扑简单，主从模式成本极低（低于1美元）,IEEE802.15标准,1998年IEEE针对无线个人区域网(WPAN)成立IEEE802.15工作组，开发有关短距离范围的标准，具有短程、低能耗、低成本、网络规模小，适用于个人操作空间(personaloperatingspace,POS)的特点。802.15.1于2001年发布，是以既有蓝牙1.1标准为基础，制定蓝牙无线通信规范的一个正式标准，2003年发布802.15.1a对应蓝牙1.2版本，中等速率解决方案，主要用于手机、笔记本电脑、PDA等；802.15.2工作组目的是要802.11和802.15开发共存的推荐规范。,IEEE802.15标准,802.15.3/a工作组，研究高传输速率无线个人区域网络标准。物理层使用2.4G频段，如UWB技术，主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。短距传输（10米以内）高流通量（超过20Mbps）QoS能力（对应用程序提供有保障的数据率）低功耗（电池供电）低成本动态环境（设备快速接入）操作简单保密性,相机连接到打印机笔记本电脑连接投影无线高保真音响,IEEE802.15标准,802.15.4：针对低速无线个人区域网络的标准。把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，为个人或者家庭范围内不同设备的低速互连提供统一标准，如ZigBee技术。定义了2个物理层:868Mhz/915Mhz(20/40kbps)和2.4Ghz(250kbps)低功率：多个月/年的时间维持802.15.5：基于蓝牙技术实现无线Mesh网络。,IEEE802.15协议体系结构,三个标准中每一个不仅有不同的物理层规范，对MAC层也有不同的要求。,IEEE802.15协议体系结构,WPAN比WLAN传输范围小，最长大约100米（4.0），但功耗和成本更低。,蓝牙技术简介-bluetooth的历史,1994年Ericsson发起multi-communicatorlink的研究1998成立了特别兴趣小组（SIG）并更名bluetooth；创始成员：Ericsson、Agere、IBM(Lenovo)、Intel、Nokia、Motorola、Toshiba；目标：将计算、通信设备以及附加设备通过短程、低耗、低成本的无线电波连接起来发展：Lucent、3Com、Microsoft和Motorola加入SIG；现SIG成员超过14000个，大多来自计算机、通信、网络和电子消费领域；1999Bluetooth1.0发布，最高传输速为721kbps，实际测试约为24KB/S(192Kbps)左右；,蓝牙技术简介-bluetooth的历史,蓝牙WPAN工作组蓝牙是无线个人局域网的先驱。在初始阶段，IEEE并没有制定蓝牙相关的标准，经过一段快速发展时期后，蓝牙很快就有了产品兼容性的问题。2001年，IEEE决定制定行业标准来开发能够相互兼容的蓝牙芯片、网络和产品；2001年推出bluetooth1.1版本，修正了1.0版本的BUG，以及非加密高速信道的支持，市场巨大成功；,三星T628,蓝牙技术简介-bluetooth的历史,2003年，bluetooth1.2列入IEEE802.15.1a，改进了加密性能和底层跳频技术，抗干扰性和传输稳定性能进一步增强；市场情况不太理想受WiFi（802.11b）的冲击，WiFi产品的价格大幅度下降在某些应用方面抑制了蓝牙的优势。为了覆盖更多的应用和提供QoS，使其偏离了原来设计简单的目标，复杂使蓝牙变得昂贵，不再适合要求低功率、低成本的简单应用。,蓝牙技术简介-bluetooth的历史,2004年推出bluetooth2.0+EDR版本，发布了简化确认应答的机制的非跳跃窄频通道EDR传输率提升至2-3Mbps，(实际测试速度为72KB/s=576Kbps);2007年推出bluetooth2.1+EDR版本，简易安全配对、暂停与继续加密、Sniff省电;2009年推出bluetooth3.0+HS版本，集成802.11PAL最高速度可达24Mbps。是2.0速度的8倍。引入了增强电源控制，实际空闲功耗明显降低;,蓝牙技术简介-bluetooth的历史,2010年7月推出bluetooth4.0（智能蓝牙）实现了传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术的融合，传输范围可达100米，最短延迟(3毫秒启动)。