论文(蓝牙跳频算法的改进)计算机.

1、中图分类号：TN911 密级：单位代号：11903 学号：00118234 硕士学位论文硕士学位论文 SHANGHAI UNIVERSITY MASTER S THESIS 蓝牙跳频算法的改进 与蓝牙家庭网络的研究 作者傅剑虹 学科专业通信与信息系统 导师汪敏教授 完成日期 2003 年 2 月 上海大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，认符合上海大学硕士学位论文质量要求 答辩委员会签名： （工作单位职称） 主任 委员 导师 答辩日期：2003 年月 确 图书分类号：TN911 单位代号：11903 学号：00118234 上海大学工学硕士学位论文 蓝牙跳频算法的改进 与蓝牙家庭网络的研究 硕

2、士生：傅剑虹 导师：汪敏教授 学科专业：通信与信息系统 上海大学通信与信息工程学院 二 O O 三年二月 A Dissertati on Submitted To Shan ghai Un iversity for the Degree of Master in Engin eeri ng The Improveme nt on the Bluetooth Hop Selectio n Algorithm and the Research of the Bluetooth-based HomeNet M.D. Can didate： Fu Jia nhong Supervisor： Prof.

3、 Wang Min Major: Communication and Information system Shan ghai Uni versity School of Communi cati on & In formatio n Engin eeri ng February, 2003 上海大学硕士学位论文 摘要 随着个人计算机和因特网在家庭中的迅速普及，以及信息家电智能化程度的提 高，家庭网络，特别是简单、灵活与可靠的家庭网络日益受到人们的关注。作为 一种开放性的短距离无线通信技术，蓝牙技术将是家庭网络低速率数据传输的最 佳解决方案。 蓝牙工作在全球通用的 2.4GHz ISM

4、 （工业，科学，医学）频段，由于该频段对 所有无线电子系统都开放，Bluetooth 设备会受到相当严重的干扰。为此 Bluetooth 采用了快速跳频技术，以确保最大限度的削减来自其他设备的射频干扰。文章首 先介绍了蓝牙跳频系统中跳频序列的产生算法，接着以此算法为基础，以躲避干 扰为目的，从提高系统抗干扰能力的角度出发，提出了一种改进的自适应跳频方 案来进一步改善系统的性能，最后基于 C 语言和 MATLAB 工具对原跳频系统和 改进后系统分别进行了系统仿真和性能分析，并对两个系统性能进行了比较。仿 真和分析比较结果表明，本文提出的改进方案大大提高了系统的抗干扰能力。 论文还研究了基于蓝牙技

5、术无线家庭网络的实现，阐述了如何通过蓝牙网关来实 现对家庭蓝牙信息家电的远程监控，以及家庭内的个人 PC 机和笔记本电脑等如 何通过蓝牙网关访问 Interneto本文详细介绍了蓝牙网关的实现，文章从实现蓝牙 网关所需的蓝牙应用模型 一一局域网接入应用模型着手，论述了如何从软件上完 成蓝牙协议和基于主机蓝牙上层应用程序的开发，直至最终实现局域网接入应用 模型。 关键词：蓝牙，家庭网络，蓝牙网关，局域网接入，跳频算法，自适应。 I 上海大学硕士学位论文 Abstract With the rapid popularization of PC and Internet in the home, a

6、nd improvement of the intelligentized degree of information household appliances, HomeNet, especially simple, flexible and robust HomeNet is gett ing more and more atte ntio n. As a short-ra nge wireless com muni cati on tech no logy, Bluetooth is one of the best soluti on to low-rate wireless HomeN

7、et connection. Working at the opening 2.4GHz ISM band which is free to be accessed, Bluetooth devices will be easily in terfered with by other systems. To in duce the RF in terfere nce from other systems by the greatest degree, Bluetooth uses the fast freque ncy hopp ing tech no logy. The hop select

8、 ion algorithm is in troduced in this paper. And to improve the performa nce of an ti-i nterfere nce, an improved adaptive freque ncy hopp ing scheme is suggested on the basis of origi nal algorithm. To compare the an ti-i nterfere nce performa nce betwee n the orig inal and improved system, system

9、emulati on and performa nce an alysis is impleme nted by using C Ian guage and Matlab. The result of emulatio n and an alysis shows that the improved scheme put forward by the paper greatly enhan ces the system -ierfereince performa nce. The other part of this paper discusses the research and realiz

10、ati on of the Bluetoothbased HomeNet, including how to realize Iong-distance control to the information household applia nces through Intern et, and how the PC or portable computer in the HomeNet accesses Internet through Bluetooth gateway. The realizati on of Bluetooth gateway is emphasized. Comme

11、ncing on the Bluetooth applicati on profile-LAN Access Profile, the paper discusses until the implement of Bluetooth protocols and high layer Bluetooth applicati on program ming to the final realizati on of LAN Access Profile in detail. Keywords: Bluetooth, HomeNet, Bluetooth gateway, LAN Access, ho

