論述藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理分析資料

1、論述藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理分析            摘要：對(duì)藍(lán)牙協(xié)議體系中的基帶數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理進(jìn)行分析，為進(jìn)一步對(duì)藍(lán)牙技術(shù)做全面深入的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在介紹了基本概念的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)藍(lán)牙設(shè)備連接、數(shù)據(jù)傳輸和安全機(jī)制等內(nèi)容做了分析和討論。 關(guān)鍵詞：藍(lán)牙 基帶數(shù)據(jù)傳輸 設(shè)備連接藍(lán)牙（Bluetooth）是一種新型、開(kāi)放、低成本、短距離的無(wú)線連接接技術(shù)，可取代短距離的電纜，實(shí)現(xiàn)話(huà)音和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。這種有效、廉價(jià)的無(wú)線連接技術(shù)可以方便地將計(jì)算機(jī)及外設(shè)、移動(dòng)電話(huà)、掌上電腦、信息

2、家電等設(shè)備連接起來(lái)，在它可達(dá)到的范圍內(nèi)使各種信息化移動(dòng)便攜設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫資源共享，還可通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless LAN）與Internet連接，實(shí)現(xiàn)多媒體信息的無(wú)線傳輸。藍(lán)牙系統(tǒng)采用分散式（Scatter）結(jié)構(gòu)，設(shè)備間以及從方式構(gòu)成微微網(wǎng)（Piconet），支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。它采用GFSK調(diào)制，抗干擾性能好，通過(guò)快速跳頻和短包技術(shù)來(lái)減少同頻干擾，保證傳輸?shù)目煽啃浴Ｊ褂玫念l段為無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可的2.4GHz的ISM頻段。藍(lán)牙協(xié)議從協(xié)議來(lái)源大致分為四部分：核心協(xié)議、電纜替代協(xié)議（RECOMM）、電路控制協(xié)議和選用協(xié)議。其中核心協(xié)議是藍(lán)牙專(zhuān)利協(xié)議，完全由藍(lán)牙SIG開(kāi)發(fā)，包括基帶協(xié)議（B

3、B）、連接管理協(xié)議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）以及服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）。藍(lán)牙協(xié)議從體系結(jié)構(gòu)又可分為底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應(yīng)用層三大部分，其中鏈路管理層（LM）、基帶(BB)和射頻層（RF）構(gòu)成藍(lán)牙的底層模塊。由此可見(jiàn)，基帶層是藍(lán)牙協(xié)議的重要組成部分。本文主要對(duì)藍(lán)牙技術(shù)中最重要的基帶數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理進(jìn)行分析。1 基帶協(xié)議概述圖1給出藍(lán)牙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在藍(lán)牙系統(tǒng)中，使用藍(lán)牙技術(shù)將設(shè)備連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)作微微網(wǎng)（Piconet），它由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)（Master Unit）和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)(Slave Unit)構(gòu)成。主節(jié)點(diǎn)是微微網(wǎng)中用來(lái)同步其他節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙設(shè)備，是連接過(guò)程的發(fā)起者，

4、最多可與7個(gè)從節(jié)點(diǎn)同時(shí)維持連接。從節(jié)點(diǎn)是微微網(wǎng)中除主節(jié)點(diǎn)外的設(shè)備。兩個(gè)或多個(gè)微微網(wǎng)可以連接組成散射網(wǎng)（Scatternet）。圖2給出藍(lán)牙協(xié)議結(jié)構(gòu)示意圖。基帶層位于藍(lán)牙協(xié)議棧的藍(lán)牙射頻之上，并與射頻層一起構(gòu)成藍(lán)牙的物理層。從本質(zhì)上說(shuō)，它作為一個(gè)鏈接控制器，描述了基帶鏈路控制器的數(shù)字信號(hào)處理規(guī)范，并與鏈路管理器協(xié)同工作，負(fù)責(zé)執(zhí)行象連接建立和功率控制等鏈路層的，如圖3所示?；鶐瞻l(fā)器在跳頻（頻分）的同時(shí)將時(shí)間劃分（時(shí)分），采用時(shí)分雙工（TDD）工作方式（交替發(fā)送和接收），基帶負(fù)責(zé)把數(shù)字信號(hào)寫(xiě)入并從收發(fā)器中讀入數(shù)據(jù)。主要管理物理信道和鏈接，負(fù)責(zé)跳頻選擇和藍(lán)牙數(shù)據(jù)及信息幀的傳輸、象誤碼糾錯(cuò)、數(shù)據(jù)白化、