低能耗标准无线通信使蓝牙设备的潜在使用空间大大的增加。可在心率监视器，血糖仪，智能手表，窗和防盗门传感器，汽车钥匙链和血压测量手环等设备上使用。2011年12月世界上第一款支持蓝牙4.0的手机IPhone4s发布。目前，全球大约80%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近100%的智能手机都已经使用了蓝牙技术。,FindMyCarSmart,FindMyCarSmart的应用，是一款让用户查换自己汽车停放位置的应用。对于大型停车场遍地的情况来说，这种应用非常流行。这款应用与之前的寻找停车位置的应用不同，支持一种USB蓝牙4.0感应适配器，与iPhone4S配对，离开车时，应用会自动记录地理位置，完全无需手动操作。而且Bluetooth4.0后台运作耗电量极小。iPhone就可以不依靠GPS也能准确快速找到自己的汽车停放位置。对于室内停车场来说，这款应用还是非常实用的。,复杂的版本，更多的选择,新的印记是为了要分辨装置间的兼容性以及标示各版本的适用传输频率。SmartReady适用于任何双模蓝牙4.0的电子产品。Smart应用在心率监控器或计步器等使用扭扣式电池并传输单一信息的装置。SmartReady的兼容性会最高，可与Smart及标准蓝牙相通。标准蓝牙则无法与Smart相通。,为什么叫“bluetooth”,Ericsson借用了统一了丹麦（958）和挪威（970）的丹麦的国王（A.D.940986）HaraldGormsen的昵称blatand“Bluetooth”2000年5月发布了蓝牙应用新图标：它取自HaraldBluetooth名字中的H和B两个蓝牙标志的来历个字母，用古北欧字母来表示，将这两者结合起来，就成为了蓝牙的logo。,Bluetooth的技术规范,蓝牙是无线技术规范：频带使用2.4Ghz频段；短程：classB低能状态最大传输距离10m（classA高能状态达到100m）；性能中等：2.1+EDR2-3Mbps，3.0后可达24Mbps；动态配置：自组联网/漫游；低能耗(2.5mW)：适用于手持应用，待机时仅有1mw；模块大小：9x9mm；支持语音和数据传输；,bluetooth的应用,可替代所有需要传输数据的家电的有线连接：使一组个人设备协同工作；充当进入Internet的桥梁构建居家网络运动中组网,个人设备协同工作和Internet的桥梁,构建居家网络环境,运动中的连接,bluetooth系统,Bluetooth拓扑结构,Piconet（微微网）：共享相同信道，8个蓝牙设备可在小型网络内通信；Scatternet（散网）：一个微微网的设备可以作为另一个微微网的一部分存在，并在微微网中起从设备或主设备的作用。,Bluetooth的微网,1个Master节点控制FH通信的同步确定所有设备使用的信道；相位同步，确定从设备的数据发送时间；Slave节点：1-7个活跃Slave节点从设备仅可与主设备通信255个非活跃Parked*不限数量的Standby*遵循master的调频算法,Bluetooth的散网,散布式网络(scatternet)：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。若某用户在一个包含手机和计算机的微网中，隔壁用户在包含手机、耳机和名片扫描器的微网中，两个微网时间或频率均不同步，每个微网都在自己的跳频信道内运行，多个微网中的任何设备通过时分复用技术可在适当时间加入。标准只定义了scatternet的概念，并没有给出构造scatternet的机制。,蓝牙标准的协议体系-文档构成,文档标准达1500页，分文核心和概要两部分：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。概要规范(profilespecifications):考虑使用蓝牙技术支持不同的应用。每个概要规范讨论在核心规范中定义的技术，以实现特定的应用模型(UsageModel)。电缆替代：为临近设备的逻辑连接和数据交换提供便利的方案；无线音频：建立短途的语音连接；自组网络：只要进入范围蓝牙设备可与另一蓝牙设备建立连接。,蓝牙协议体系结构,文档,核心协议(coreprotocol)形成五层栈,(1)无线电(radio)：确定包括载波频率设定、跳频的执行、调制模式和传输功率在内的空中接口细节。