12、pp ing algorithm, adaptive. II 上海大学硕士学位论文 目录 摘要 . I Abstract . II 第一章前言 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 家庭网络连接技术 . 1 1.2.1 有线家庭网络连接技术 . 1 1.2.2 无线家庭网络连接技术 . 2 1.3 基于蓝牙技术的无线家庭网络 . 3 1.4 本论文研究的主要内容 . 3 第二章蓝牙有关协议 . 5 2.1 蓝牙协议体系及应用模型 . 5 2.2 蓝牙协议和 PPP 协议 . 7 2.2.1 蓝牙协议 . 7 222 PPP协议 . 15 2.3 小结 . 17 第三章蓝牙跳频算法的分析与改进

13、. 18 3.1 蓝牙系统对跳频伪随机序列的要求 . 18 3.2 蓝牙系统跳频序列算法 . 18 3.3 系统改进方案 . 20 3.4 系统仿真及性能分析 . 22 3.4.1 跳频序列均匀特性分析 . 22 3.4.2 系统抗干扰性能分析 . 23 3.5 小结 . 28 第四章蓝牙家庭网络的设计和实现 . 29 4.1 家庭网络的远程控制方案 . 29 4.2 蓝牙 PC 机的 Internet 接入 . 30 4.2.1 实现蓝牙网关所需应用模型一一局域网接入 . 31 III 上海大学硕士学位论文 4.2.2 LAP (蓝牙网关)的实现设计 . 33 4.2.3 蓝牙软件开发环境

14、. 35 4.2.4 蓝牙协议的实现 . 37 4.2.5 蓝牙 RFCOMM 连接的软件实现 . 39 4.2.6 蓝牙局域网接入应用规范的最终实现 . 44 4.3 小结 . 45 结束语 . 46 参考文献 . 47 作者攻读学位期间公开发表的文章 . 50 致谢 . 51 IV 上海大学硕士学位论文 第一章前言 1.1 引言 网络技术正以前所未有的速度渗入普通家庭，无处不在的网，无处不在的计算 (Everythi ng connecting, Everythi ng comput ing ) 成为当今计算机技术的潮流，同 时也带来了家居环境的变革，PC、PDA 以及数字相机、蜂窝电话、

15、数字电视开 始涌入家庭；具有信息访问功能的微波炉、冰箱及空调等各种数字化消费电子产 品也将出现在人们的视野。In ternet 带来了无限的信息流通、快速便利的信息交换 以及远端信息存取控制等好处，浩瀚的网络信息使人们把 In ternet 访问、电子邮 件、个人商务以及网上购物等作为购买电脑的主要目的。为了在家中更方便地获 取信息、通信或娱乐，人们开始将所有这些信息家电（In ternet In formati on Applianee）连接成无线或有线的网络；通信、计算机与消费电子（ 3C 的结合） 的进一步融合，必将带来数字化、智能化、网络化的信息家电的更快发展。家庭 网络开始在生活中扮

16、演越来越重要的角色，一场由家庭网络引发的新的革命悄然 兴起。 家庭网络是指将个人电脑、信息家电、三表（水表、电度表、煤气表）、照明系 统及安全报警系统连接在一起而构成的网络。它在家庭内部能够实现各信息家电 联网，对外部能够接入智能小区网络和 Interneto人们所关注的最后一公里的问 题，实际上仅仅解决了一半，家庭网络才是宽带连接最后一百码需要完成的任 务。 1.2 家庭网络连接技术 家庭网络的连接技术有四类，它们分别是：传统局域网络、电话线网络、电力线 网络和家庭无线网络。也可将其划分为有线和无线两大类。 1.2.1 有线家庭网络连接技术 传统局域网连接建立在 IEEE802.3 标准的基

17、础上，使用以太网的形式，通过双绞 线或同轴电缆传输信号，速度从 10Mbps 到 100Mbps 不等，具有较高可靠性，广 泛地应用于商业企业中。但是成本太高，安装维护困难，家庭网络中很少采用这 种方案。 基于电话线的家庭网络具有廉价、简单、成熟的特点，发展最为迅速。其遵循的 协议是 HomePNA （Home Phoneline Networking Allianee）标准。HomePNA2.0 版 本已经于1999 年下半年发布，其速率是 10MbpSo HomePNA 规范与现存 In ternet 1 上海大学硕士学位论文 访问技术兼容，如 V.90、ADSL 或 Cable Mode

18、m。 电源线网络的最大好处是用户无须为组建家庭网络重新布线投资，居室内随处可 见的电源插座都可以用来连接任何一台信息电器设备，可以节约大量的人力、物 力和财力。随着HomePlug 标准的建立，电源线网络将有统一的技术规范进一步 消除来自电力系统的低频噪音干扰，将有着十分诱人的发展前景。 1.2.2 无线家庭网络连接技术 无线家庭网络的最大优点是可移动性，可以省去各种专用的连接电缆，为可移动 设备接入家庭网络提供了很大便利， 网络中设备的位置更加灵活。 目前主要的无 线网络技术有 IrDA、HomeRF、IEEE802.11b 和 Bluetooth （蓝牙）。 IrDA （Infrared

