畢業(yè)設(shè)計（論文）基于藍牙的無線自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與研究

1、基于藍牙的無線自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與研究摘要藍牙是工作在2.4ghz ism 頻段的一種無線電技術(shù)，藍牙設(shè)備以自組網(wǎng)絡(luò)的方式進行連接組網(wǎng)。移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無固定控制中心、不需要基礎(chǔ)設(shè)施的無線多跳網(wǎng)絡(luò)。由于ad hoc網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，近年來成為移動通信領(lǐng)域的研究熱點。然而，由于藍牙技術(shù)具有某些特殊限制與特性，要利用藍牙技術(shù)組建ad hoc網(wǎng)絡(luò)，還有很多具有挑戰(zhàn)性的問題需要解決。藍牙協(xié)議是基于嚴(yán)格的主-從結(jié)點架構(gòu)，即從結(jié)點設(shè)備間的通信必須借助主結(jié)點設(shè)備。雖然這種主-從結(jié)點模式比較簡單，但是這種模式加倍了主結(jié)點的帶寬，增加了從結(jié)點設(shè)備間的時延。為了解決這個問題，本文提出了動態(tài)頻道分配（ds

2、a）和劃分微微網(wǎng)的方法。在動態(tài)頻道分配情況下，主結(jié)點動態(tài)地為從結(jié)點分配頻道來實現(xiàn)不經(jīng)過主結(jié)點，從結(jié)點間直接進行通信的目的，這個方法提高了服務(wù)質(zhì)量。為進一步拓寬動態(tài)頻道分配方法的應(yīng)用范圍，又提出了服務(wù)質(zhì)量自適應(yīng)動態(tài)頻道分配方法，這種方法又借助了了動態(tài)劃分微微網(wǎng)的方法。提出的這種方法在時延和最大吞吐量方面，極大的提高了藍牙性能，降低了網(wǎng)絡(luò)能量消耗。關(guān)鍵詞：藍牙；自組網(wǎng)絡(luò)；微微網(wǎng)；服務(wù)質(zhì)量abstractbluetooth is a radio technology works in the 2.4 ghz ism frequency band and bluetooth devices conne

3、cte in the form of ad hoc networks. mobile ad hoc network is a special multihop wireless network without centralized administration and can be deployed without any infrastructure. for it is widely used in different fields, mobile ad hoc network has become a research hotspot internationally in recent

4、 years. however, before it becomes reality, many challenging issues caused by the constraints and some characteristics of bluetooth technology itself should be addressed.the bluetooth protocol is based on a strict master/slave concept wherein any communication between slave devices has to go through

5、 the master. while this model is simple, it incurs much longer delays between any two slave-devices as double the bandwidth is used by the master. to handle these issues, we propose dynamic slot assignment (dsa) and piconet partitioning. with dsa, the piconet master dynamically assigns slots to slav

6、es so as to allow them to communicate directly with each other without any intervention from the master,which enhance quality of service (qos). to widen the scope of dsa, we propose a qos-aware enhanced dsa (edsa) where dynamic piconet partitioning. that enhance bluetooth performance in terms of the

7、 delay and the throughput, while reduce the network power consumption.keywords:bluetooth;ad hoc;piconet;qos目錄摘要.abstract.1 緒論.1.1 課題背景與意義.1.2 課題國內(nèi)外現(xiàn)狀.1.3 本文的主要工作.2 藍牙技術(shù)協(xié)議.2.1藍牙技術(shù)概述.2.1.1 藍牙技術(shù)特點.2.1.2 藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu).2.1.3 藍牙普通數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu).2.1.4 藍牙拓撲結(jié)構(gòu).2.2藍牙無線射頻.2.2.1射頻頻段和物理信道.2.2.2射頻發(fā)射功率.2.3基帶層協(xié)議.2.3.1物理信道及物理鏈路.2

8、.3.2邏輯傳輸.2.3.2.1邏輯傳輸?shù)刂?lt_addr) .2.3.2.2休眠成員地址(pm_addr) .2.3.2.3訪問請求地址(ar_addr) .2.3.3邏輯鏈接.2.3.4藍牙設(shè)備操作狀態(tài)及轉(zhuǎn)換.2.4藍牙鏈路管理器協(xié)議lmp.2.4.1鏈路管理器協(xié)議單元格式.2.4.2 lmp建立連接的進程.2.4.3鏈路管理器完成的主要功能.2.4.3.1安全管理.2.4.3.2 操作模式管理.2.4.3.3 帶寬控制.2.4.3.4鏈路控制器管理.2.5邏輯鏈路控制和適配協(xié)議l2cap.2.5.1 l2cap概述.2.5.2 l2cap特征功能.2.5.3 狀態(tài)機.2.5.4 l2c

9、ap分組格式.2.5.4.1面向連接信道.2.5.4.2無連接信道.2.5.4.3信令信道.26服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議.2.6.1服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議概述.2.6.2服務(wù)記錄和服務(wù)屬性.2.6.3服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式.2.7 bnep藍牙網(wǎng)絡(luò)封裝協(xié)議.2.7.1 bnep功能要求.2.7.2包的封裝.2.7.3 bnep頭格式.2.7.4 bnep協(xié)議實現(xiàn).2.8 微微網(wǎng)、分散網(wǎng)和ad hoc.3 藍牙算法的不足及改進.3.1 藍牙規(guī)范.3.2 現(xiàn)有算法的不足.3.3 新的藍牙算法描述.4 dsa算法的仿真與分析.4.1 仿真軟件和藍牙模塊的介紹.4.1.1 仿真工具軟件的介紹.4.1.2 藍牙仿真模塊.4