物理层(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、跳频序列控制和功率控制。MAC(3)链路管理器协议(linkmanagerprotocol，LMP)：负责链路管理。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。LLC(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。传输层(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。应用层,蓝牙协议体系结构,Core规范：描述了物理层、数据链路控制以及高层功能；Profile规范：规定了与传统/新应用相适配的协议和功能。,Bluetooth的无线电层,无线电(radio)：确定包括频率、跳频的实现、调制模式和传输功率在内的空中接口细节，特点：2.4GHz的ISM、79个信道1MHz，依据基带层指令实现跳频扩频技术1600/s；为不同的需求提供不同的收发器模式。,Bluetooth的跳频,目的：(1)阻碍干扰和多路效应；(2)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。偶然情况下发生碰撞，可结合FEC/ARQ技术纠错。,Bluetooth采用跳频扩频技术,无线电层的功率控制,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，输出功率最大100mW(+20dBm)，最小为1mW(0dBm)，该类发射器的功率控制是强制的，此模式提供达100米的最大距离；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。,Bluetooth的基带层,基带(baseband)：在无线电层的上一层。主要功能：控制跳频(FH:frequencyhopping)：跳频速率1600次/秒，跳频信道(FHchannel)时隙间隔为0.625ms；定义分组格式；介质访问控制：寻址、计时和功率控制；物理连接的建立；,基带层跳频传输,总带宽被分为79个物理信道，每个信道的带宽为1MHz。以1600次/秒的速度跳频，信道的传输以0.625ms为一个时隙；信号传输使用时分双工(TimeDivisionDuplexingTDD)方式，发送、接收占用不同的时隙，所使用频率也不同，不会产生串扰。跳频的控制由主设备产生的伪随机码决定（复杂数学计算）。同一区域内，不同的微微网主设备不同，跳频序列也不相同，设备的通信也将在不同的物理信道上，极少数情况下信道相同。(FH-CDMA),基带层中的物理连接,面向同步连接(synchronousconnectionoriented，SCO)主设备和从设备的点对点连接间分配固定的带宽；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);发送和接收速度相同。主设备能支持的并行SCO链路达3个，从设备能支持2或3个SCO链路；分组从不被重传，容错性差；主要用于音频/视频传输；,为某站定制的专用车厢，目的地车厢知道，乘客不需要知道。,基带层中的物理连接,异步无连接(asynchronousconnectionlessLink，ACL):主设备与从设备间的一条点对点、点对多的链路；在未预留给SCO链路的时隙中，主设备能与任意从设备传送无时间规律的分组；通过差错检测和重传来保证传送分组；每个S节点只有1条ACL:分别对应于1-slot、3-slot和5-slot分组;1.0版本正向最大速率：723.3Kbps(5-slot)反向最大速率：57.6Kbps;传输可以对称也可以非对称。,可按需随意乘坐车厢，目的地车厢不知道，乘客知道。,基带层中的物理连接,SCO链路主要用于交换要求保证速率，但不要求保证质量的传输，主要应用于蓝牙概要规范中的数字编码的音频数据传输，音频数据对丢失数据有交高的容忍性，通过预留特定数量的时隙保证数据的传输速率。ACL链路提供一种分组交换连接格式，传送通过检错和重传得以保证。且仅当在先前的主-从时隙中被寻址到时，才允许在主-从时隙中返回一个ACL分组（1、3、5时隙的分组）；数据以无保护或带一个2/3FEC的有保护方式发送。无保护的5时隙分组可实现最大速率。