短距离无线通信技术课程讲义(第二三讲)

1、短程无线通信技术，讲师：夏伟伟电子邮件：wwxia Mobile:结束筛选，开始筛选，目录，短程无线通信技术的基本理论短程无线通信技术的研究方向短程无线通信技术的典型应用蓝牙基本原理九个与蓝牙相关的实验：数字基带模拟，服务发现，语音传输，数据传输，电话网络接入，局域网接入，通信传输的有效性和可靠性分析，数字图像采集，传输和处理， 无线传感器网络(WSN)无线传感器网络实验于1999年完成，蓝牙标准1.0于2004年11月4日发布。 目标是建立全球标准的无线连接，使其易于低成本、小规模和低功耗应用。蓝牙2.0版可以提供2Mbps和3Mbps的数据速率，支持音频和视频(多

2、媒体)通信、车载通信等。因此，蓝牙已经从串行电缆替换规范发展到具有无线局域网部分重叠功能的通用短距离网络。蓝牙标准，当蓝牙设备到达通信区域时，主设备和从设备之间自动生成微微网。蓝牙支持点对点或点对多点连接，可以实现无连接异步数据传输和面向连接的同步语音传输。蓝牙的出现使得嵌入式收音机的概念在小型化、低功耗和低成本中悄然兴起，并真正将网络随身携带，以充分利用强大的固定网络。蓝牙技术特点，蓝牙系统单元组成，射频单元工作频段：ISM频段24002483.5兆赫调制方式：GFSK，调制指数：0.28-0.35扩频方式：跳频扩频79跳频信道发射功率：1mW，2.5mW，100mW双工方式：时分双工，蓝牙

3、系统单元组成，链路控制单元(硬件)-实现基带协议和低电平链路操作。在蓝牙网络中，所有蓝牙设备的状态都是平等的。主动呼叫设备是主设备，被动呼叫设备是从设备。可以建立面向连接的同步链路。同步面向连接链路(SCO)和异步无连接链路(ACL)是对称的点对点链路，以固定的间隔占用保留的时隙，它们被视为电路交换，通常用于语音通信。ACL链路提供分组交换连接，占用非SCO链路的时隙，并支持异步和同步传输。蓝牙技术支持一个异步数据通道，或三个并发同步语音通道，或一个同时传输异步数据和同步语音的通道。每个语音通道支持64kbps同步语音；异步信道支持最大723.2kbps的非对称连接(对应最大57.6kbps的

4、反向响应速率)或最大433.9kbps的对称连接。链路管理单元(软件)实现LMP链路管理协议(LMP)，该协议将来自蓝牙协议栈的命令转换为基带层操作，并负责链路建立和断开、链路配置和链路安全。蓝牙协议栈单元(软件)蓝牙软件协议栈是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑，满足蓝牙规范的要求。蓝牙配置文件由两部分组成，一部分是蓝牙核心协议，它规定了射频、基带、连接管理、服务发现、传输层以及与其他通信协议之间的互操作性和互操作性相关的组件；另一部分是蓝牙应用概要，它规定了不同蓝牙应用所需的协议和操作程序。蓝牙协议栈的架构基带是蓝牙的物理层，它管理物理信道，在单个数据包的传输层进行链路控制，并负责纠

5、错、数据白化、跳频控制和蓝牙安全。它提供同步和异步数据链路，并提供查询和寻呼方法，以便蓝牙设备可以相互访问进行查询和访问。链路管理协议)LMP)负责建立和移除蓝牙设备之间的连接，管理微微网中蓝牙设备单元的功率模式、功耗和工作状态(例如保持、呼吸、睡眠等)。)，以及身份验证和加密功能。蓝牙协议栈的体系结构L2CAP(逻辑链路控制和适配协议)实现了高级协议复用、数据包分段和重组、组管理和面向高级协议的服务质量管理。L2CAP通过协议复用、分段和重组以及组抽象的方式向更高级别的协议提供连接和无连接的数据服务。L2CAP只支持前向链路，它采用信道的概念在蓝牙设备的不同应用之间建立不同的路径。串行端口替

