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第4章無線個域網(wǎng),內(nèi)容提要,概述IEEE802.15標準藍牙技術簡介藍牙無線電規(guī)范藍牙基帶規(guī)范藍牙鏈路管理器規(guī)范藍牙邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議藍牙服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議,4.1概述,無線個人區(qū)域網(wǎng)(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN,簡稱無線個域網(wǎng))技術就是一種滿足上述應用需求的小范圍無線連接、微小網(wǎng)自主組網(wǎng)的通信技術。,無線個域網(wǎng)技術,當前發(fā)展最迅速的領域之一:藍牙(BlueTooth)IrDA:紅外數(shù)據(jù)組織提供的紅外連接技術HomeRF:美國家用射員會提供的語音和數(shù)據(jù)傳送技術,工作頻段為2.4GHz,UWB:超寬帶,不用載波,而采用時間間隔極短(小于1ns)的脈沖進行通信。這種通信方式占用帶寬非常之寬,且由于頻譜的功率密度極小,它具有通常擴頻通信的特點。能在10米左右的范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)百Mbit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢,Zigbee:新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術,最大的特點就是低功耗、可組網(wǎng),特別是帶有路由的可組網(wǎng)功能,理論上可以使ZigBee覆蓋的通訊面積無限擴展。在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信,這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點,所以它們的通信效率非常高。,4.2IEEE802.15標準,IEEE802.15工作組是IEEE針對無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)而成立的,開發(fā)有關短距離范圍的WPAN標準。,4.2.1標準構成,802.15.1是以既有藍牙標準為基礎,制定藍牙無線通信規(guī)范的一個正式標準。802.15.2工作組目的是要802.11和802.15開發(fā)共存的推薦規(guī)范。802.15.3工作組的興趣在開發(fā)對比于802.11設備是低成本和低功耗的設備的標準上。(UWB)802.15.3a的目標是要在使用同樣的MAC層上提供比802.15.3更高的數(shù)據(jù)率802.15.4工作組則開發(fā)了一個非常低成本、非常低功耗的比802.15.1數(shù)據(jù)率要低的設備標準。(Zigbee),IEEE802.15協(xié)議體系結構,三個WPAN標準都有不同的物理層和MAC層規(guī)范,WLAN與WPAN,WPAN考慮的是短距離傳輸,因此功耗和成本較低,4.3藍牙技術簡介,是IEEE802.15.1的基礎,源于1994年愛立信公司的一項研究,旨在在移動電話及其附件之間探求一種新的低功耗、低成本的空中接口。1998年5月,Nokia、Inter、IBM、Toshiba聯(lián)合成立藍牙特殊利益集團(SIG)1999年7月SIG公布了藍牙規(guī)范1.0版1999年12月公布了藍牙規(guī)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藍牙技術的誕生與發(fā)展,為什么叫藍牙?,藍牙是什么?,藍牙技術優(yōu)點,(1)即插即用,可以隨時隨地地用無線接口代替有線電纜連接;(2)具有很強的移植性,可應用于多種通信場合,如WAP、GSM(全球移動通信系統(tǒng))、DECT(歐規(guī)數(shù)字無繩通信)等,引入身份識別后可以靈活地實現(xiàn)漫游;(3)低功耗,對人體傷害??;(4)藍牙集成電路簡單,成本低廉,實現(xiàn)容易,易于推廣。