19、Data Association）工作距离 1 米，速度为 115Kbps，传输角度只有 30 度，超过这个角度在传送数据时两个接口必须正对，各设备之间不可以有固体 障碍。 HomeRF3主要针对家庭网络进行设计，旨在降低语音数据成本，它制定了一种 共享无线访问协议（SWAP）。HomeRF 工作在 2.4G 频段，支持数据和语音，其 数据通信采用简化的 IEEE802.11b 协议标准，进行语音通信时采用 DECT （Digital En ha need Cordless Telecom mun icatior） 标准， 使用 TDMA 的时分多址技 术。HomeRF 采用跳频扩频 （FHS

20、S） 技术， 跳频速率为 50 跳/秒， 共划分了 75 个带宽为 1MHz的跳频信道。调制方式分为 2FSK 和 4FSK 两种，采用 2FSK 时传 输速率为 1Mbps，采用 4FSK 时最大速率可达到 2Mbps。每个网络支持 27 个设备 联网，发射功率为 100mW，并且提供了与 TCP/IP 良好的集成。HomeRF 最大的 缺点是开放性不够好，技术标准没有公开，而且技术本身的抗干扰性也比较差。 IEEE802.11b4协议集中在 ISO 模型的物理层和 MAC 层上，工作在 2.4GHz 频 段，采用补偿码键控制调制技术（CCK），发射功率最高为 100mW （20dBm）。它

21、的最高速率可以达到 11Mbps，当射频情况变差时，数据传输速 率将降低到 5.5 Mbps、2 Mbps 和 1 Mbps。802.11b 在 MAC 层采用碰撞避免的载 波检测多路访问（CSMA/CA ）或分布式协调功能（DCF）。该标准的设计目标 决定了它比较适合于在布线代价较高的企业内部构建无线网络，而不适合家庭网 络的组建。 蓝牙技术1使用 2.4GHz 全球通用的 ISM （工业、科研和医疗）频段，为了减少 干扰，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定、抑制干扰和防止衰 落。蓝牙采用跳频技术，以每秒 1600 跳的频率在 79 个跳频通路内跳频，使干扰 可能的影响变成很小。

22、另外，它还使用 FEC（Forward Error Correction，前向纠 错）来抑制了长距离链路的随机噪音。蓝牙的数据传输总速率为 1Mbps，以时分 多路制式实现双工通信。蓝牙发射时，无线输出功率为 OdBm，通信距离可达 10m，若加上放大器，通信距离可达 100 m。接收机的灵敏度不可低于70dBm。 2 上海大学硕士学位论文 1.3 基于蓝牙技术的无线家庭网络 家庭网络发展的方向必将是无线网络，和其它三种无线连接技术相比，蓝牙是家 庭网络低速率数据传输的最佳解决方案，它本身具有的系统健壮性、低复杂性、 低性能、低成本等优点使得该技术适合于不同的场合；而且由于蓝牙技术标准的 开放

23、性，显示了更大的优越性。为此，对基于蓝牙技术的无线家庭网络进行研究 具有极大的理论和实际意义，必将极大的推动信息产业的发展。本文主要对基于蓝牙技术的无线家庭网络进行研究，图 1.1 所示即为基于蓝牙技 术的 HomeNet 的组成方案。 图 1.1 基于蓝牙技术的 HomeNet 组成方案 由图 1.1 我们可以看出蓝牙家庭网络主要由蓝牙网关和蓝牙终端设备组成。 蓝牙 终端设备可以分为三类：蓝牙家庭安保类设备（摄像机等），蓝牙信息家电（蓝 牙微波炉、蓝牙空调等），蓝牙 PC 机及其外围设备。 蓝牙网关是家庭网络中的核心，同时也是和外部公用网络互联的接口。它具体实 现两个功能：一、蓝牙网关是家庭

24、网络的组织者，它利用蓝牙技术将家庭中的信 息设备组成一个 Pic on et 网；二、蓝牙网关是蓝牙家庭网络访问外部公共网络的 接入点，是蓝牙协议与 LAN 协议转换的接口。 家庭网络可以通过网关与户外的各种网络互连，这种连接可以采用有线或无线方 式，有线方式有传统的 Modem，和最新的 Cable modem ADSL 技术、数据广播 技术等，无线的方式有 WAP，LDMS 等。 1.4 本论文研究的主要内容 本课题是上海市科委 2001 年度重大课题无线接入技术”的子课题蓝牙技术应用 研究”主要针对基于蓝牙技术的无线 HomeNet 进行研究。 蓝牙工作在 2.4GMHZ ISM 公用频

25、段，时常会遇到不可预测的干扰，为此蓝 3 上海大学硕士学位论文 牙米用了快速跳频技术。论文研究了蓝牙系统的跳频产生算法，并以此算法为基 础，从提高系统抗干扰能力的角度出发， 提出一种改进的自适应跳频方案来进一 步改善系统的性能，接着基于 C 语言和 MATLAB 工具对原跳频系统和改进后的 跳频系统分别进行了系统仿真和性能分析，并对两个系统的抗干扰性能进行了比 较。 论文还研究了基于蓝牙技术无线家庭网络的实现， 阐述了如何通过蓝牙网关来实 现对家| Bluetooth 、 rnn 单 片 HL Internet _ 蛊牙适配牌 信息家电炉空调，DVB墀 机 机 打印机 窿才模块/适配 I 、