10、.2 性能分析.4.2.1 性能指標(biāo).4.2.2 理論分析.4.3 仿真實驗.4.3.1 仿真參數(shù).4.3.2 公式說明.4.4 仿真結(jié)果及結(jié)果分析.結(jié)論.。.參考文獻.致謝.外文文獻翻譯原文.外文文獻翻譯譯文.1 緒論1.1 課題背景與意義藍牙技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，該技術(shù)具有無線性、低能耗、高安全等特點。而傳統(tǒng)通信技術(shù)的傳輸介質(zhì)多為有線介質(zhì)，這些有線傳輸介質(zhì)使通信設(shè)備的位置相對固定，妨礙了設(shè)備的移動，因而將這些技術(shù)應(yīng)用在移動設(shè)備上就不是很適用。藍牙技術(shù)作為一種無線通信技術(shù)，其在物理層使用無線射頻信號作為傳輸介質(zhì)，不同的設(shè)備只要安裝有藍牙模塊，它們之間無需電纜就可以實現(xiàn)

11、無線通信，這樣就極大的提高了設(shè)備的移動性。而且藍牙技術(shù)的功耗很低，它不會增加設(shè)備太多的功耗，因此它特別適合于對功耗要求比較嚴(yán)格的設(shè)備和場合。所以藍牙技術(shù)是一種理想的替代電纜的無線通信技術(shù)。隨著無線通信技術(shù)和移動終端技術(shù)的發(fā)展，無線自組網(wǎng)在各領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到重視。又由于藍牙技術(shù)的迅速發(fā)展，基于藍牙的無線自組網(wǎng)絡(luò)，更是在各個行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，各方面的研究不斷展開。當(dāng)前，雖然對基于藍牙的自組網(wǎng)的形成、調(diào)度和路由選擇問題進行了規(guī)定，制定了諸多協(xié)議。然而在特定的應(yīng)用環(huán)境中，一些算法還存在著某些缺陷，需要進一步的優(yōu)化，才能在該領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)造出更大的效益。因此研究出更優(yōu)化的算法對藍牙自組網(wǎng)的應(yīng)用是非常有意義

12、的。1.2 課題國內(nèi)外現(xiàn)狀當(dāng)前幾種主要的無線技術(shù)包括無線lan（wlan）、無線個人區(qū)域網(wǎng)（pan）、無線廣域網(wǎng)（wan）及固定接入無線技術(shù) 。和有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較，無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的步伐要慢得多。然而，由于無線客戶的需求也在不斷增長，無線網(wǎng)絡(luò)正在加快步伐，為用戶提供移動性則是其首要目的 。它在許多領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用，如計算機、通信、汽車、醫(yī)療、軍事等具有藍牙功能的設(shè)備能組成一個不需額外網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在某個區(qū)域內(nèi)一起自主協(xié)調(diào)工作，相互間自由通信的獨立無線移動網(wǎng)絡(luò)，即無線自組網(wǎng)絡(luò)。藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，旨在建立低功耗、低成本、短距離、小型化的無線連接。藍牙（buetooth）

13、作在24ghz的ism頻段，全球大多數(shù)國家ism 頻段的范圍是2424835ghz。使用該頻段無需向各國的無線電資源管理部門申請許可證；可同時傳輸語音和數(shù)據(jù)；可建立臨時性的對等連接；具有很好的抗干擾能力；藍牙模塊體積很小，便于集成；具有開放的接口標(biāo)準(zhǔn)?；谒{牙的無線自組網(wǎng)絡(luò)是無線自組網(wǎng)絡(luò)中的一種，具有無線自組網(wǎng)絡(luò)的所有特點，又由于藍牙技術(shù)的特殊性，使基于藍牙的無線自組網(wǎng)具有了更多的優(yōu)越性。藍牙協(xié)議是基于嚴(yán)格的主-從結(jié)點架構(gòu)，即從結(jié)點設(shè)備間的通信必須借助主結(jié)點設(shè)備。雖然這種主-從結(jié)點模式比較簡單，但是這種模式加倍了主結(jié)點的帶寬，增加了從結(jié)點設(shè)備間的時延。1.3 本文的主要工作為了解決主-從結(jié)點模

14、式帶來的從結(jié)點間數(shù)據(jù)交換的諸多缺點，本文提出了動態(tài)頻道分配（dsa）和劃分微微網(wǎng)的方法。在動態(tài)頻道分配情況下，主結(jié)點動態(tài)地為從結(jié)點分配頻道來實現(xiàn)不經(jīng)過主結(jié)點，從結(jié)點間直接進行通信的目的，這個方法提高了服務(wù)質(zhì)量。為進一步拓寬動態(tài)頻道分配方法的應(yīng)用范圍，又提出了服務(wù)質(zhì)量自適應(yīng)動態(tài)頻道分配方法，這種方法又借助了了動態(tài)劃分微微網(wǎng)的方法。提出的這種方法在時延和最大吞吐量方面，極大的提高了藍牙性能，降低了網(wǎng)絡(luò)能量消耗。本文列出了動態(tài)頻道分配（dsa）的基本算法，并用matlab7.0進行了仿真，進一步驗證了該算法的優(yōu)越性。2 藍牙技術(shù)協(xié)議2.1藍牙技術(shù)概述2.1.1 藍牙技術(shù)特點 隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線