(详见书106页),基带层跳频传输,基带层中的分组,所有蓝牙的分组格式由访问码、首部和负载三部分组成：访问码：主要用于时钟同步和未知设备查询和已知设备寻呼：其中前导和尾部以1010和0101的组合用于标识同步码中1、0码元的重要性：前导码：1、0谁不重要，0101代表0不重要，1010代表1不重要；尾部：1、0谁重要，0101代表1重要，1010代表0重要；访问码中的前导码和尾部可以省去。,基带层中的分组-访问码,访问码有三种类型：信道访问码(ChannelAccessCodeCAC)：用于标识一个微微网，所有在该微微网中传送的分组都包含CAC；（广播）查询访问码(InquiryAccessCodeIAC)：IAC又分为General（GIAC）和Dedicated（DIAC）两类：GIAC对该区域内所有设备都是一样的，用于发现其它的蓝牙单元；DIAC用于根据某种特性划分特定用户群。设备访问码(DeviceAccessCodeDAC)：用于特殊的信令过程，如寻呼设备和设备响应寻呼，其地址代码来自于设备的蓝牙设备地址（BD_ADDR）；,基带层中的分组-包头,包头主要用于标识包类型以及携带的协议控制信息：共18位，加速率为1/3的FEC编码保护后共是54位；AM-ADDR：表示活跃节点的从节点的地址，全“0”地址用于广播，1-7用于标识7个节点；TYPE：区分16种不同类型的分组（详见书108页）：4种SCO,ACL链路的公共控制包；4种SCO数据包；6种ACL数据包；2种保留定义。,基带层中的分组-包头,FLOW：于ACL链路上的流量控制；如果接收端缓存满，则FLOW=0指示发端停止发送数据；如果缓存清空，则FLOW=1指示发端继续发送。ARQN：用于对上一次负载传送正确性的确认，ARQN=0时表示NAK，ARQN1时表示ACK。SEQN：在每发送一个新的分组时翻转一次；（奇偶翻牌）蓝牙采用无编号ARQ机制，SEQN对于重传是必需的，可以避免由于ACK的缺失而造成分组重复接收。分组头错误控制：用8比特的校验码以检查分组头的正确性。,基带层中的分组-有效负载,用于传输数据主体信息，分为三个部分：负载首部：音频传输没有首部，数据传输分单时隙和多时隙，单时隙首部长度为8位，多时隙首部长度为16位；L-CH:标识逻辑信道，来自于高层协议的信息；流：负载所使用的流类型，控制流还是数据流；数据长度；负载主体：包含用户信息；CRC：应用于所有数据包的16位冗余码。,L-CH,流,长度,负载主体,CRC,2,1,5,L-CH,流,长度,负载主体,CRC,2,1,9,未定义,4,Bluetooth的链路管理规范,能量控制：根据接收信号强度要求发送者调整发送能量；能力协商：交换版本号和所支持的特性；QoS协商：轮询时间、延迟、传送能力；同步：修正时钟偏差或者接受特殊的同步packet；改变状态和传输模式：M和S角色的改变；链路控制：基带信道选择，控制link活动；安全服务：认证、加密、密钥分发；,信道控制,链路的信道有两个主要的状态：(1)维持(standby)：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。存在7个临时状态：(1)查询扫描(inquiryscan)状态：设备设定为可被查找，周期监听查询；(2)查询(inquiry)状态：设备发出一个查询(查询接入码实现)，查找范围内的设备标识，准备进入寻呼状态；,信道控制,(3)查询响应(inquiryresponse)状态：一个已发布查询的设备收到查询的响应。(4)寻呼扫描(pagescan)状态：从站监听自身携带的DAC是否被寻呼；(5)寻呼(page)状态：主站发射从站的设备接入码(DAC)来发送寻呼消息激活从站，并希望与从站连接；(6)从站响应(slaveresponse)状态：从站响应主站发来的寻呼，如果连接成功建立则进入连接状态，否则返回寻呼扫描状态；(7)主站响应(masterresponse)状态：作为主站运行的设备收到从站发出的寻呼响应，设备可以进入连接状态，或同时返回寻呼状态以便回复其他从站；,查询过程,当一个设备想建立一个微微网时，开始查询过程79个无线电载波中，32个被视为唤醒载波(Wake-upcarrier)；主站依次在这32个载波上广播查询访问码（IAC）；处于维持(Standby)状态下的设备周期性的进入查询扫描状态，侦听IAC消息(GIAC,DIAC)；当设备收到查询时，返回包含其设备地址和时钟信息的查询响应分组；设备进入寻呼扫描状态；,寻呼过程,主站设备根据返回的设备地址计算特殊的跳频序列和从站设备的DACID；从站设备与主站设备时钟同步，并启动主站定义的跳频序列，进入连接状态；主站可继续寻呼其他从站，直到它以激活所有需要连接接的从站，主站进入连接状态。