26、、蓝牙网关 蓝才氏机、笔记本 庭蓝牙信息家电的远程监控，以及家庭内的个人 PC 机和笔记本电脑等如 何通过蓝牙网关访问 Internet。其中重点研究了蓝牙网关的实现技术，论文从实现 蓝牙网关所需的蓝牙应用模型一一局域网接入应用模型着手， 论述了如何从软件 上完成蓝牙协议和基于主机蓝牙上层应用程序的开发以及协议的转换， 直至最终 实现局域网接入应用模型。 论文的章节编排如下： 第一章简要讲述了基于蓝牙技术无线家庭网络的组成以及本论文的主要研究内 容。 第二章介绍了蓝牙有关协议。 第三章分析了蓝牙系统跳频序列的产生算法，并在原跳频算法的基础上，提出了 一种改进的自适应跳频方案来进一步提高系统的抗

27、干扰能力，接着基于 C 语言和 MATLAB 工具对原跳频系统和改进后的系统进行了系统仿真和性能分析。仿真 和分析比较的结果表明，改进后的跳频系统大大提高了系统的抗干扰能力。 第四章详细阐述了基于蓝牙技术家庭网络的设计和实现方案， 其中重点分析了蓝 牙网关的实现。 4 上海大学硕士学位论文 第二章蓝牙有关协议 2.1 蓝牙协议体系及应用模型7 蓝牙协议的目标是允许遵循协议的应用可以进行互操作， 整个协议栈包括蓝牙指 定协议和非蓝牙指定协议（应用层协议），设计协议和协议栈的主要原则是尽可 能利用现有的各种高层协议，保证现有协议和蓝牙协议之间的互通性。蓝牙协议 的开放性保证了设备制造商可自由地选用

28、其专利协议和公共协议，在蓝牙协议的 基础上开发新的应用。 完整的蓝牙协议栈结构如图 2.1 所示。 图 2.1 蓝牙协议栈 整个蓝牙协议体系结构可分成三大部分：底层硬件模块、中间协议层和高层应用 底层硬件模块包括射频层 RF( Radio Frequency、基带 BB ( Baseband 部分和 链路管理协议 LMP ( Link Manager Protocol)。 中间协议层包括逻辑链路控制和适应协议 L2CAP ( Logical Link Co ntrol a nd Adaptation Protocol)、服务发现协议 SDP( Service Discovery Protoco

29、)、电缆替 代协议协议 RFCOMM 和二元电话控制协议 TCS BIN(Telephony Control Protocol)。 高层应用层都是一些现成的协议，包括 PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP 等。 5 上海大学硕士学位论文 除了上述协议层以外，蓝牙协议还定义了主机控制接口 HCI，它为基带控制器、 链路管理器、硬件状态和控制寄存器提供接口命令。 不是任何应用都必须使用全部协议， 但是除了语音之外的所有应用都要使用蓝牙 技术规范中的数据链路层和物理层。在后面的章节中，我们将介绍协议栈中的一 部分协议。 蓝牙协议栈的最上部显示了各种应用模型。蓝牙 SIG 定义了几种基本的应

30、用模 型，包括：文件传输、因特网网桥、局域网接入、同步、三合一电话和终极耳 机。为了保证蓝牙设备之间的互操作性，蓝牙 SIG 定义了 13 种应用规范 (Profile)，应用规范阐述了为了实现一个特定的应用模型，各层协议间的运转 协同机制。每种 Profile 都从协议栈中选取不同的协议组合来完成特定的功能，每 一种应用模型对应一个或多个应用规范。图 2.2 给出了蓝牙应用规范结构和相依 性。 通用i#问应用规箱 业务发规屁用规范 尢縫电话磁用樓范 对讲机呀用规范 按；1网网箱规范 通用对象交换应削观範 丈件传输应用規范 H我闷用规脸 対彖上传闷用规范 厢威M搖入应用取范 图 2.2 应用规

31、范结构 如图所示， 通用访问应用规范是其他所有应用规范的基础， 位于应用规范结构的 最低层，它和串口应用规范， 业务发现应用规范及通用对象交换应用规范一起构 成了蓝牙各种应用模型的基础，称为通用应用规范。其它的则称为特定应用规 范，都直接或间接的依赖于通用应用规范，如局域网接入应用规范（ LAN Access Profile）就建立在串口应用规范（Serial Port Profile）的基础上。其中无绳电话应 用规范和对讲机应用规范又被称为电话管理协议二进制应用规范， 直接依赖于通 用访问应用规范。 6 上海大学硕士学位论文 2.2 蓝牙协议和 PPP 协议 这一小节我们对局域网接入应用规范

32、协议栈中所用到的蓝牙协议和 PPP 协议作一 个详细的说明。 2.2.1 蓝牙协议167 一、基带协议（BaseBa nd 基带部分和射频部分一起工作，控制数据分组在指定的时隙和指定频率上发送。 蓝牙的射频系统是一个跳频系统，分组在指定时隙、指定频率上发送，使用查询 和寻呼进程实现不同蓝牙组件的发送频率和时钟的同步，为数据分组提供两种连 接方式：面向连接（SCO）和无连接（ASL），并完成前向纠错（FEC）、循环 冗余校验（CRC）和数据加密。蓝牙基带协议是电路交换和分组交换的融合，因 此既适合传送实时话音也适合传输数据，话音通道可支持 64kb/s 的同步连接，异 步通道可支持不对称连接，一