15、通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對于通信的要求已經(jīng)不僅僅滿足于簡單的實現(xiàn)異地的有線通信，而需要具有高靈活性和移動性的無線通信技術(shù)。根據(jù)使用環(huán)境和特點的不同，相繼出現(xiàn)了適用于大用戶量、全球范圍的移動語音和數(shù)據(jù)通信技術(shù)gprs(general packet radio service)、適用于辦公室中長距離網(wǎng)絡(luò)接入的ieee802.11無線以太網(wǎng)技術(shù)、適用于個人超短距離通信的紅外線技術(shù)。但是一直都缺少適用于中短距離、低功耗、低成本、高互操作性的無線技術(shù)。藍牙技術(shù)就是在這樣的背景下出現(xiàn)的。藍牙技術(shù)是一種中短距離無線射頻通信技術(shù)，省去了各種數(shù)字便攜設(shè)備之間需要經(jīng)過復(fù)雜的有線介質(zhì)連線和軟件安裝過程，使各種數(shù)字便

16、攜設(shè)備可以實現(xiàn)無縫連接，提高了不同便攜設(shè)備的移動性。藍牙技術(shù)并且具有如下的特點:藍牙技術(shù)的開放性;中短距離通信;無線連接性;藍牙產(chǎn)品的互操性和兼容性;傳輸語音和數(shù)字信息;安全無公害性;工作頻段的免費性;信息的安全性。2.1.2 藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 藍牙核心系統(tǒng)覆蓋了最低四層(射頻層、基帶層、鏈路管理層和l2cap層)和與其相關(guān)的服務(wù)層協(xié)議。核心系統(tǒng)架構(gòu)如圖2.1所示。最底三層有時作為一個子系統(tǒng)藍牙控制器。通常在藍牙控制器和l2cap及其它應(yīng)用層(即藍牙主機)之間是一個標(biāo)準(zhǔn)的物理通信界面，而該物理通信界面一般是可選的。該界面叫作主機控制界面(hci), hci層以下的叫做主控制器，hci層以上的叫

17、主機。藍牙核心系統(tǒng)通過各種接入點來提供設(shè)備管理服務(wù)、傳輸控制服務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)(圖中的橢圓形即為接入點)。下面對核心系統(tǒng)最低四層加以簡單說明。1) 射頻層:射頻塊主要在物理信道上可靠地傳送和接收符合要求的數(shù)據(jù)。2) 基帶層:對射頻塊的時間和頻率進行控制，傳輸符合基帶要求的數(shù)據(jù)流。3) 鏈路管理器層:鏈路管理器主要對與物理信道、邏輯傳輸和邏輯連接上所傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)載荷進行編碼和解碼。4) 邏輯鏈路控制與適配層:邏輯鏈路控制和適配層主要是進行流量控制和接收緩沖分 配。2.1.3 藍牙普通數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)通常藍牙數(shù)據(jù)包由信道接入碼、包頭、有效載荷頭、有效載荷和crc組成。有效載荷包括:lmp信息、l2ca

18、p信號、l2c”幀和其他用戶數(shù)據(jù);有效載荷頭攜帶邏輯連接標(biāo)示符;包頭攜帶邏輯傳輸標(biāo)示符;信道接入碼攜帶物理信道接入碼。載荷頭前面的保證時間和同步序列僅僅針對edr增強數(shù)據(jù)速率的，用來在物理層選擇調(diào)制方式。2.1.4 藍牙拓撲結(jié)構(gòu) 一個匹克網(wǎng)可以包括兩個或多個具有同樣物理信道(即具有同樣的跳頻序列和時鐘)的設(shè)備。不同匹克網(wǎng)具有不同的物理信道。通過時分復(fù)用，一個藍牙設(shè)備可以參與多個匹克網(wǎng)，但是它只能做一個匹克網(wǎng)的主設(shè)備，可以做多個匹克網(wǎng)的從設(shè)備。多個匹克網(wǎng)互相連接之后組成散射網(wǎng)。2.2藍牙無線射頻 藍牙無線射頻是藍牙中的最低層次，屬于藍牙技術(shù)的硬件接口，實現(xiàn)藍牙技術(shù)的空中物理接口，該層主要規(guī)定了藍

19、牙射頻信號的規(guī)格和參數(shù)，包括射頻信道的劃分、射頻的頻段分布、信號的調(diào)制方式等，這部分協(xié)議主要是由藍牙專用硬件電路來實現(xiàn)。2.2.1射頻頻段和物理信道 藍牙射頻工作在免費的2.4ghz ism頻段，這個頻段分布在2400mhz -2483.50mhz。在這個頻段劃出79個跳頻信道，每個信道帶寬為1 mhz。 藍牙底層收發(fā)器使用自適應(yīng)跳頻技術(shù)，高斯頻移鍵控(gfsk)和相移鍵控(psk)調(diào)制方式。采用gfsk調(diào)制方式時，藍牙的傳輸速率可達到1 m/s，使用psk調(diào)制方式藍牙的最大傳輸速率可達到3m/s。由于藍牙edr用相移鍵控(psk)調(diào)制方式取代標(biāo)準(zhǔn)傳輸率的高斯頻移鍵控(gfsk)，當(dāng)采用zr