,工作在2.4G頻段為防止該頻段的干擾,藍牙設計了快速確認和調頻方案,使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。支持點對點和點對多點通信,其基本網(wǎng)絡結構是匹克網(wǎng)picnet或微微網(wǎng),由主設備和從設備構成。主設備提供時鐘同步信號和調頻序列,從設備是受控同步的設備。一個匹克網(wǎng)中有一個主設備和多個從設備。,4.3.3藍牙標準文檔構成,核心規(guī)范(corespecifications):描述了從無線電接口到鏈路控制的不同層次藍牙協(xié)議體系結構的細節(jié)。(互操作性、檢驗、計時器等)概要規(guī)范(profilespecifications):使藍牙技術支持不同的應用模型。概要規(guī)范的目的是定義戶操作性的標準,一般分為兩類:電纜替代(臨近設備的邏輯連接和數(shù)據(jù)交換)、無線音頻(短途語音連接),4.3.4藍牙協(xié)議體系結構,核心協(xié)議(coreprotocol)形成五層棧,(1)無線電(radio):確定包括頻率、跳頻的使用、調制模式和傳輸功率在內(nèi)的空中接口細節(jié)。(2)基帶(baseband):考慮一個微微網(wǎng)中的連接建立、尋址、分組格式、計時和功率控制。(3)鏈路管理器協(xié)議(linkmanagerprotocol,LMP):負責在藍牙設備和正在運行的鏈路管理之間建立鏈路。這包括諸如認證、加密及基帶分組大小的控制和協(xié)商等安全因素。(4)邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議(logicallinkcontrolandadaptationprotocol,L2CAP):使高層協(xié)議適應基帶層。L2CAP提供無連接和面向連接服務。(5)服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議(servicediscoveryprotocol,SDP):詢問設備信息、服務與服務特征,使得在兩個或多個藍牙設備間建立連接成為可能。,RFCOMM:藍牙中的電纜替代協(xié)議,使用虛擬串行端口,并效仿EIA-232控制信號(被廣泛使用的串行端口標準),提供數(shù)據(jù)傳輸。TCS-BIN:藍牙中的電話控制協(xié)議,為語音呼叫和數(shù)據(jù)呼叫定義呼叫控制信令接納協(xié)議:由其他組織定義,被接納進藍牙標準,4.3.5應用模型,大量應用模型定義在藍牙的概要規(guī)范文檔中。本質上,一個應用模型是一套實施特定的基于藍牙的應用的協(xié)議。每個概要文件定義了支持一特定應用模型的協(xié)議和協(xié)議特性。,文件傳輸,撥號聯(lián)網(wǎng),LAN接入,同步,無繩電話或內(nèi)部通信,耳機,4.3.6藍牙應用,連接計算機和其他設備,支持自組織網(wǎng)絡,充當訪問Internet的接入點,構建居家環(huán)境,事例,運動中的連接,4.3.7微微網(wǎng)和散布式網(wǎng)絡,藍牙中的基本聯(lián)網(wǎng)單元是一個微微網(wǎng),它由一臺主設備和17臺活躍的從設備組成。藍牙使用載波間隔1M的跳頻模式,80M總帶寬可提供80個不同頻率。邏輯信道由跳頻序列定義一個微微網(wǎng)中的設備也可作為另一個微微網(wǎng)的一部分存在,并在每個微微網(wǎng)中,起從設備或主設備功能,這種形式的重疊被稱為散布式網(wǎng)絡(scatternet)。一個區(qū)域內(nèi)的微微網(wǎng)數(shù)量增加,會引起跳頻沖突,性能隨之下降。,主/從關系,無線網(wǎng)絡的配置,4.4藍牙無線電規(guī)范,國際上藍牙的頻率分配,藍牙利用波段中的2.4GHz波段。在大多數(shù)國家,此帶寬足以定義79個1MHz的物理信道,無線電規(guī)范給出類基于輸出功率的發(fā)射器定義:類:最大范圍的輸出為100mW(+20dBm),最小為1mW(0dBm)在該類發(fā)射器中,功率控制是強制的,范圍為4dBm20dBm此模式提供最大距離類:最大輸出為24mW(+13.8dBm),最小為0.25mW(-6dBm)。功率控制是可選的類:最小功率名義上的輸出為1mW.,發(fā)射器定義,4.5藍牙基帶規(guī)范,跳頻物理鏈路分組糾錯邏輯信道信道控制藍牙音頻,4.5.1跳頻,目的:(1)它阻礙干擾和多路效應。