5、藍(lán)牙安全等?；鶐б补芾硗胶彤惒芥溄?，處理分組包，執(zhí)行尋呼、查詢(xún)來(lái)訪及獲取藍(lán)牙設(shè)備等。在藍(lán)牙基帶協(xié)議中規(guī)定，藍(lán)牙設(shè)備可以使用4種類(lèi)型的地址用于同場(chǎng)合和狀態(tài)。其中，48位的藍(lán)牙設(shè)備地址BD_ADDR（IEEE802標(biāo)準(zhǔn)），是藍(lán)牙設(shè)備連接過(guò)程的唯一標(biāo)準(zhǔn)；3位的微微網(wǎng)激活節(jié)點(diǎn)地址AM_ADDR，用以標(biāo)識(shí)微微網(wǎng)中激活成員，該地址3位全用作廣播信息；8位的微微網(wǎng)休眠節(jié)點(diǎn)地址PM_ADDR，用以標(biāo)識(shí)微微網(wǎng)中休眠的從節(jié)點(diǎn)。微微網(wǎng)接入地址AR_ADDR，分配給微微網(wǎng)中要啟動(dòng)喚醒過(guò)程的從節(jié)點(diǎn)。當(dāng)微微網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，彼此必須保持同步。同步所采用的時(shí)鐘包括自身不調(diào)整也不關(guān)閉的本地設(shè)備時(shí)鐘CLKN，微微網(wǎng)中主節(jié)點(diǎn)的

6、系統(tǒng)時(shí)鐘CLK以及為主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘對(duì)從節(jié)點(diǎn)本地設(shè)備時(shí)鐘進(jìn)行周期更新以保持主從同步的補(bǔ)償時(shí)鐘CLKE。1 2 3 4 下一頁(yè)         與其它無(wú)線技術(shù)一樣，藍(lán)牙技術(shù)中微微網(wǎng)通過(guò)使用各種信道來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。其中，物理信道表示在79個(gè)或者23個(gè)射頻信道上跳變的偽隨機(jī)跳頻序列，每個(gè)微微網(wǎng)的跳頻序列是唯一的，并且由主節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙設(shè)備地址決定；此外，藍(lán)牙有5種傳送不同類(lèi)型信息的邏輯信道，它們分別為：(1) LC信道：控制信道，用來(lái)傳送鏈路層控制信息；(2) LMC信道：鏈接管理信道

7、，用在鏈路層傳送鏈接管理信息；(3) UA信道：用戶(hù)信道，用來(lái)傳送異步的用戶(hù)信息；(4) UI信道：用戶(hù)信道，用來(lái)傳送等時(shí)的用戶(hù)信息；(5) US信道：用戶(hù)信道，用來(lái)傳送同步的用戶(hù)信息。在藍(lán)牙系統(tǒng)中，主從節(jié)點(diǎn)以時(shí)分雙工（TDD）機(jī)制輪流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，在信道上又可劃分為長(zhǎng)度為625s的時(shí)隙（Time Slot），并以微微網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘進(jìn)行編號(hào)(0-2 27-1)，主從節(jié)點(diǎn)分別在奇、偶時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。2 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸藍(lán)牙支持電路和分組交換，數(shù)據(jù)以分組形式在信道中傳輸，并使用流控制來(lái)避免分組丟失和擁塞。為確保分組包數(shù)據(jù)正確傳輸，還進(jìn)行數(shù)據(jù)的白化和糾錯(cuò)，下面分別對(duì)這些傳輸機(jī)制進(jìn)行分析。2.1 藍(lán)

8、牙分組分組包數(shù)據(jù)可以包含話(huà)音、數(shù)據(jù)或兩者兼有。分組包可以占用多個(gè)時(shí)隙（多時(shí)隙分組）并且可以在下一個(gè)時(shí)隙繼續(xù)發(fā)送，凈荷(Payload)也帶有16位的錯(cuò)誤校驗(yàn)識(shí)別和校驗(yàn)（CRC）。有5種普通的分組類(lèi)型，4個(gè)SCO分組包和7個(gè)ACL分組包。一般分組包格式如圖4。圖3 基帶層抽象其中，接入碼(Access code)用來(lái)定時(shí)同步、偏移補(bǔ)償、尋呼和查詢(xún)。藍(lán)牙中有三種不同類(lèi)型的接入碼：(1) 信道接入碼（CAC）：用來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)微微網(wǎng)；(2) 設(shè)備接入碼（DAC）：用作設(shè)備尋呼和它的響應(yīng)；(3) 查詢(xún)接入碼（IAC）：用作設(shè)備查詢(xún)目的。分組頭（Header）包含6個(gè)字段，用于鏈路控制。其中AM_ADDR是