20、/4-dqpsk進行調(diào)制時，數(shù)據(jù)速率可以提高到2m/s，當(dāng)采用8dpsk進行調(diào)制時，數(shù)據(jù)速率可以提高到3m/s，從而實現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。這樣在無線電鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包有效載荷的每一種符號能夠傳輸更多的位元。傳輸速率的增加意味著如果資料量不變，那么edr無線電發(fā)送數(shù)據(jù)的時間將減少為原來的1/2或者1/3，因而降低了功耗，也就增加了產(chǎn)品電池的使用時間。 藍牙射頻系統(tǒng)使用了時分雙工(tdd)工作方式，這樣信道從時間上被劃分為很多時隙。藍牙微微網(wǎng)中的設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備，其中，發(fā)起通信的設(shè)備稱為主設(shè)備，其他設(shè)備都是從設(shè)備。主設(shè)備在偶時隙發(fā)送，從設(shè)備在奇時隙發(fā)送。藍牙射頻的跳頻頻率是160

21、0 oh/秒，每個時隙的寬度是625us(1/1600秒)，藍牙射頻在指定時隙中其工作頻率是不變的，所有微網(wǎng)中的藍牙設(shè)備都與主設(shè)備的跳頻序列相同，如圖2.4所示。通常分組的傳輸是在一個時隙中完成，如果在一個時隙中無法完成全部數(shù)據(jù)的傳輸，也可以在3個時隙中完成傳輸，最多可以擴展到5個時隙，此時頻率保持不變，與第一個時隙的頻率相同。2.2.2射頻發(fā)射功率 藍牙技術(shù)作為一種使用在便攜式設(shè)備上的無線通信技術(shù)，應(yīng)用要求實際的電能消耗要盡可能低，還要可以根據(jù)實際通信環(huán)境動態(tài)調(diào)整功率消耗。藍牙的發(fā)射機提供了三個不同的功率等級: class 1:1mw(odbm)-100mw(2odbm) class 2:

22、0.25mw(-6dbm)-2.5mw(4dbm) class 3: 1mw(odbm)2.3基帶層協(xié)議 藍牙系統(tǒng)提供點對點和點對多點連接，在點對點連接中兩個設(shè)備共用同一個物理信道，在點對多點連接中，幾個藍牙設(shè)備共用一個物理信道。每一個匹克網(wǎng)中最多只能有七個處于激活態(tài)的從設(shè)備，其他的則只能處于休眠狀態(tài)，但是必須和主設(shè)備保持同步。有共同設(shè)備的匹克網(wǎng)叫做散射網(wǎng)。每個匹克網(wǎng)不應(yīng)該同步，有各自的跳頻序列。每個藍牙設(shè)備之間在空中以數(shù)據(jù)包的形式進行數(shù)據(jù)傳輸，而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包可以分為兩種:基本數(shù)據(jù)包和edr數(shù)據(jù)包。其中，基本數(shù)據(jù)包包括三個部分:識別碼、包頭和有效載荷。edr數(shù)據(jù)包包括識別碼、包頭、保護周期、同

23、步序列、有效載荷和尾。 每個藍牙設(shè)備都有一個全球唯一的48位地址，稱為藍牙設(shè)備地址(bd addr)。該地址是固化在藍牙物理硬件中的，藍牙設(shè)備地址分為3個段:24位低地址段(lap), 16位高地址段(uap)和4位未定義段。藍牙設(shè)備地址除可以唯一表示一個藍牙設(shè)備外，它與微網(wǎng)標(biāo)示、分組頭錯誤檢測、鑒權(quán)和加密字的產(chǎn)生有著密切的關(guān)系。另外每個藍牙設(shè)備應(yīng)該有一個本地藍牙時鐘以便和其他藍牙設(shè)備同步。2.3.1物理信道及物理鏈路 藍牙物理信道就是一些隨機的藍牙跳頻序列的聯(lián)合。每個匹克網(wǎng)通過自適應(yīng)跳頻技術(shù)選擇出自己的跳頻序列，每個匹克網(wǎng)之間具有不同的頻率，從而避免相互之間的干擾。 一個物理鏈路表現(xiàn)為兩個設(shè)

24、備之間的基帶連接，物理鏈路和物理信道是相關(guān)聯(lián)的，物理鏈路主要特性為:功率控制、鏈接管理、加密、以及數(shù)據(jù)傳輸速率的改變。2.3.2邏輯傳輸 在主設(shè)備和從設(shè)備之間可以有五種傳輸類型: sco(synchronous connection-oriented)邏輯傳輸; esco(extended synchronous connection-oriented)邏輯傳輸; acl(asynchronous connectionless)邏輯傳輸; asb(active slave broadcast)邏輯傳輸; psb(parked slave broadcast)邏輯傳輸. 同步面向連接邏輯傳輸是在

25、主從設(shè)備之間進行的點對點邏輯傳輸，它支持典型的時間有限制的信息，如語音和普通的同步數(shù)據(jù)，sco鏈路是在物理信道中的保留時隙上實現(xiàn)的。另外esco邏輯傳輸可以進行重發(fā)。 acl也是在主設(shè)備和從設(shè)備之間進行的點對點傳輸，在非sco鏈路保留時隙上工作的無連接鏈路。它是主從設(shè)備之間的分組交換式連接，acl鏈路主要用來傳輸數(shù)據(jù)信息。在一對主從設(shè)備之間最多只能支持一條acl鏈路，acl鏈路支持一個設(shè)備對多個設(shè)備的廣播。因為acl鏈路使用的無連接鏈路無法保證通信的可靠性，所以它支持重發(fā)分組的機制。 asb邏輯傳輸被主設(shè)備用來和處于激活態(tài)的從設(shè)備進行溝通。psb被主設(shè)備用來和處于休眠狀態(tài)的從設(shè)備進行溝通。2.