6、换协议(rfcomm)是基于ETSI 07.10的串行线路模拟协议，它使用串行线路传输机制为上层协议(如OBEX、拨号互联网接入、传真)提供服务。它支持模拟串口和远程串口控制。服务发现协议适用于移动性强的蓝牙系统。它的基本出发点是发现服务，而不是提供对服务的访问。蓝牙协议栈架构、蓝牙协议栈架构、电话控制协议(TCS) TCS协议定义了用于在蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令，以及用于处理蓝牙TCS设备组的移动管理过程。主机控制器接口(HCI)由于蓝牙无线部分和高级协议的实时性要求不同，蓝牙系统通常需要由两个处理器组成：基带协议和LMP在一个处理器上运行，称为蓝牙模块；其他高级协议运行在另

7、一个处理器上，称为主机。此时，需要人机界面层作为上下部分之间的接口，提供主机和蓝牙模块之间的统一接口，使主机可以完全控制蓝牙模块。蓝牙应用模型层次图，通用接入应用模型服务发现应用模型无绳电话应用模型内部互通应用模型串口应用模型拨号网络应用模型传真应用模型耳机应用模型局域网接入应用模型免提应用模型通用对象交换应用模型文件传输应用模型对象推入应用模型同步应用模型，任何蓝牙应用都必须满足应用模型的要求，以实现与不同制造商生产的蓝牙设备的互操作性。蓝牙网络拓扑，蓝牙技术支持点对点和点对多点通信，并采用自组网模式。在建立网络之前，所有蓝牙设备具有同等的地位，只有当一个蓝牙设备首先发起链建立操作时，它才成

8、为主设备。蓝牙网络的基本单元是微微网。两个或多个蓝牙设备共享同一信道以形成微微网。一个微微网中只能有一个主设备，但最多可以有七个从设备，所有这些设备在时间和跳频上都与主设备同步。以特定方式连接的几个独立且不同步的微微网可以连接在不同的微微网之间，以形成一个散射网，其中每个微微网具有其自己的跳频信道。在分布式网络中，一个微微网中的从设备可以同时是其他微微网的主设备或从设备。蓝牙设备地址(BD _ ADDR)在48位中是唯一的，蓝牙通信系统结构，基于蓝牙技术的一系列实验数字基带模拟，基本原理，蓝牙基带系统：蓝牙微微网和信道划分；物理链接；蓝牙基带分组结构和发送/接收处理；蓝牙系统的工作状态。差错控

9、制原理：差错控制方法的分类；误差控制码的产生；蓝牙基带分组的差错控制(报头校验、有效载荷校验、前向纠错)。跳频扩频原理：跳频扩频；蓝牙系统中的跳频方案(跳频序列、跳频速率)。安全通信原理：加密系统的一部分；钥匙的功能；常规密钥密码系统和公钥密码系统。1.蓝牙基带系统、蓝牙微微网和信道划分微微网：蓝牙通信网络的基本单元，由一个主设备和最多7个活动从设备组成。具有中心节点的网络。蓝牙系统的工作频段为24002483.5兆赫，使用79个频点，射频通道为2402千兆赫(k=0，1，78)。微微网中的信道特性完全由主设备决定，主设备的蓝牙地址决定跳频序列和信道接入码。主设备的系统时钟决定跳频序列的相位和

10、时间。在每个微微网中，使用一组伪随机跳频序列来确定79个跳频信道，这些跳频信道被分成时隙(625us)，并且每个时隙具有相应的跳频速率，通常为1600跳/秒。物理链路蓝牙系统可以在主/从设备之间建立不同的物理链路。定义了两种模式：面向实时同步连接的SCO模式和非实时异步无连接ACL模式。对于SCO，主设备和从设备在指定的时隙内传输语音等实时信息，发送的SCO包不进行重传；对于ACL，主设备和从设备可以在任何时隙传输，主要是数据。为了确保数据的完整性和正确性，可以重新传输ACL数据包。蓝牙基带包结构和发送/接收处理，LSB，MSB，接入码：长度通常是固定的，由网络的设备地址产生。每个蓝牙设备被分

11、配一个独立的48位设备地址BD_ADDR(地址LAP的低24位部分；UAP的上部8位部分；地址；16位非有效地址部分)。标题：它包含重要的链接控制信息。由于报头的重要性，通常需要纠错编码技术来保护整个报头。在蓝牙系统中，包头分为6个部分，总共18位，然后用1/3前向纠错编码形成54位。有效载荷：它是数据包传输中有效的信息部分，其长度可以是固定的，也可以是可变的，这取决于基带数据包的类型。发送/接收处理：蓝牙收发器采用时分双工方案。在一般连接状态下，主设备在偶数时隙开始发送，从设备在奇数时隙开始发送。蓝牙系统工作状态有两种主要的工作状态：待机状态和连接状态。七种中间临时状态：寻呼状态、寻呼扫描状