(2)它為放置在不同微微網(wǎng)中的設備提供多種接入的形式??値挶环譃?9(幾乎所有國家)個物理信道,每個信道的帶寬為1MHz。在一個偽隨機序列中,通過從一個物理信道跳到另一個物理信道,出現(xiàn)了跳頻(frequencyhopping)。,跳躍序列由微微網(wǎng)中的所有設備共享,稱為一個FH信道。跳躍頻率為1600跳/秒,每條信道的被占時間0.625ms,稱為一個時隙。FH序列由微微網(wǎng)中的主設備決定。相同的物理信道,會導致沖突。,4.5.2物理鏈路,面向同步連接(synchronousconnectionoriented,SCO):在涉及主設備和一個單獨從設備的點對點連接間分配固定的帶寬。在規(guī)則的間隔中,主設備通過使用預留的時隙維持SCO鏈路。預留的基本單位是兩個連續(xù)的時隙(每個在各自的傳輸方向上)。主設備能支持的并行SCO鏈路高達3個,而從設備能支持2或3個SCO鏈路。SCO分組不重傳。SCO用于保證速率但不要求保證傳送的數(shù)據(jù)。異步無連接(asynchronousconnectionless,ACL):主設備與微微網(wǎng)中所有從設備間的一條點對多點的鏈路。在未預留給SCO鏈路的時隙中,主設備能與任一以單時隙為基礎的從設備交換分組,包括已在SCO鏈路上的從設備。只有單獨的ACL鏈路可以存在。大多數(shù)ACL分組使用分組重傳。,4.5.3分組,所有藍牙分組由3個字段組成:接入碼、首部、負荷,接入碼:用于計時同步、偏移量補償、尋呼和詢問信道接入碼:標志一個微微網(wǎng)設備接入碼:用于尋呼及其接下來的響應詢問接入碼:用于詢問首部:6個域地址(AM_ADDR):從設備地址類型:4種控制分組,4種SCO鏈路分組(64k/s的語音數(shù)據(jù)),6種ACL鏈路分組(錯誤保護、用戶數(shù)據(jù))。還有一種僅由接入碼組成的分組:ID分組,用于查詢和接入過程,流:為ACL通信提供1位流控制機制,流=0,停止ACL,流=1,重新開始傳輸ARQN:為由CRC保護的ACL通信提供確認,如果接收成功,返回ACK,否則返回NAK,重傳SEQN:1位計數(shù)模式,0或1,用于標記已傳送的分組首部差錯控制:8位檢錯碼,用于首部保護,負載格式:語音負載:無首部ACL和SCODV數(shù)據(jù)部分,有首部。數(shù)據(jù)負載3個域:負載首部:單時隙,8位;多時隙,16位負載主體:用戶信息CRC:除了AUX1,都有16位校驗碼首部由3個域組成:L-CH:標識LMP或L2CAP邏輯信道流:控制L2CAP層控制流的開/關長度:負載字節(jié)數(shù),不包括負載首部和CRC,4.5.4糾錯,藍牙在基帶層使用三種糾錯模式:(1)l/3比例的FEC(forwarderrorcorrection,前向糾錯)。采用3份副本的多數(shù)邏輯(2)2/3比例的FEC。能糾正所有單個錯誤(3)ARQ(automaticrepeatrequest,自動重發(fā)請求)。,4.5.5邏輯信道,(1)鏈路控制(linkcontrol,LC):在所有帶首部的分組中傳遞,用于在鏈路接口管理分組的通信流如ARQ、流控制和負荷特征等控制信息。(2)鏈路管理(linkmanager,LM):在參與站點之間傳輸鏈路管理信息支持LMP通信,能在SCO、ACL上傳送。(3)用戶異步(userasynchronous,UA):傳送異步用戶數(shù)據(jù)在ACL鏈路和SCODV分組中傳送(4)用戶等時(userisochronous,UI):傳送等時用戶數(shù)據(jù)等時:已知周期的計時中重發(fā)數(shù)據(jù)塊相同的用戶數(shù)據(jù)。(5)用戶同步(usersynchronous,US):傳送同步用戶數(shù)據(jù)在SCO上傳送,4.5.6信道控制,鏈路兩個主要的狀態(tài):(1)維持(standy):默認狀態(tài)。這是一個低功率狀態(tài),只有一個本地時鐘在工作。(2)連接(connection):設備作為主站或從站連到微微網(wǎng)。