26、3.2.1邏輯傳輸?shù)刂?lt_addr) 在一個微微網(wǎng)中，主設(shè)備為每個活動從設(shè)備都分配一個3位的邏輯傳輸?shù)刂?lt addr )，所以一個微微網(wǎng)中最多可以有7個活動從設(shè)備，其中全0的活動成員地址用于進行廣播通信。當(dāng)微網(wǎng)主設(shè)備與從設(shè)備進行通信時就在分組中使用該地址來標(biāo)示從設(shè)備。2.3.2.2休眠成員地址(pm_addr) 當(dāng)微微網(wǎng)中的從設(shè)備進入休眠狀態(tài)時，主設(shè)備給該從設(shè)備分配一個8位的休眠地址(pm addr )，主設(shè)備就是通過該地址來區(qū)別休眠的從設(shè)備的，在一個微網(wǎng)中最多可以有256個休眠的從設(shè)備。2.3.2.3訪問請求地址(ar_addr) 當(dāng)從設(shè)備要從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為活動狀態(tài)時，從設(shè)備使用訪問請

27、求地址(ar addr)來確定從一主時隙和主設(shè)備保持同步。不同的從設(shè)備可以使用相同的訪問請求地址。2.3.3邏輯鏈接 總共定義了五種邏輯鏈接: lc(link control)，該邏輯鏈接攜帶低級別的控制信息，如arq、流控制和載荷描述等; acl-c(acl control)，該邏輯鏈接攜帶主設(shè)備和從設(shè)備鏈接管理器之間的交換控制信息; acl-u(user asynchronous/isochronous)，該邏輯鏈接攜帶l2cap異步和同步用戶數(shù)據(jù); sco-s(user synchronous)，該邏輯鏈接攜帶同步用戶數(shù)據(jù); e sco-s(user extended synchrono

28、us)，該邏輯鏈接攜帶擴展同步用戶數(shù)據(jù)2.3.4藍牙設(shè)備操作狀態(tài)及轉(zhuǎn)換藍牙操作狀態(tài)包括三種主狀態(tài):連接狀態(tài)(connected state)、待機狀態(tài)(standby state)和休眠狀態(tài)。還有7種子狀態(tài):呼叫(page)、呼叫掃描(page scan)、查詢(inquiry)、查詢掃描(inquiry scan)、主設(shè)備應(yīng)答(master response)、從設(shè)備應(yīng)答(slave response),查詢響應(yīng)(inquiry response)。主從設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要鏈路管理命令和鏈路管理器內(nèi)部信令的控制。圖2.7顯示了各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。從待機狀態(tài)到連接狀態(tài)，中間需要經(jīng)過查詢和呼叫狀

29、態(tài)。在查詢狀態(tài)下，主設(shè)備在其通信范圍之內(nèi)搜索其他設(shè)備的標(biāo)識，而從設(shè)備必須處于掃描狀態(tài)監(jiān)聽和響應(yīng)查詢:在呼叫狀態(tài)下，主設(shè)備對其通信范圍內(nèi)的指定設(shè)備進行呼叫操作，從設(shè)備必須處于呼叫掃描狀態(tài)。如果主設(shè)備己經(jīng)獲得了從設(shè)備的藍牙設(shè)備地址，主設(shè)備可以直接越過查詢狀態(tài)而直接進行呼叫操作。當(dāng)一個從設(shè)備不需要參與匹克網(wǎng)信道時，就進入休眠狀態(tài)。這時它就放棄了lt_addr接收主設(shè)備分配給它的pm addr。所有處于休眠狀態(tài)的從設(shè)備隔一定的時間間隔去監(jiān)聽主設(shè)備信道及廣播信息從而保持同步或被喚醒進入鏈接狀態(tài)。當(dāng)從設(shè)備要從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為連接狀態(tài)時，從設(shè)備使用訪問請求地址(ar addr )來確定從一主時隙和主設(shè)備保持同步

30、。2.4藍牙鏈路管理器協(xié)議lmp鏈路管理器協(xié)議是用來對鏈路進行設(shè)置和控制，包括對邏輯傳輸、邏輯連接和物理連接的控制，它和其他的協(xié)議層沒有直接的層次關(guān)系，如圖2.8所示。鏈路管理器則位于鏈路控制器之上，在兩個連接的設(shè)備之間傳遞鏈接管理器協(xié)議消息。在不同設(shè)備之間的鏈路管理器之間交換的鏈接管理器協(xié)議消息稱為鏈路管理器協(xié)議數(shù)據(jù)單元(lmt pdu )。鏈路管理器消息的優(yōu)先級要比用戶數(shù)據(jù)的優(yōu)先級高。2.4.1鏈路管理器協(xié)議單元格式lmp-pdu的格式如圖2.9所示。它由三部分組成:7位或15位的操作碼，表示不同類型的lmp-pdu: 1位事務(wù)id字段表示該lmp-pdu是由主設(shè)備還是從設(shè)備發(fā)出的。事務(wù)i