9、激活成員地址，TYPE指明分組類(lèi)型，F(xiàn)LOW用于ACL流量控制位，ARQN是分組包確認(rèn)標(biāo)識(shí)，SEQN用于分組重排的分組編號(hào)，HEC對(duì)分組頭進(jìn)行驗(yàn)。藍(lán)牙使用快速、不編號(hào)的分組包確認(rèn)方式，通過(guò)設(shè)置合適的ARQN值來(lái)區(qū)別確定是否接收到數(shù)據(jù)分組包。如果超時(shí)，則忽略這個(gè)分組包，繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)。2.2 鏈接及流控制藍(lán)牙定義了兩種鏈路類(lèi)型，即面向連接的同步鏈路（SCO）和面向無(wú)連接的異步鏈路（ACL）。SCO鏈接是一個(gè)對(duì)稱(chēng)的主從節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的同步鏈接，在預(yù)留的時(shí)間里發(fā)送SCO分組，屬于電路交換，主要攜帶話(huà)音信息。主節(jié)點(diǎn)可同時(shí)支持3個(gè)SCO鏈接，從節(jié)點(diǎn)可同時(shí)支持23個(gè)鏈接SCO，SCO分組包不支持重傳。SC

10、O鏈路通過(guò)主節(jié)點(diǎn)LMP發(fā)送一個(gè)SCO建立消息來(lái)建立，該消息包含定時(shí)參數(shù)（Tsco和Dsco）。ACL鏈接是為匹克網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有為SCO鏈接保留的時(shí)隙中，提供可以與任何從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行異步或同步數(shù)據(jù)交換的機(jī)制。一對(duì)主從節(jié)點(diǎn)只可以維持一個(gè)ACL鏈接。使用多個(gè)ACL分組時(shí)，藍(lán)牙采用分組包重發(fā)機(jī)制來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整性。ACL分組不指定確定從節(jié)點(diǎn)時(shí)，被認(rèn)為是廣播分組，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)都接收這個(gè)分組。藍(lán)牙建議使用FIFO（先進(jìn)先出）隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)ACL和SCO鏈接的發(fā)送和接收，鏈接管理器負(fù)責(zé)填充這些隊(duì)列，而鏈接控制器負(fù)責(zé)自動(dòng)清空隊(duì)列。接收FIFO隊(duì)列已滿(mǎn)時(shí)則使用流控制來(lái)避免分組丟失和擁塞。如果不能接收到數(shù)據(jù)，接收者的鏈接控

11、制器發(fā)送一個(gè)STOP指令，并插入到返回的分組頭（Header）中，并且FLOW位置1。當(dāng)發(fā)送者接收到STOP指示，就凍結(jié)它的FIFO隊(duì)列停止發(fā)送。如果接收器已準(zhǔn)備好，發(fā)送一個(gè)GO分組給發(fā)送方重新恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)LOW位置0。2.3 數(shù)據(jù)同步、擾碼和糾錯(cuò)由于藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送器采用時(shí)分雙工（TDD）工作機(jī)制，它必須以一種上一頁(yè)  1 2 3 4 下一頁(yè)         同步的方式來(lái)交替發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。微微網(wǎng)通過(guò)主節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，并決定其跳頻序列中的相位。

12、在微微網(wǎng)建立時(shí)，主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘傳送給從節(jié)點(diǎn)，每個(gè)從點(diǎn)節(jié)給自己的本地時(shí)鐘加上一個(gè)偏移量，實(shí)現(xiàn)與主節(jié)點(diǎn)的同步。在微微同生存期內(nèi)，主節(jié)點(diǎn)不會(huì)調(diào)整自己的系統(tǒng)時(shí)鐘。為了與主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘匹配，從節(jié)點(diǎn)會(huì)偏移量進(jìn)行周期的更新。藍(lán)牙時(shí)鐘應(yīng)該至少具有312s的分首辨率。主節(jié)點(diǎn)分組發(fā)送的平均定時(shí)與理想的625ms時(shí)隙相比，偏移不不能超過(guò)20ppm，抖動(dòng)（Jitter）應(yīng)該少于1ms。在分組數(shù)據(jù)送出去并且在FEC編碼之前，分組頭和凈荷要進(jìn)行擾碼，使分組包隨機(jī)化。接收數(shù)據(jù)分組包時(shí)，使用盯同的白化字進(jìn)行去擾處理。為了提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性及系統(tǒng)抗干擾性，藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制采用三種糾錯(cuò)方式：1/3率FEC編碼方式（即每一數(shù)據(jù)位重復(fù)3