,用于增加從站的7個臨時子狀態(tài),(1)尋呼(page):(2)尋呼掃描(pagescan)(3)主站響應(masterresponse)(4)從站響應(slaveresponse)(5)查詢(inquiry):查詢范圍內(nèi)設備(6)查詢掃描(inquiryscan):設備監(jiān)聽查詢(7)查詢響應(inquiryresponse):,查詢,建立微微網(wǎng)的第一步:主站發(fā)起查詢操作:發(fā)射帶IAC(查詢接入碼)的ID分組在32個(總共79個)喚醒載波中輪流廣播IAC從站周期掃描查詢:處于維持狀態(tài)的從站收到查詢,進入查詢響應狀態(tài),向主站發(fā)送FHS分組,進入尋呼掃描狀態(tài)主站不立即響應FHS分組,直到所有從站都被發(fā)現(xiàn),尋呼過程,主站掃描發(fā)現(xiàn)所有設備,開始建立微微網(wǎng):為每臺被尋呼設備建立跳頻序列主站發(fā)送帶DAC(從站設備接入碼)的ID分組進行尋呼從站返回相同DAC作為響應主站發(fā)送FHS分組,包含設備地址和藍牙時鐘值,從站返回確認,進入連接狀態(tài),開始使用主站分配的跳頻序列。主站繼續(xù)尋呼,直到所有從站連接,主站進入連接,連接狀態(tài),處于連接狀態(tài)從站的四個操作模式:活躍:通過監(jiān)聽、發(fā)送和接收分組,積極參與偵測:只監(jiān)聽報文特定時隙,以較低功率運行保持:不支持ACL分組,可參與SCO,進入較低功率,可參與另一個微微網(wǎng)置停:無需參與微微網(wǎng),但仍然保留部分時隙,置停的微微網(wǎng)從站可多于7個,狀態(tài)轉換圖,4.5.7藍牙音頻,基帶規(guī)范規(guī)定可以使用兩種語音編碼模式:脈沖代碼調制(pulsecodemodulation,PCM)。連續(xù)可變的斜率增量(continuouslyvariableslopedelta,CVSD)調制。注:由兩個通信設備的鏈路管理器進行選擇。,4.6藍牙鏈路管理器規(guī)范,LMP:負責在藍牙設備和正在運行的微微網(wǎng)間建立鏈路LMP管理主站與從站間的無線電鏈路的各個方面。協(xié)議涉及主站和從站的LMP實體間表現(xiàn)為LMPPDU(protocoldataunit,協(xié)議數(shù)據(jù)單元)形式的報文的交換。報文總是作為單個分組發(fā)送,該分組帶有一位標識報文類型的負載首部,和一個包含與此報文相關的附加信息的負荷實體。為LMP定義的過程被分為24個功能區(qū),其中每個都涉及一個或多個報文的交換。P112表4.6,通用響應:用于回應其他類型的PDU安全服務:認證:屬于基帶規(guī)范,但涉及LMPPDU交換配對:雙方建立鏈路密鑰改變鏈路密鑰、改變當前鏈路密鑰加密:LMP不涉及鏈路加密,但提供相關服務(如確定加密模式、密鑰大?。r鐘/同步:為不同的微微網(wǎng)參與者提供時鐘同步機制時鐘偏移量詢問:計算FHS分組中主站時鐘與自己的差值時隙偏移量信息:相鄰微微網(wǎng)之間的計時差別,計時精確性詢問站點功能:LMP版本信息、被支持的技術規(guī)范LMP版本被支持的特征,表4.7模式控制:提供模式的管理交換主站/從站角色詢問名字拆除連接保持模式置停模式功率控制。,4.7藍牙邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議,與IEEE802規(guī)范中的邏輯鏈路控制(LLC)相同,L2CAP(logicallinkcontrolandadaptationprotocol,邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議)在共享媒介網(wǎng)絡的實體間提供一個鏈路層協(xié)議。L2CAP為流和差錯控制提供大量服務,它依賴于更低層(基帶層)。L2CAP使用ACL鏈路,它不支持SCO鏈路。通過ACL鏈路,為上層提供2個服務:無連接服務:可靠數(shù)據(jù)報格式服務連接模式服務:為用戶交換數(shù)據(jù)建立邏輯連接,并提供流控制和差錯控制,4.7.1L2CAP信道,三種類型的邏輯信道:(1)無連接(connectionless):支持無連接服務。每個信道是單向的,該信道類型一般用于主站向多個從站廣播。(2)面向連接(connection-oriented):支持面向連接的服務。每個信道是雙向的(全雙工)。每個方向中定義一個服務質量(qualityofservice,QoS)的流規(guī)范。(3)信令(signaling):提供L2CAP實體間信令報文的交換。