31、d為0表示它是由主設(shè)備發(fā)出的，事務(wù)id為1表示它是由從設(shè)備發(fā)出的:不定長的內(nèi)容字段包含了lmp-pdu的具體參數(shù)。根據(jù)操作碼的不同，藍牙lmp-pdu的分組類型有很多，整體上藍牙分組可以分為兩種類型:第一種類型要求發(fā)送方鏈路管理器發(fā)送請求消息初始化通信，而接收方鏈路管理器接受消息后，可以接受請求執(zhí)行要求的操作，或者拒絕消息請求并發(fā)送lmp-not-accepted分組，或者發(fā)送自己的請求消息進行協(xié)調(diào);第二種類型要求發(fā)送方鏈路管理器發(fā)送請求消息，接受方鏈路管理器必須接受請求，并按請求操作。2.4.2 lmp建立連接的進程lmp層發(fā)出協(xié)議指令后，由基帶層內(nèi)acl-c鏈路包內(nèi)的有效載荷負責(zé)運送傳遞，

32、當(dāng)接收的基帶層收到這些包后，解析有效載荷包頭的l_ch。如果l_ch=11,代表包傳遞的是lmp數(shù)據(jù)，傳遞lmp數(shù)據(jù)包比傳遞l2cap包有更高的優(yōu)先權(quán)，通常以lmp為開頭的信號指令表示該包是lmp發(fā)送的指令。藍牙系統(tǒng)中建立lmp連接的過程如圖2.10所示，從圖中可以看出，當(dāng)主從單元各送出id包與fhs包完成時序的同步后，進入連接狀態(tài)，接著繼續(xù)由lmp層建立連接，其過程是由主單元發(fā)出lmphost connect request，若從單元上的lmp層接收則響應(yīng)lmp一ccepted;若從單元上的lmp層拒絕主單元的請求則響應(yīng)lmp_not accepted。發(fā)出響應(yīng)的從單元，詢問主單元是否需要進

33、行主從角色切換，再交換一些額外信號(additional transcation )，最后建立lmp層的連接(lmp_setup complete)。此時主從單元雙方都不知道彼此提供的服務(wù)，直到雙方打開sdp協(xié)議后才能各自發(fā)現(xiàn)各自提供的服務(wù)種類。2.4.3鏈路管理器完成的主要功能2.4.3.1安全管理安全性主要由基帶來保證?；鶐Фx了一套數(shù)據(jù)加密和設(shè)備鑒權(quán)的算法以及相應(yīng)的硬件裝置。設(shè)備之間的鏈路配置也和安全密切相關(guān)，鏈路的連接在配置過程中都涉及到安全問題。鏈路的配置主要由鏈路管理器來完成。設(shè)備鑒權(quán)是強制性的，所有藍牙設(shè)備都要支持鑒權(quán)過程，而加密則是可選的。2.4.3.2 操作模式管理因為藍牙設(shè)

34、備一般都是低功耗的便攜設(shè)備，所以藍牙協(xié)議應(yīng)該具有良好的功率管理功能。而藍牙的不同操作模式正是解決功率消耗問題的最佳途徑。藍牙的操作模式可以分為3種：1) 保持模式(hold mode):當(dāng)主從設(shè)備在一段時間沒有acl數(shù)據(jù)要發(fā)送時，主設(shè)備可 以要求從設(shè)備進入此模式，從設(shè)備將關(guān)閉收發(fā)機，并定時激活鏈路。2) 呼吸模式(sniff mode):處于呼吸模式下的從設(shè)備，降低從微微網(wǎng)監(jiān)聽消息的速率，呼吸間隔可以根據(jù)應(yīng)用做動態(tài)調(diào)整。3) 休眠模式(park mode):當(dāng)從設(shè)備不需要進入傳輸信道，但還要保持跳頻同步時，可以將這個從設(shè)備設(shè)置為休眠模式，在這種模式下藍牙設(shè)備將放棄活動成員地址(lm addr)

35、。2.4.3.3 帶寬控制藍牙鏈路控制器可以使用不同的方式來管理設(shè)備之間的帶寬分配，sco鏈路是高優(yōu)先級的鏈路，可以提供電話級的語音通信服務(wù)，為了提高傳輸線路的利用率，提高acl鏈路上所支持的帶寬，不同的通信設(shè)備可以協(xié)商對基帶數(shù)據(jù)分組的使用，通過lmp-pdu可以設(shè)置通信雙方的參數(shù)。2.4.3.4鏈路控制器管理鏈路管理器可以實現(xiàn)對通信雙方的鏈路控制器和基帶的工作參數(shù)的協(xié)商和設(shè)置。包括對呼叫參數(shù)的設(shè)置、主從設(shè)備之間角色的切換、工作時鐘和時間信息的交換、特性信息的交換，高層邏輯連接的建立和斷開(并非底層物理連接的建立)。2.5邏輯鏈路控制和適配協(xié)議l2cap2.5.1 l2cap概述邏輯鏈路控制和

36、適配協(xié)議(l2cap,logical link control and adaption protocol)基于基帶協(xié)議，位于數(shù)據(jù)鏈路層。l2cap通過協(xié)議多路復(fù)用、分段重組操作和組概念，為高層提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務(wù)。l2c”使用基帶協(xié)議中的acl鏈路，并由基帶協(xié)議來保證傳輸數(shù)據(jù)的完整性。l2cap允許高層協(xié)議和應(yīng)用傳輸接受長達64kb的l2cap數(shù)據(jù)分組。2.5.2 l2cap特征功能1) 協(xié)議復(fù)用因為l2cap要向不同的高層應(yīng)用協(xié)議提供服務(wù)，而基帶協(xié)議不支持任何“類型”字段，無法區(qū)分高層協(xié)議。所以它必須支持協(xié)議復(fù)用，進行上層數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚伞?) 分段重組基帶協(xié)議所能傳輸?shù)姆纸M的長度

