物联网与短距离无线通信技术第二章.

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1、第二章第二章 蓝牙技术蓝牙技术 2 本章内容 蓝牙技术概述 蓝牙应用 组网形式 协议栈 3 2.1.1 “蓝牙”的由来 “蓝牙”这个名字的来历颇具传奇色彩。公元10 世纪的北欧正值动荡年代，各国之间战争频繁，丹 麦国王哈拉德二世挺身而出，到处疾呼和平。经过 他的不懈努力，战争终于停止，各方领袖坐到了谈 判桌前，至此，四分五裂的挪威和丹麦得以统一。 关于这位国王的名字有两种说法：一种说法是 他的全名是Harald Blatand，Blatand在英语中意 思为“蓝牙”（Bluetooth）；还有一种说法是这位英 雄的丹麦国王酷爱吃蓝梅，以致于牙齿都被染成了 蓝色，因此“蓝牙”（Bluetooth

2、）成了他的绰号。 4 1000年后的今天，世界范围内电子设备技术高速发 展。瑞典的爱立信公司于1994年成立了一个专项科研小 组，对移动电话及其附件的低能耗、低费用无线连接的 可能性进行研究，他们的最初目的在于建立无线电话与 PC卡、耳机及桌面设备等产品的连接。但是随着研究的 深入，科研人员越来越感到这项技术所独具的个性和巨 大的商业潜力，同时也意识到凭借一家企业的实力根本 无法继续研究，于是，爱立信将其公诸于世，并极力说 服其他企业加入到它的研究中来。 他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通 信技术，并将此技术命名为“蓝牙”，来表达要将这种全 新的无线传输技术在全球推广，并实现全球通用

3、的雄心 。 2.1.1“蓝牙”的由来 5 1998年2月，瑞典爱立信（ERICSSON）、芬兰诺基亚（NOKIA ）、日本东芝（TOSHIBA）、美国IBM和英特尔（Intel）公司五 家著名厂商，组成了一个特殊利益集团（有的书译为特别兴趣小 组）SIG（Special Interest Group）。之后，蓝牙引起了越来 越多企业的关注。 1999年11月，比尔盖茨专程到拉斯维加斯一间只有11名员 工的小公司访问，只因这家公司已研制成功一种含蓝牙技术的胸 卡，随后，微软便宣布加入SIG。目前，包括索尼、惠普、戴尔 在内的2500多家公司都签署了相关协议加入该组织，共享这一先 进技术，而且数目

4、还在不断的增长，从而在全球范围内掀起了一 股蓝牙热潮。这么多的精英公司集中在一项技术的大旗下，在商 业史上是史无前例的，一项公开的全球统一的技术规范得到了工 业界如此广泛的关注和支持，也是以往所罕见的。这说明基于此 项技术的产品具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场+。 2.1.1“蓝牙”的由来 6 2.1.2 蓝牙技术概述 蓝牙是一个开放性的无线通信标准，设计者的初衷是用隐 形的连接线代替线缆。其目标和宗旨是：保持联系，不靠电缆 ，拒绝插头，并以此重塑人们的生活方式。它将取代目前多种 电缆连接方案，通过统一的短程无线链路，在各信息设备之间 可以穿过墙壁或公文包，实现方便快捷、灵活安全、低成本小

5、功耗的话音和数据通信。 7 它推动和扩大了无线通信的应用范围，使网络 中的各种数据和语音设备能互连互通，从而实现 个人区域内的快速灵活的数据和语音通信。“蓝牙 ”技术的目的是使特定的移动电话、便携式电脑以 及各种便携式通信设备的主机之间在近距离内实 现无缝的资源共享。使现代现代通信设备与因特 网之间的数据传输变得更加迅速高效，蓝牙技术 使便于携带的现代移动通信设备和终端设备，不 必借助电缆就能实现无线上网。 2.1.2 蓝牙技术概述 8 作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规 范，蓝牙技术以低成本的近距离无线连接为基础， 为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，完 成数据信息的短程无线传输