33、个方向的速率可高达 721kb/s，而另一个方向速率 允许为 57.6kb/so 1、物理信道和物理链路 蓝牙技术的特点体现在底层技术，而基带层是底层中的关键技术之一。注意蓝牙 基于微微小区机制，需具备强壮性、低复杂度、低功率、低成本的特点，而这在 基带层技术中有所体现。 蓝牙采用跳频技术，每秒 1600 跳，从时间域看即每个时隙长度是 625 即每个 时隙从 79 个信道中选择一个。时隙编号 0（227- 1），即跳频序列以 227 进行 循环（有关蓝牙跳频的算法将在后面章节进行详细讨论研究），分组传输采用时 分双工（TDD ）交替传输方式。蓝牙既支持电路型数据，也支持分组型数据；既 支持点

34、对点连接，也支持点对多点连接。在一个微微网络（ Pieco ne）中，一个 单元作为主设备（Master）单元，其他作为从设备（Slave）单元，最多可以有 7 个从设备；但是允许有更多从设备与主设备保持在 Park 状态。从设备对信道的接 入由主设备控制。微微网络在覆盖上可以有重叠：每个网络有各自的跳频方案， 一个网络的主设备可以同时作为另一个网络的从设备；一个从设备可以属于多个 网络。 主设备向从设备发送数据只能占用偶时隙， 反之从设备只能在奇时隙才能向主设 备发送数据。分组起始位置与时隙起始点相吻合。一个分组（ Packet,实际上更 习惯的说法是帧，因为在基带层其地位类似于 OSI 的

35、第二层、部分涉及物理层， 分组的确切用法在第三层，但是蓝牙基带层规范中采用 Packet 术语）的传送最多 可以占用 5 个时隙，在一个分组的传送期内，维持初始时隙所占用的信道而不再 跳频。TDD 和定时工作方式如图 2.3 所示： 7 上海大学硕士学位论文 f（k） Kk+1） I I h I I f L片”十 . .-1 _ Master I 11 i _ _ I I _ 625鬧 图 2.3 主从单元传输分组时序图 在主从设备之间，有两种不同类型的链路，即同步面向连接 SCO (Synchronous Connection-Orie nted) 链路和异步无连接 ACL ( Asynch

36、ronous Conn ection Less) 链路。SCO 是点到点链路，主设备在周期性的保留时隙上维持 SCO; ACL 是点 到多点链路。 主设备可以利用 SCO 未占用的时隙建立 ACL 链路， 从设备可以同 时参与 SCO和 ACL 0 SCO 具备双向对称性，可以看作电路型连接，通常用于支持语音等实时业务。主 设备可与一个或多个从设备建立多达 3 个的 SCO 链路；一个从设备也与多个主设 备建立SCO 链路(最多 3 条)。SCO 分组不采用重传机制。SCO 链路的建立通 过主设备发送LMP 的 SCOsetup 消息，该消息中包含了 Tsco 和 Dsco 等参数。 Dsco

37、 用于标识 SCO开始的时隙相对数，而 Tsco 用于表示时隙的重复周期。 未被 SCO 占用的时隙可用于 ACL，在一对主从设备之间只有一条 ACL 0 ACL 的 分组传送用重传机制以确保正确性。 只有当主设备在发往从设备的分组中以某种 方式允许某从设备发送数据时，该从设备才能在规定时隙发送数据。 ACL 支持广 播。 2、分组组成和分组类型 蓝牙基带层每个分组由 3 部分组成，即接入码(ACCESS CODE)、头 (HEADER)、负载(PAYLOAD )。如图 2.4 所示： ACCESS CODE HEADER PAYLOAD LSB7254 0-2745MSB 图 2.4 蓝牙标

38、准分组格式 其中接入码和头字段为固定长度，分别为 72 比特和 54 比特；负载是可变长度， 从 02745 比特不等。一个分组可以仅包含接入码字段(此时为缩短的 68 比 特)，或者包含接入码与头字段，或者包含全部 3 个字段。 8 上海大学硕士学位论文 接入码有三种类型：Channel Access Code(CAC)、Device Access Code(DAC) 和 In quiry Access Code (IAC )。CAC 用于标识一个 Pico net,所有在该 Pico net 中 传送的分组都包含 CAC; DAC 用于特殊的信令过程，如寻呼和响应寻呼；IAC 又分为 Ge

39、 neral (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。 分组头包含链路控制信息，由 6 个字段组成：AM ADDR、TYPE、FLOW、 ARQN、SEQN 和 HEC，共 18 个比特，采用 1/3 比例的 FEC (前向纠错码)进行 保护，编码保护后一共是 54 比特。在主设备与从设备通信时，要用 AM ADDR 来表示激活的从设备地址； TYPE 字段可以区分 16 种不同类型的分组； FLOW 字 段用于 ACL链路上的流量控制；ARQN 用于对负载传送正确