37、是有限的，而高層協(xié)議所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度可能要很長，所以l2cap必須把高層協(xié)議的長數(shù)據(jù)分段為較小的基帶分組來發(fā)送，而接受方的l2cap層也相應(yīng)的要將基帶層提供的小分組重組還原為原來較大的高層分組。3) 信道流控l2cap對上層應(yīng)用提供流控服務(wù)，而這種流控是基于窗口機制的。當(dāng)幾個數(shù)據(jù)流在同一個l2cap邏輯連接上傳輸時，它們使用各自的l2cap信道，每個信道可以要求單獨的流控制。4) 組管理在藍牙的高層和底層協(xié)議中都支持組的概念，為了將高層組映射到底層的組，l2cap提供了對于組的管理。5) 錯誤控制和重傳有些應(yīng)用要求比基帶提供的更低的rea(殘余錯誤率)，l2cap包括可選的l2cap pdu

38、錯誤校核和重傳機制。基帶錯誤校核失敗之后，l2cap再次進行錯誤校核，從而降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤率。而重傳則對校核出錯和丟失的數(shù)據(jù)包進行重新傳輸，增加了數(shù)據(jù)的安全性。6) 服務(wù)質(zhì)量l2cap連接建立過程，允許交換有關(guān)兩個藍牙單元之間服務(wù)質(zhì)量的信息。每個l2cap設(shè)備必須監(jiān)視由協(xié)議使用的資源并保證服務(wù)質(zhì)量的完整實現(xiàn)。2.5.3 狀態(tài)機藍牙協(xié)議中為不同層次的協(xié)議規(guī)定了不同的狀態(tài)、引起狀態(tài)改變的事件和響應(yīng)事件的動作，這樣就形成了狀態(tài)機，這種狀態(tài)機只用來描述面向連接雙向信道。狀態(tài)機中事件和動作的命名規(guī)則為:垂直方向協(xié)議層之間的接口使用為高層提供服務(wù)的低層服務(wù)協(xié)議的前綴，例如“l(fā)2ca;水平方向上的相同層

39、次的實體之間的接口使用協(xié)議作為前綴，例如“l(fā)2cap 。在垂直方向上，從上層傳來的事件稱為請求(req )，相應(yīng)的低層返回的應(yīng)答稱為確認(cfin);從低層傳來的事件稱為指示(hid)，相應(yīng)的應(yīng)答稱為響應(yīng)(rsp )，進一步處理過程的應(yīng)答稱為中間應(yīng)答(pnd);如果要表示否定應(yīng)答，可以在前述的事件后加否定后綴(neq )。圖2.11使用報文序列圖(msc)來解釋了l2cap事件的正常序列。兩條外部直線表示發(fā)起方和接受方之間的l2ca接口。l2ca接口的請求指令將導(dǎo)致發(fā)出協(xié)議定義的請求。當(dāng)協(xié)議向接受者傳遞請求時，遠程l2ca實體將向上層協(xié)議發(fā)送指令。當(dāng)接受方的上層協(xié)議應(yīng)答時，應(yīng)答將由協(xié)議打包并發(fā)

40、回發(fā)起方。最后再用確認報文把結(jié)果發(fā)回發(fā)起方的上層協(xié)議4。2.5.4 l2cap分組格式l2cap支持面向連接、無連接信道和信令信道，它們使用不同的分組格式。2.5.4.1面向連接信道l2cap面向連接的信道是雙向的。1) 長度字段:16位，指示有效載荷的長度;2) cid信道標(biāo)識符字段:16位，指示分組的目的cid;3) 有效載荷:065535字節(jié)可變長，承載上層發(fā)送到下層或下層發(fā)送到上層的數(shù)據(jù)。2.5.4.2無連接信道l2cap無連接信道是單向的，提供到組的邏輯連接，其分組格式如圖2.13所1) 長度字段:16位，指示psm字段和有效載荷長度之和;2) cid信道字段:16位，指示分組的目的

41、cid;3) 協(xié)切復(fù)用psm字段:最小16位，分為2部分，4) 有效載荷:065535字節(jié)可變長，承載上層數(shù)據(jù)。2.5.4.3信令信道l2cap的信令信道是為了在不同設(shè)備的l2cap層傳輸信令。它們是發(fā)送到cidox00001的雙向通道。在一個信令信道分組中可以傳送多個指令，分組格式如圖2.14所示。1) 長度字段:16位，指示所有指令的長度之和。2) cid信道標(biāo)識符字段:16位，指示信令信道cid，必須為000013) 代碼字段:8位，用于指示指令類型。4) 標(biāo)識符:8位，用于請求與響應(yīng)的匹配，請求設(shè)備設(shè)置，響應(yīng)設(shè)備在回復(fù)中使用相同的值表示響應(yīng)。5) 指令長度:16位，表示指令數(shù)據(jù)字段的長