6、。其实质内容是要建立 通用的无线电空中接口（Radio Air Interface）及 其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结 合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电 缆相互连接的情况下，能够在近距离范围内具有互 用、互操作的性能（Interoperability）。 2.1.2 蓝牙技术概述 9 BLUETOOTH1.0技术指标和系统参数 2.1.2 蓝牙技术概述 10 2.1.2 蓝牙技术概述 全双工：指可以同时（瞬时）进行信号的双向传输（AB且 BA）。指AB的同时BA，是瞬时同步的。 半双工：指一个时间内只有一个方向的信号传输（AB或 BA）。 举例说明其原理：一座桥的两头

7、分别有车要过桥，如果桥比较 宽，就可以来左去右，互不影响，这就是全双工；如果桥窄， 只能先过一边的车，然后再过另一边的车，这就是半双工。 在通信产品中，对讲机就是半双工的典型例子；电话是全双工 的应用。 此定义在计算机通信中提到最广。 11 频分双工(FDD)，操作时需要两个独立的信道。一个信道用来 向下传送信息，另一个信道用来向上传送信息。两个信道之 间存在一个保护频段，以防止邻近的发射机和接收机之间产 生相互干扰。 时分双工(TDD)，只需要一个信道。无论向下还是向上传送信 息都采用这同一个信道。因为发射机和接收机不会同时操作 ，它们之间不可能产生干扰。 面向连接（SCO）方式：主要用于话

8、音传输； 无连接(ACL)方式：主要用于分组数据传输。 12 13 2.1.3 蓝牙技术的特点 蓝牙技术是为了实现以无线电波替换移动设备所 使用的电缆而产生的。它试图以相同成本和安全性完 成一般电缆的功能，从而使移动用户摆脱电缆束缚， 这就决定了蓝牙技术具备以下技术特性。 14 1.成本低 为了能够替代一般电缆，它必须具备和一般电缆 差不多的价格，这样才能被广大普通消费者所接受， 也才能使这项技术普及开来。蓝牙的最终目标是集成 于单价为5美元的CMOS芯片。目前，蓝牙芯片价格降不 下来，既有经济原因，也有技术原因。从技术角度来 看，蓝牙芯片集成了无线、基带和链路管理层功能， 而链路管理功能实际

9、上既可以通过硬件实现，也可以 通过软件实现，如果由软件实现链路管理层功能，那 么芯片被简化，价格也将变得合理。 2.1.3 蓝牙技术的特点 15 2. 功耗低、体积小 蓝牙技术本来目的就是用于互连小型移动设备及其外 设，它的市场目标是移动笔记本电脑、移动电话、小型的 PDA以及它们的外设，因此蓝牙芯片必须具有功耗低、体 积小的特点，以便于集成到小型便携设备中去。蓝牙产品 输出功率很小(只有1mW)，仅是微波炉使用功率的百万分 之一，是移动电话的一小部分 3.近距离通信 蓝牙技术通信距离为10m，如果需要的话，还可以选用 放大器使其扩展到100m。这已经足够在办公室内任意摆放 外围设备，而不用再

10、担心电缆长度是否够用。 2.1.3 蓝牙技术的特点 16 4.安全性 同其它无线信号一样，蓝牙信号很容易被截取，因此蓝牙协 议提供了认证和加密功能，以保证链路级的安全。蓝牙系统认证 与加密服务由物理层提供，采用流密码加密技术，适合于硬件实 现，密钥由高层软件管理。如果用户有更高级别的保密要求，可 以使用更高级、更有效的传输层和应用层安全机制。认证可以有 效防止电子欺骗以及不期望的访问，而加密则保护链路隐私。除 此之外，跳频技术的保密性和蓝牙有限的传输范围也使窃听变得 困难。 2.1.3 蓝牙技术的特点 17 2.1.4 蓝牙系统组成 蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路 管理（软