,查询过程和寻呼过程,查询过程：搜索可连接的从站，作为连接备选；寻呼过程：建立主站与从站的连接关系，包括：激活所有要通讯的从站；计算出跳频序列；身份验证；时钟同步。,节点状态及寻址,Bluetooth设备地址(BD_ADDR)：48位IEEEMAC地址，Standby状态使用；驻扎成员地址(PM_ADDR)：8位parked的S设备地址；可支持255个驻扎成员活跃成员地址(AM_ADDR)：3位活跃S设备地址；全“0”广播地址；,连接状态,从站进入连接状态后，处于以下4个操作模式之一：活跃(active)：通过侦听发送和接收分组，从站积极参与微微网。主站周期性的向从站发送分组以保证从站的同步，从站拥有3位活跃地址；侦测(sniff)：M和S设备定期睡眠，并在早期协商的时间间隔对链路进行侦听，属于活跃中的节能模式；保持(Hold)：不释放AMA（活跃成员地址）地址，停止ACL传输，但可交换SCO分组；置停(Park):设备仍旧是该piconet的成员，释放AMA地址但获得一个PMA（parked）地址，进入入低功率模式；,Bluetooth设备的状态,分离,Bluetooth的L2CAP层,L2CAP(logicallinkcontrolandadaptationprotocol，逻辑链路控制和自适应协议)：与链路控制层和传输层类似，提供了两个bluetooth设备之间具有一定QoS性质的逻辑服务。基于基带层ACL链路为上层协议提供面向连接和无连接的数据服务：协议的多路复用/分用；接收上层分组。分段传输：（最大64k）在接收端重组；处理服务质量；L2CAP流量控制和差错控制依赖于底层（基带层）。,Bluetooth的逻辑信道,L2CAP使用ACL链路，并不提供SCO链路的使用。通过使用基带层的ACL链路为上层提供两种服务：无连接服务：不可靠的数据报格式；连接模式服务：在两用户交换数据时，建立一条逻辑连接，提供流控制和差错控制；L2CAP基于信道(channel)的概念。位于基带(baseband)连接之上的逻辑连接。每个信道以多对一的方式绑定一个单一协议(singleprotocol)。多个信道可以绑定同一个协议，但一个信道不可以绑定多个协议。每个在通道里接收到的L2CAP数据包被传到相应的上层协议。,Bluetooth的逻辑信道,提供了三种逻辑连信道：无连接信道：支持无连接服务，每个信道是单向的，该信道主要用于从主站到多个从站的广播；面向连接信道：支持面向连接的服务，每个信道是双向的，每个方向被指定了服务质量流规范；信令信道：提供了两个L2CAP实体之间信令消息的交换。,L2CAP分组,长度：信息负荷加上PSM域的长度，2个字节；信道标识：1表示信令信道，2表示无连接信道，面向连接信道编号自定义；协议/服务多路复用器（PSM）：标识高层收到分组的负载，指出使用该连接的L2CAP的应用，分别对应多种协议如：SDP(0 x0001)RFCOMM(0 x0003)TCS(0 x0005);信息负荷：高层用户数据，长度可达65536byte;,L2CAP分组,码：标识命令的类型；标识符：用于匹配请求和回应，请求的设备设置此域，而回应的设备在他的回应中使用相同的值，每条初始命令使用不同的标识符。长度：指示数据长度，用字节表示；数据：如果有需要时，附加命令相关的数据。,L2CAP信道过程,连接过程：MS站通过信令信道发送连接请求命令，包括PSM和源站点为此连接分配的源CID值（类似于端口号）;目的站返回响应命令，包括：结果（成功、未决、拒绝）、状态（指出当前状态，若为未决，则指出未决状态，如：认证未决，授权未决）、源CID和目的站为此连接生成的目的CID;,L2CAP信道过程,配置过程：由源站点通过信令信到发送配置命令给目的站点，包括目的CID、标志域(是否将发送选项)和选项，选项包括：最大传输单元MTU：定义始发者能够接受的最大L2CAP分组的大小，用字节表示；丢弃超时选项：ARQ机制中，多次尝试重传失败后负荷将被丢弃，丢弃超时指传输一个分组的最长时间；服务质量：标识此信道的通信流规范，如：传输速度、延迟等待时间等；目的站回复配置响应命令，该命令包括：源CID、标志域、结果、结果参数。,L2CAP信道过程,取消连接过程：由源、目的站点任何一方通过信令信到发送取消连接请求至对方，该命令参数包括：源CID、目的CID；