,實例,L2CAP分組,無連接服務分組:長度信道標識:值為2,表示無連接信道協(xié)議/服務多路復用器(PSM):標識高層收到分組數(shù)據(jù)信息負荷:高層用戶數(shù)據(jù)面向連接的分組:無PSM域,用CID標識高層收到分組數(shù)據(jù),信令命令分組:與面向連接分組相同格式,CID為1負荷部分由多個L2CAP命令組成,每個命令由4個域組成碼,標識符,長度,數(shù)據(jù),4.7.3信令命令,連接請求:用于建立新的邏輯連接,包含兩個值PSM:此連接的用戶(服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議、RFCOMM、電話控制協(xié)議)CID配置請求:協(xié)商L2CAP傳輸參數(shù)最大傳輸單元(MTU):請求的發(fā)送者所能接受的最大L2CAP分組負荷,最小46字節(jié),默認672字節(jié)丟棄超時選項:放棄和丟棄分組之前,發(fā)送者試圖傳輸一個L2CAP分組的時間長度服務質量:,4.7.4服務質量,L2CAP中的QoS參數(shù)定義一個基于RFC1363的通信流規(guī)范。一個流規(guī)范是一套參數(shù),指出發(fā)送站點試圖達到的性能級別。流規(guī)范的參數(shù)組成:(1)服務類型:指出通信流的服務級別0:無通信1:盡快發(fā)送,但不擔保性能,適用于同步通信2:有擔保的服務,必須符合QoS其余參數(shù)以下兩個參數(shù)定義了QoS中的令牌桶模式(2)令牌速率(字節(jié)/秒)(3)令牌桶的大小(字節(jié)),令牌桶圖解,為接收方預期的峰值和平均通信負荷提供了一個簡明描述,也為發(fā)送方定義了可實現(xiàn)通信流策略。,在任意長的時間長度T中,數(shù)據(jù)發(fā)送量不能超過RT+B如果令牌不足,分組排隊等候桶大小B成為了對允許的突發(fā)數(shù)據(jù)流的衡量度,(4)帶寬峰值(字節(jié)/秒):限定分組背靠背發(fā)送速度。如令牌桶滿時,分組發(fā)送速度可能超過接收方容量,可通過帶寬峰值限定。(5)等待時間(微秒)(6)時延變化(微秒):最大時延和最小時延之間的差異,應用通過這個值判斷所需的緩沖空間。,4.8藍牙服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議,在藍牙規(guī)范提出之前,服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議已經(jīng)存在。在藍牙設備的無線網(wǎng)絡中,本地設備發(fā)現(xiàn)、利用遠端設備所提供的服務和功能,并向其它藍牙設備提供自身的服務,這是網(wǎng)絡資源共享的途徑,也是服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議要解決的問題。服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議提供了服務注冊的方法和訪問服務發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的途徑。SIG針對藍牙網(wǎng)絡靈活、動態(tài)的特點,開發(fā)了藍牙專用的服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議。,SDP能夠提供的服務能力,SDP將為客戶提供搜尋所需服務的能力。SDP允許基于服務類型搜索服務。SDP可以執(zhí)行服務瀏覽,而不用預先知道服務特征。SDP將提供一種方法來搜索新的服務。當設備進入客戶設備鄰頻或處于客戶鄰頻的設備的新服務可用時,這些服務才可用SDP將提供一種機制來確定在設備離開客戶設備鄰頻時,或者當處于客戶設備鄰頻的設備上的新服務不可用時,設備在何時變?yōu)椴豢捎谩?客戶服務器交互,服務搜索協(xié)議(SDP)為客戶提供了搜索服務器服務及其屬性(服務類型,所需機制,協(xié)議)的方法。SDP包括SDP服務器與SDP客戶之間的通信。服務器保持一張描述服務器有關服務特征的服務記錄表。每一服務記錄都包含一項服務信息??蛻艨梢酝ㄟ^發(fā)送SDP請求,從由SDP服務器維護的服務記錄中檢索信息。SDP提供服務發(fā)現(xiàn)機制,但不提供服務使用機制。一臺藍牙設備既可以作為一個SDP服務器,也可以同時作為一個SDP客戶。,服務記錄,服務可以是能提供信息、執(zhí)行動作、控制資源的實質。可以以軟件、硬件或

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