11、件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组 成。 1.天线单元 蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、重量轻，因此，蓝牙 天线属于微带天线。蓝牙空中接口是建立在天线电平为0dB的 基础上的。 18 2. 链路控制（固件）单元 在目前蓝牙产品中，人们使用了3个IC集成电路分 别作为连接控制器、基带处理器以及射频传输接收 器，此外还使用了3050个单独调谐元件。基带链路 控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。 它有3种纠错方案：1/3比例前向纠错（FEC）码、2/3 比例前向纠错码和数据的自动请求重发（ARQ）方案。 采用FEC（前向纠错）方案的目的是为了减少数据重发 的次数，降低数据传输负

12、载。在ARQ方式下，数据包被 重传。 2.1.4 蓝牙系统组成 19 但是，要实现数据的无差错传输，FEC就必然要生 成一些不必要的开销比特而降低数据的传送效率。这 是因为数据包对于是否使用FEC是弹性定义的。包头总 有占1/3比例的FEC码起保护作用，其中包含了有用的 链路信息。 2.1.4 蓝牙系统组成 20 3.链路管理（软件）单元 链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、 鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。LM能够发现其 它远端LM并通过LMP（链路管理协议）与之通信。LM模 块提供如下服务：发送和接收数据；请求名称；链路 地址查询；建立连接；鉴权；链路模式协商和建立； 决定帧的

13、类型。此外，还控制设备的工作状态即激活 （Active)、呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（ Park）四种模式。将设备设为呼吸模式，Master（主 机）只能有规律地在特定的时隙发送数据。 2.1.4 蓝牙系统组成 Sniff:从设备被周期性的激活； Hold：此模式下，从设备停止监听来自主设备的数据分组，但 保持其激活成员地址； Park:主从设备扔保持同步，但从设备不需要保留其激活成员 地址。 21 22 Master可把Slave从机置为Hold模式，在这种模式下，只有 一个内部计数器在工作。Slave也可主动要求置为Hold模式 。一旦处于Hold模式的单元被激活，则数据传

14、递也立即重 新开始，工作在hold模式的设备为了节能在一个较长的周 期内停止接收数据。Hold模式一般被用于连接好几个 Piconet的情况下或者耗能低的设备，如温度传感器。 皮网（piconet），也叫微微网，蓝牙最基本的拓扑结构 ，每个皮网由一个主节点和最多7个激活的从节点组成。 2.1.4 蓝牙系统组成 23 在Park模式下，设备依然与Piconet同步但没有数 据传送。工作在Park模式下的设备放弃了MAC地址，偶 尔收听Master的消息并恢复同步、检查广播消息。 连接类型定义了哪种类型的数据包能在特别连接中使 用。蓝牙基带技术支持两种连接类型：同步定向连接 （SCO，Synchr

15、onous Connection Oriented）类型， 主要用于传送话音；异步无连接（ACL，Asynchronous Connectionless）类型，主要用于传送数据包。蓝牙 基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。 鉴权基于“请求响应”运算法则。 2.1.4 蓝牙系统组成 24 鉴权是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人 的蓝牙设备建立一个信任域，比如只允许主人自己的 笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。加密被用 来保护连接的个人信息。密钥由程序的高层来管理。 网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的 安全机制。 2.1.4 蓝牙系统组成 25 4. 软件（协议栈）

16、单元 蓝牙的软件（协议栈）单元是一个独立的操作系 统，不与任何操作系统捆绑。它必须符合已经制定好 的蓝牙规范。蓝牙规范是为个人区域内的无线通信而 制定的协议，它包括两部分：第一部分为核心（Core ）部分，用以规定诸如射频、基带、连接管理、业务 搜寻（service discovery）、传输层以及与不同通信 协议间的互用、互操作性等组件； 2.1.4 蓝牙系统组成 26 第二部分为协议子集（Profile）部分，用以规定 不同蓝牙应用（也称使用模式）所需的协议和过程。 蓝牙规范的协议栈仍采用分层结构，分别完成数 据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立 和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质