13、次）、冗余2/3率FEC編碼方式（即用一個(gè)多項(xiàng)式發(fā)生器把10位碼編碼成15位碼）以及數(shù)據(jù)自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)方式（即發(fā)送方在收到接收方確認(rèn)消息之前一直重發(fā)數(shù)據(jù)包，直到超時(shí)）。圖4 藍(lán)牙分組包格式3 藍(lán)牙設(shè)備連接藍(lán)牙鏈接控制器工作在兩種主要狀態(tài)：待令（Standby）和連接（Connection）。在藍(lán)牙設(shè)備中，Standby是缺省的低功率狀態(tài)，只運(yùn)行本地時(shí)鐘且不與任何其他設(shè)備交互。在連接狀態(tài)，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)能交換分組包進(jìn)行通信，所以要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備之間的互相，彼此必須先建立連接。由于藍(lán)牙使用的ISM頻帶是對(duì)所有無(wú)線電系統(tǒng)都開(kāi)放的頻帶，會(huì)遇到各種各樣的干擾源，所以藍(lán)牙采用分組包快速確認(rèn)技術(shù)和跳頻方案來(lái)確保

14、鏈路和信道的穩(wěn)定。在建立連接和通信過(guò)程中使用跳頻序列作為物理信道，跳頻選擇就是選擇通信的信道。3.1 跳頻選擇跳頻技術(shù)把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道（Hop Channel）。無(wú)線電收發(fā)器按一定的碼序列（以產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方式）不斷地從一個(gè)信道跳到另一個(gè)信道，并且收發(fā)雙方都按這個(gè)規(guī)律才能通信并同步。跳頻的瞬時(shí)帶寬很窄，通過(guò)擴(kuò)頻技術(shù)展成寬頻帶，使干擾的影響最小。當(dāng)一個(gè)設(shè)備被激活時(shí)，該設(shè)備被分配32個(gè)跳頻頻點(diǎn)，以后該設(shè)備就在這些跳頻點(diǎn)上接收和發(fā)送信息。通用跳頻選擇方案由兩部分組成，即選擇一個(gè)序列并在跳頻頻點(diǎn)上映射該序列。對(duì)于每一情況，都需要從-主和主-從兩種跳頻序列。藍(lán)牙系統(tǒng)中使用的跳頻序列有如下幾種：(1

15、) 呼叫跳頻序列：在呼叫（Page）狀態(tài)使用；(2) 呼叫應(yīng)答序列：在呼叫應(yīng)答（Page Response）狀態(tài)使用；(3) 查詢(xún)序列：在查詢(xún)（Inquiry）狀態(tài)使用；(4) 查詢(xún)應(yīng)答序列：在查詢(xún)應(yīng)答（Inquiry Response）狀態(tài)使用；(5) 信道跳頻序列：在連接（Connection）狀態(tài)使用。3.2 藍(lán)牙連接建立從待令狀態(tài)到連接狀態(tài)的過(guò)程就是連接建立過(guò)程。通常來(lái)講，兩個(gè)設(shè)備的連接建立過(guò)程如下：首先，主節(jié)點(diǎn)使用GIAC和DIAC來(lái)查詢(xún)范圍內(nèi)的藍(lán)牙設(shè)備（查詢(xún)狀態(tài)）。如果任何附近的藍(lán)牙設(shè)備正在*這些查詢(xún)（查詢(xún)掃描狀態(tài)），就發(fā)送它的地址和時(shí)鐘信息后，從節(jié)點(diǎn)可以開(kāi)始*來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的尋呼消息