40、性的确认；SEQN 比 特在每发送一个新的分组时翻转一次，从而避免由于 ACK 的丢失而造成分组重 复接收。分组头用 8 比特的校验码以检查分组头的正确性。 在蓝牙基带层的 16 种分组中，有 4 种是公共的；另外 12 种根据 SCO 和 ACL 不 同链路而不同。其中，公共分组中的四类分别为 ID 分组、NULL 分组、POLL 分 组、FHS分组。 SCO 分组通常用于 64kbit/s 的语音传送。在 SCO 链路上传送语音，分组不采用 CRC 校验和重传机制。一般分为四种 SCO 分组：HV1 （High quality Voice ）分 组、HV2 分组、HV3 分组和 DV （D

41、ata & Voice）分组。 ACL 分组在 ACL 链路上传送， 承载的信息可以是控制信息或用户数据。 如果包 含 DM1，则一共有 7 种 ACL 分组，除了 AUX1 外其它 6 种 ACL 分组采用 CRC 校验及重传机制。按 ACL 链路可分为 DH1 （Data-High rate）分组、DM3 分组、 DH3 分组、 DM5 分组、DH5 分组以及 AUX1 分组，如果加上 DM1 （Data Medium rate）分组，一共是 7 种 ACL 分组。 可使用各种用户模式在蓝牙设备间传送话音，面向连接的话音分组只需经过基带 传输，而不到达 L2CAP。话音模式在蓝牙系

42、统内相对简单，只需开通话音连接， 就可传送话音。 3、分组中的负载格式 在蓝牙基带层负载中要区分语音（同步）字段和数据（异步）字段： ACL 分组仅 包含数据字段，SCO 分组仅包含语音字段，DV 分组比较特殊同时包含两种字 段。语音字段长度固定为 240 比特，DV 分组中语音字段为 80 比特，不存在负载 头字段。数据字段包含 3 部分：负载头、负载体和 CRC 校验码（AUX1 例外） （如图 2.5 所示）。 9 上海大学硕士学位论文 8-16bit0-2721bit16bit 图 2.5 数据字段格式 只有数据字段具有负载头，长度为 1 或 2 个字节。负载头规定了逻辑信道（两位 L

43、_CH表示）、逻辑信道上的流量控制（一位 FLOW 表示）及负载长度指示。用 2 个比特的L_CH 字段来代表逻辑信道，其中 11 表示 LM 信道（传送 LMP 消 息），10 表示 UA/UI （L2CAP 消息的开始或非分段），01 表示 UA/UI （L2CAP 消息的后续分段），00 表示保留。如表 2.1 所示： L_CH代码 逻 Mtfjifi 信息 (X) NA 耒逐义 01 UA/U! UCAPiHM的盾续分段 UA/UI LMAPtfL也的开始和非分口 H LM LMP消息 L_CH FLO* 氏度織 未定义 5 J10I 性度 表 2.1 逻辑信道 L_CH 域内容 1

44、或 2 个字节负载头格式如图 2.6 所示： (b)多时隙负载头格式(a)单时隙负载头格式 图 2.6 负载头格式 在蓝牙基带层中定义了 5 种逻辑信道，即 LC( Link Control)控制信道、LM (Link Manager)控制信道、UA (User Asynchronous)用户信道、UI (Userlsochronou用户信道、US( User Synchronous 用户信道。控制信道用 于链路控制和链路管理，用户信道用于运载用户数据。 LC 信道在分组头携带， 其它信道在分组负载中携带。LM、UA、UI 用负载头中的 L_CH 字段来区分， US 信道仅在 SCO 链路中，

45、UA 和 UI 通常由 ACL 链路承载，但也可由 SCO 的 DV 分组来承载。LM 信道 SCO 和 ACL 都可承载。 二、链路管理协议(LMP ) 当两个蓝牙设备进入彼此的范围时，每个设备的链路管理器( LM )就会发现对 方。然后通过链路管理协议 LMP ( Link Management Protocol)交换各种消息来实 现链路管理器之间的对等通信。这些消息执行链路设置的任务，包括鉴权与加密 等安全机制，该安全机制执行链路和加密密钥的生成、交换与检查，并控制和协 商基带数据分组的大小。通过消息交换，LMP 也可以控制蓝牙射频模块的功率模 式和工作周期以及微微网内的蓝牙设备的连接状

46、态。但是无论未响应这些消息执 行什么功能，这些消息都只被接收方的链路管理器过滤并解释，而不会 10 校验码 上海大学硕士学位论文 发给高层。链路管理器全局视图如图 2.7 所示 1 1 _ T 1TD _ I _ EJH LM : t LC LC : RF Physical layer J 图 2.7 链路管理器全局视图 为了完成其业务提供者的功能，链路管理器要利用其下层链路控制器（ LC）提供 的监控功能，即处理蓝牙基带所有的功能并支持链路管理器，包括发送和接收数 据、请求发送设备的身份鉴别、链路鉴权、设置链路类型（ SCO 或 ACL ）、决 定每一个数据分组用什么样的帧类型， 安排设备如