42、度。6) 指令數(shù)據(jù):變長，根據(jù)代碼段的類型來決定具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容。26服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議服務(wù)發(fā)現(xiàn)(service discovery)是對網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備或服務(wù)進行定位，獲得使用設(shè)備或服務(wù)所必要的信息。在藍牙微微網(wǎng)環(huán)境下服務(wù)發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的服務(wù)發(fā)現(xiàn)有很大的不同，傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，服務(wù)信息比較集中地存放在中央信息設(shè)備上，同時服務(wù)的信息基本沒有變化。而藍牙微微網(wǎng)環(huán)境下，設(shè)備有很強的移動性，服務(wù)的參數(shù)也在不斷地變化，這就要求設(shè)備服務(wù)信息應(yīng)該是分布式地存放在不同的設(shè)備上，任何需要服務(wù)的設(shè)備可以從不固定的位置獲得其需要的服務(wù)信息。sdp協(xié)議工作在l2cap層之上，它使用l2cap提供的連接服務(wù)，同時為上

43、層其他高層應(yīng)用提供服務(wù)，但是sdp與其他高層應(yīng)用沒有直接的層次應(yīng)用。2.6.1服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議概述藍牙服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(service discovery protocol)采用客戶/服務(wù)器模式工作。sdp工作模式包含sdp客戶機和sdp服務(wù)器。sdp客戶機可以從sdp服務(wù)器上獲得服務(wù)的屬性信息如圖2.15所示。sdp服務(wù)器維護著描述服務(wù)屬性的服務(wù)記錄，這些服務(wù)記錄組成服務(wù)注冊表。一條服務(wù)記錄可以包含多個服務(wù)屬性。一個藍牙設(shè)備最多可以有一個sdp服務(wù)器，但是可以同時有多個服務(wù)，如果一個藍牙設(shè)備只充當(dāng)客戶的話，那么該藍牙設(shè)備將不需要建立sdp服務(wù)器。單個藍牙設(shè)備可以既是sdp客戶機，又是sdp服務(wù)器。2

44、.6.2服務(wù)記錄和服務(wù)屬性在一個sdp服務(wù)器上存在一個服務(wù)注冊表51，在該服務(wù)注冊表中，sdp服務(wù)器為每個運行在本地藍牙設(shè)備上的服務(wù)維護一條服務(wù)記錄，服務(wù)記錄包括了該服務(wù)的所有信息。一條服務(wù)記錄由多個服務(wù)屬性id/服務(wù)屬性值對組成。sdp服務(wù)器可以保證在保持l2cap連接過程中，所有的服務(wù)記錄都保持不變。服務(wù)記錄句柄是一個專門用來唯一標(biāo)示sdp服務(wù)器內(nèi)每一服務(wù)記錄的32位的值。當(dāng)向sdp服務(wù)器增加或刪除服務(wù)記錄時，服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議并不提供通知客戶的機制。當(dāng)與服務(wù)器建立一條l2cap連接時，從服務(wù)器獲取的服務(wù)記錄句柄將保持有效，除非它所代表的服務(wù)記錄被刪除。sdp服務(wù)器應(yīng)確保在保持l2cap連接期間

45、，不會重用任何服務(wù)記錄句柄。服務(wù)屬性用于描述某一服務(wù)的一個特征。sdp定義了一些標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)屬性，用戶也可以定義自己的服務(wù)屬性。服務(wù)注冊表中的每條服務(wù)記錄可以由多個服務(wù)屬性組成，每個服務(wù)屬性都由一個服務(wù)屬性id和相應(yīng)的服務(wù)屬性值組成。如圖2.16所示。服務(wù)屬性id是一個16位的無符號整數(shù)，服務(wù)屬性id標(biāo)識了屬性值的含義，所以服務(wù)屬性id應(yīng)該是局部唯一的，也就是說在不同的服務(wù)記錄中，服務(wù)屬性id是可以相同的，但在同一服務(wù)記錄中絕對不能相同。屬性值是長度可變的字段升其含義由相應(yīng)的屬性d決定，它是以數(shù)據(jù)元的形式表示的。sdp客戶機在進行服務(wù)搜索時，首先以sdp分組的格式發(fā)送請求，在分組中說明要搜索的服務(wù)

46、，服務(wù)器在響應(yīng)請求時，將符合條件的服務(wù)記錄和屬性返回給客戶機。sdp協(xié)議規(guī)定在進行服務(wù)搜索時只能使用屬性值是quid的屬性作為搜索依據(jù)，一個uuid (universally unique identifier)是一個全球唯一的通用定位符，不需要中心注冊機構(gòu)統(tǒng)一管理。它的長度是128位，為了降低存儲和傳輸128數(shù)據(jù)的負擔(dān)，藍牙標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定預(yù)分配了一個通用藍牙基本uuid(0x00000000-0000-1000-8000-00805f9b34fb )，對應(yīng)這個預(yù)定義的uuid，可以有16位或32位的quid別名，但是他們代表的還是128位的uuid，其轉(zhuǎn)換方法為:完整的uuid=16位別名x 296+128位藍牙基本uuid完整的uuid=32位別名x 296+128位藍牙基本uuid2.6.3服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式sdp傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，它使用請求/響應(yīng)模式進行通信。每一處理事物都由一個請求協(xié)議數(shù)據(jù)單元和一個響應(yīng)協(xié)議數(shù)據(jù)單元組成。請求和響應(yīng)都可以不按順序傳輸。在服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議使用l2cap傳輸協(xié)議的特定情況下，可以在一個l2cap分組中傳輸多個sdp pdu，在每一連接上只能發(fā)送一個這樣的l2cap給指定sdp服務(wù)器。限制sdp發(fā)送確認分組成為流控制形式的一種。sd