12、态、查询状态、查询扫描状态、主设备响应状态、从设备响应状态和查询响应状态。a .待机状态是蓝牙设备的默认状态，设备处于低功耗状态。它可以每隔1.28秒离开待机状态进入寻呼扫描或查询扫描状态，或者进入寻呼或查询状态。为了建立新的连接，应该使用查询和分页处理。如果主设备知道一个设备的地址，它使用寻呼来建立连接。d .如果地址未知，则使用查询建立连接。查询处理使设备能够找出在其通信范围内的设备以及它们的设备地址和时钟。寻呼之后，可以建立实际的连接。在连接状态下，蓝牙设备可以处于一些子状态：活动状态、探测状态、保持状态和睡眠状态。2.差错控制编码，为什么要进行差错控制？信道传输特性不理想，且受加性噪声

13、的影响；当信噪比已知时，需要达到一定的误码率指标；采用合理的基带信号设计、调制解调方法选择、时域和频域均衡，尽可能降低误码率。但事实上，许多通信系统的误码率不能满足实际需要。常用的差错控制方法：差错检测和重传(ARQ)在发送端发送编码后能发现差错的码，如果接收端收到后有差错，结果通过反向信道反馈给发送端。然后，发送方重新发送一次先前的信息，直到接收方认为它已经正确地接收了信息。常见的错误检测和重传系统：停止-等待重传，返回重传并选择重传。前向纠错(FEC)发送端发送代码，该代码可以在c它不需要反馈通道，特别适合只能提供单向通道的情况。由于它能自动纠错，所以延迟小，实时性好。混合纠错(HEC)接

14、收机不仅具有纠错能力，还具有检测超出纠错能力的错误的能力(前向纠错与错误检测和重传的结合)。差错控制编码的实现方法是在发送端对传输的信息附加一些监督符号，这些冗余符号和信息符号与一定的规则相关(受约束)。接收端根据建立的规则检查信息符号和监管符号之间的关系。一旦传输错误发生，信息符号和监控符号之间的关系就被破坏，这样接收器就能发现错误，甚至纠正错误。差错控制编码根据差错控制编码的不同功能进行分类：检错码、纠错码和擦除码。根据信息符号与附加监督符号之间的检验关系：线性码和非线性码。根据信息符号和附加监督符号之间的约束方式：分组码和卷积码。在蓝牙基带包的差错控制报头中加入循环冗余校验码，以保证报头

15、的完整性。这种错误控制通常被称为报头错误校正(HEC)。向有效载荷添加16位循环冗余校验；在基带包中加入循环冗余校验码后，通常需要进行前向纠错。线性移位反馈寄存器(LFSR)需要在HEC产生之前初始化。为了便于理解，初始化值采用器件的高位8位地址(UAP)。输入数据是10位标题信息(低位先入)。输出数据是标题信息(10位，低位先出)HEC(8位，低位先出)。在接收端，输入数据是附加HEC的18位报头数据。如果8位寄存器的结果值都为0，则意味着数据包报头信息传输正确。相反，包头信息传输不正确，需要重新传输。有效载荷生成示意图有效载荷校验(使用循环冗余校验)添加到有效载荷中的16位循环冗余校验码由

16、循环冗余校验多项式210041(八进制表示)生成，用于判断有效载荷数据传输是否正确。在生成CRC码之前，LFSR用器件的高位8位地址初始化。在实验中，输入数据是80位有效载荷信息(低阶先进)。输出是有效载荷(80位，低位先出)循环冗余码(16位，低位先出)。在接收端，输入数据是带循环冗余校验的96位有效载荷数据。如果16位寄存器的结果值都为0，则意味着有效载荷信息传输正确。相反，有效载荷信息传输不正确，需要重新传输。有效载荷校验码的生成图，用于分组纠错的前向纠错FEC旨在减少重传次数。然而，当允许某些错误时，使用前向纠错会导致效率的不必要的降低，因此对不同的分组使用前向纠错是灵活的。本实验包含两种类型的前向纠错编码：1/3前向纠错编码和2/3前向纠错编码。1/3前向纠错编码，因为数据包报头包含重要的链路信息，所以它