47、何监听来自其他设备的发送信 息或者将其设置成等待状态。 消息在链路管理器之间以协议数据单元（PDU）的方式发送。根据发送过程规 定，在接收一个携带有 LMP PDU 的基带数据分组和发送一个带有有效响应 PDU 的基带数据分组之间的时间间隔不能大于 LMP 的最大应答延迟时间，最大应答 延迟时间为 30 秒。 蓝牙技术总共定义了 55 种不同类型的 PDU，每一个实现一种唯一的功能。每个 PDU都分配了一个 7 位操作码，它用来标识不同类型的 PDU。 LMP PDU 总是以单时隙分组的方式发送，因此负载头只占一个字节。负载头的 两个最低位用来确定逻辑信道，这些位设置可参见表 2.1。一般情况

48、下，负载头 中的 FLOW 只有一位，并且该 FLOW 位可以被接收方忽视。操作码和只占有一 位数据的事件 ID 操作码和事务ID 内容 共同设置成负载的首字节，如图 2.8 所示。事件 ID 位于该字节的最低位。如果 PDU 属于由主单元发起的事件，则事件 ID 为 0;如果 PDU 属于由从单元发起的 事件，则事件ID 为 1。如果在 PDU 分组中含一个或多个参数，则这些参数都位 于负载的第二个字节中。 字节数根据参数的长短来确定。 所有的参数都使用小端 格式， 即最低位字节先发送。 协议数据单元的源地址和目的地址由消息头的 AM_ADDR 决定。 LSB MSB 图 2.8 LMP P

49、DU 被发送时的负载 每个 PDU 可以被设置成必选或可选的，这要视使用情况而定。如果一个 PDU 是 可选的，链路管理器可以不传送它，但是它必须能够识别出所有它接收到的 PDU，而且如果要求返回一个响应，它必须发回一个有效的响应。如果所收到的 11 上海大学硕士学位论文 可选 PDU 不要求响应，则不必发送响应。 三、逻辑链路控制和适配协议（L2CAP） L2CAP 是基于基带协议，位于数据链路层中，如图 2.9 所示。它可以与 LMP 并 行工作。L2CAP与LMP的区别在于当业务数据不经过 LMP时， L2CAP为上层 提供服务。 L2CAP向上层提供面向连接的和无连接的数据服务，它采用

50、了多路技 术、分段和重组技术、群提取技术。L2CAP 允许高层协议和应用传输接收长达 64KB 的 L2CAP 数据分组。虽然基带协议提供了 SCO 和 ACL 两种连接类型，但 L2CAP 只支持 ACL。 献期炖咖 就协址或刚$ 网络层 J 网塔止 J 设备甲 ） 惟铀乙 丿 图 2.9 协议层内的 L2CAP 1、分段和重组 分段和重组操作用于通过支持最大传输单位（MTU ）来提高传输效率。MTU 的 长度大于最大的基带数据包。这样，就可以通过网络广播和传送高层协议分组降 低拥塞。所有L2CAP 分组都可以在基带分组基础上进行分段。 L2CAP 协议并不 执行任何分段和重组操作，但是其分

51、组格式支持调整到更小的物理帧长度。 L2CAP 发送出的 MTU 把上层分组分为可通过主机控制器接口（ HCI ）传送到链 路管理器的 数据块”在接收端，L2CAP 应用接收到来自 HCI 的数据块”后，就 可以利用HCI 提供的来自分组头的信息，把这些 数据块”重组成 L2CAP 分组。 执行分段和重组只使用了很小的代价。位于基带分组负载的第一个字节（也叫负 载头）的两个 L_CH位用于表示 L2CAP 分组的开始和后续部分。 L_CH 为“ 10 表 示 L2CAP 分组的第一段，而为“01 则表示它的其余部分。如图 2.10 所示就是分 段重组的示例： 12 上海大学硕士学位论文 L2C

52、AP 分组 （L2CAP MTU） L_CH - 01 图 2.10 LACAP 分段 2、数据分组格式 L2CAP 基于分组，但它实际上遵循的是一个基于信道的通信模型。一条信道代表 远程设备上两 L2CAP 实体间的一数据流。信道可以是面向连接的，也可以是无 连接的。图2.11 是无连接信道内的 L2CAP 分组格式。 LSB MSB 长度（2） 倍道 1D (0 x0002) protocol_req、echo_req echo_rep 和 discard_rec。 PPP 可以协商链路层的多个选项，如最大接收单元、异步控制字符映射、认 16 上海大学硕士学位论文 证协议、质量协议、协议字

53、段压缩、地址和控制字段压缩，用以配置数据链路连 接。 五、NCP 协议 PPP 使用一族网络控制协议 NCP 配置不同的网络层。普遍考虑的 NCP 为 IPCP （I nternet Protocol Con trol Protocol） ，用于配置 IP 层， 使用与 LCP 相同的报文结 构（IPCP 仅定义了 LCP 的前七个报文）及协商机制完成选项协商的任务。 2.3 小结 为了使符合一定蓝牙规范的各种蓝牙应用之间能够互通，蓝牙特殊兴趣小组 SIG 制定了蓝牙技术规范，在使用通用无线传输模块和数据通信协议基础上，开发交 互服务和应用。 本章对技术规范定义的蓝牙协议栈结构进行了分析，并对