16、（尋呼掃描），主節(jié)點(diǎn)在發(fā)現(xiàn)附近的設(shè)備之間可以尋呼這些設(shè)備（尋呼狀態(tài)），建立鏈接。在尋呼掃描的從設(shè)備被這個(gè)主節(jié)點(diǎn)尋呼后，就會(huì)以DAC（設(shè)備訪問(wèn)碼）來(lái)響應(yīng)（Slave response substate）。主節(jié)點(diǎn)在接收到從節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)后，便可以以送主節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、BD_ADDR、BCH奇偶位和設(shè)備類(lèi)（FHS分組包），最后在從節(jié)點(diǎn)已經(jīng)接收到這個(gè)FHS分組之后，進(jìn)入連接狀態(tài)。具體過(guò)程如圖5。由圖5可見(jiàn)，在藍(lán)牙連接建立的呼個(gè)不同階段，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)分別處于不同的狀態(tài)，這些狀態(tài)包括：查詢(xún)（Inquiry）：查詢(xún)是主節(jié)點(diǎn)用來(lái)查找可監(jiān)視區(qū)域中的藍(lán)牙設(shè)備，以便通過(guò)收集來(lái)自從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)查詢(xún)消息中得到該節(jié)點(diǎn)的設(shè)備地址

17、和時(shí)鐘，查詢(xún)過(guò)程使用IAC；查詢(xún)掃描（Inquiry Scan）：藍(lán)牙設(shè)備周期地*來(lái)自其他設(shè)備的查詢(xún)消息，以便自己能被發(fā)現(xiàn)。掃描過(guò)程中，設(shè)備可以*普通查詢(xún)接入碼（GIAC）和特定查詢(xún)接入碼（DIAC）；查詢(xún)響應(yīng)（Inqui上一頁(yè)  1 2 3 4 下一頁(yè)         ry response）：從節(jié)點(diǎn)以FHS分組響應(yīng)查詢(xún)消息，它攜帶從節(jié)點(diǎn)的DAC、本地時(shí)鐘等信息；尋呼（Page）：主節(jié)點(diǎn)通過(guò)在不同的跳頻序列發(fā)送消息，來(lái)激活一個(gè)從節(jié)點(diǎn)并建立連接，尋呼過(guò)程使

18、用DAC；尋呼掃描（Page Scan）：從節(jié)點(diǎn)周期性地在掃描窗間隔時(shí)間內(nèi)喚醒自己，并*自己的DAC，從節(jié)點(diǎn)每隔1.28s在這個(gè)掃描窗上根據(jù)尋呼跳頻序列選擇一個(gè)掃描頻率；從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)（Slave Response）：從節(jié)點(diǎn)在尋呼掃描狀態(tài)收到主節(jié)點(diǎn)對(duì)自己的尋呼消息即進(jìn)入響應(yīng)狀態(tài)，響應(yīng)主設(shè)備的尋呼消息；主節(jié)點(diǎn)響應(yīng)（Master Response）：主節(jié)點(diǎn)在接收到從節(jié)點(diǎn)對(duì)它的尋呼消息的響應(yīng)后，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)FHS分組給從節(jié)點(diǎn)，如果從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)回答，主節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入連接狀態(tài)。3.3 連接狀態(tài)連接（connection）狀態(tài)以主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)POLL分組開(kāi)始，表示連接已經(jīng)建立，此時(shí)分組包可以在主從節(jié)點(diǎn)之間來(lái)回發(fā)送。連接兩端即主從節(jié)點(diǎn)都使用主節(jié)點(diǎn)的接入碼和時(shí)鐘，并且使用的跳頻為信道跳頻序列。即在連接建立后，主節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙設(shè)備地址（BD_ADDR）決定跳頻序列和信道接入碼。在連接狀態(tài)的藍(lán)牙設(shè)備，可以有以下幾個(gè)子狀態(tài)：Active:在這個(gè)模式下，主從節(jié)點(diǎn)都分別在信道通過(guò)*，發(fā)送和接收分組包，并彼此保持同步；Sniff:在這個(gè)模式下，從節(jié)點(diǎn)可以暫時(shí)不支持ACL分組，也就是ACL鏈路進(jìn)入低能源sleep模式，空出資源，使得象尋呼、掃描等活動(dòng)、信道仍可用；Park：當(dāng)從節(jié)點(diǎn)不必介入微微網(wǎng)信道，但仍想與信道維持同步，它能進(jìn)入park（休眠）模式，此時(shí)具有很少的活動(dòng)而處于低耗模式，從節(jié)