54、基带协议、链路管理协 议、逻辑链路控制和适配协议、服务发现协议和电缆替代协议等蓝牙中间层协议 以及 PPP 协议进行了说明，具体的蓝牙应用开发将在第四章进一步分析。 17 上海大学硕士学位论文 第三章蓝牙跳频算法的分析与改进 蓝牙工作在全球通用的 2.4GHz ISM （工业，科学，医学）频段，由于该频段对 所有无线电子系统都开放，Bluetooth 设备会受到相当严重的干扰。为此 Bluetooth 采用了快速跳频和短包技术，以确保链路稳定，最大限度的削减来自其他设备的 射频干扰，但其传输稳定性仍然存在很多隐患，例如当干扰频率和跳频频率正好 一样的时候，就会对系统的传输造成很大干扰。有人认为

55、，跳频系统具有躲避干 扰的能力，但实际上，目前的跳频系统尚未能做到这一点。只有当系统能够发现 干扰并自适应地改变载波频率时才能称得上是具有躲避干扰的能力，它建立在自 适应跳频技术基础之上。 本章首先分析了 Bluetooth 跳频系统中跳频序列的产生算法，接着在原有跳频序 列算法的基础上，提出了一种改进的自适应跳频方案来提高系统的抗干扰能力， 最后基于 C语言和 MATLAB 工具对原跳频系统和改进后的系统进行了系统仿真 和性能分析，并对两个系统的抗干扰性能进行了比较分析。 3.1 蓝牙系统对跳频伪随机序列的要求 跳频序列是用来控制载波频率跳变的伪随机序列，它控制信号在一个宽频带范围 内所选择

56、的某些频率上随机跳变。它的性能好坏对一个跳频通信系统的性能好坏 有着决定性影响。 Bluetooth 跳频系统的跳频序列应该满足以下要求13: （1） 一个 Pico net 中，Bluetooth 设备间的通信应使用同一个跳频序列，以保证在 时间和频率上的同步。跳频序列由 Pico net 中的主设备产生。 （2） 任意两个跳频序列在所有相对时延下发生频隙重合的次数应尽可能少，即 跳频序列的汉明相关越小越好，以保证多个 Pico net 同时存在某一区域时，相互 频率发生碰撞的概率尽可能小。 （3） 序列周期应该很长，要有良好的随机性；跳频序列的数量要尽可能多，以 实现码分多址。 （4） 各

57、频隙在一个序列周期中出现的概率在正常情况下应该相等，保证序列具 有良好的均匀性。 （5） 跳频序列可以方便、迅速的切换。 以上要求也是我们判断 Bluetooth 系统中跳频序列好坏的标准。 3.2 蓝牙系统跳频序列算法 Bluetooth 技术规范共定义了 10 种跳频选择方案，其中 5 种对应于 79 跳频 18 上海大学硕士学位论文 系统，另 5 种用于 23 跳频系统（在少数几个国家，只在 2.4GHz ISM 频段设立了 23个载频间距为 1MHz 的射频跳频点）。本文主要讨论 79 跳频系统中建立连 接后产生信道跳频序列的 Bluetooth 跳频算法。 Bluetooth 系统将

58、 ISM 频段划分为 79 个带宽 1MHz 的频道，载频间距 1MHz。它 的信道采用跳频/时分复用方案，信道分为若干个 625us 的时隙，正常跳频速率 为 1600 跳/秒，每个时隙对应不同的频道。 在匹克网（Pico net）信道上，跳频序列是由主设备参数来决定的。主设备的时钟 用 28位表示，Bluetooth 时钟的最小单位是半个时隙 312.5uso 跳频序列由 Bluetooth 设备标志（主设备 Bluetooth 地址低位部分 28bit）和主设备时钟的高 27 位共同决定。跳频算法的基本原理图如图 3.1 所示： 序列 32 跳频段跳频列表 图 3.1 跳频算法基本原理

59、对于信道跳频序列，首先由高位时钟（22 位）和设备标志在 79 跳频列表中选取 一段连续的 32 跳频段；然后由全部时钟（27 位）和设备标志生成一个 5 位序 号，选择 32 跳频段中的一个跳频，并以随机次序访问这些跳频点一次；再根据 一定的偏移量在跳频列表中选取另一个 32 跳频段（这个过程可参考图 3.2），依 此类推。跳频列表是一个寄存器，它存放的是 79 个跳频频率的标号：将 79 个跳 频频道由低到高标为 0-78 号，首先在跳频列表中存放所有的偶数频率标号，然 后依次存放所有的奇数频率标号，如图 3.1 中最后的列表所示。因此，每一个 32 跳频频段将覆盖约 64MHz 的频带，

60、超过 79MHz 带宽的 80%。 根据上述跳频算法，一共可以区分 228 个跳频序列，数量相当的大；同时一个完 整的跳频序列持续时间为 227X 625us23h,因此当几个 Pico net 同时处于一个区域 时，跳频序列间发生频率碰撞的机率大为减小，可以满足 Bluetooth 系统对序列 汉明相关性的要求。当 Bluetooth 设备标志和时钟切换时，跳频序列立即切换， 不同跳频序列间的切换非常方便且迅速。 19 上海大学硕士学位论文 第一段 第二段 第三段 3.3 系统改进方案 Bluetooth 跳频算法结构简单，性能优越，产生的跳频序列具有良好的均匀性和随 机性， 极大的提高了 Bluetoot