移動計算技術-無線個域網(wǎng)-2014

1、移動計算技術張冠華教育部軟硬件協(xié)同設計技術與應用工程研究中心無線個域網(wǎng)內容提要 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)議概述 無線個人區(qū)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network，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)無線個域網(wǎng)技術 藍牙(Blue Tooth) IrDA HomeRF UWB Zigbee IEEE802.15標準 IEEE 802.15工作組是IEEE針對無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN

2、)而成立的，開發(fā)有關短距離范圍的WPAN標準。 802.15 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。 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。 IEEE802.15協(xié)議體系結構 WLAN與WPAN 藍牙技術簡介 是IEEE802.15.1的

3、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，4家公司聯(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)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

4、信)等，引入身份識別后可以靈活地實現(xiàn)漫游； (3)低功耗，對人體傷害小； (4)藍牙集成電路簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，易于推廣。 藍牙標準文檔構成 核心規(guī)范(core specifications):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)。 概要規(guī)范(profile specifications):考慮使用藍牙技術支持不同的應用。每個概要規(guī)范討論在核心規(guī)范中定義的技術，以實現(xiàn)特定的應用模型(Usage Model)。 藍牙協(xié)議體系結構核心協(xié)議(core protocol)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的空中接口細節(jié)

5、。 (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)鏈路管理層協(xié)議(link manager protocol，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(logical link control and adaptation protocol，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(service discovery protocol，SDP)：詢問設備信息、服務與服務特征，使得在兩

6、個或多個藍牙設備間建立連接成為可能。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。 文件傳輸文件傳輸應用OBEXRFCOMML2CAPSDP撥號聯(lián)網(wǎng)Modem傳真或驅動器應用AT命令RFCOMML2CAPSDPPPPLAN接入LAN接入應用例如IPRFCOMML2CAPSDPPPP同步同步應用IrMCRFCOMML2CAPSDPOBEX無繩電話或內部通信無繩電話或基站應用TCS BIN音頻L2CAPSDP耳機HS網(wǎng)關或基站應用AT命令RFCOMML2CAPSDP音頻藍牙應用 連接

7、計算機和其他設備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)境案例運動中的連接微微網(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。 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)。 主/從關系 無線網(wǎng)絡的配置 藍牙無線電規(guī)范拓 撲一個邏輯的星形結構中，高達7條并行鏈路調制GFSK數(shù)據(jù)速率的峰值/Mb/s1RF帶寬220kHz(-3dB)，1MHz(-20dB)RF波段2.4GHz,ISM波段RF載波23/79載波的間隔/M

8、Hzl傳輸功率/W0.1微微網(wǎng)的接入FH-TDD-TDMA頻跳率/跳/s1600分布式網(wǎng)絡的接入FH-CDMA國際上藍牙的頻率分配 區(qū)區(qū) 域域調節(jié)范圍調節(jié)范圍/GHzRF信道信道美國、歐洲的大部分國家和其他國家中的大部分242483 5f2402+nMHz，n0，78日本24712497f=2473+nMHz，n0，22西班牙24452475f=2449+nMHz，n0，22法國244652483 5f=2454+nMHz，n0，22 藍牙利用波段中的2.4 GHz波段。在大多數(shù)國家，此帶寬足以定義79個1 MHz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10

9、0mW(+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。 總帶寬被分為79(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。 物理鏈路 面向同步

10、連接(synchronous connection oriented，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。 異步無連接(asynchronous connectionless，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

11、以存在。大多數(shù)ACL分組使用分組重傳。 分組糾錯藍牙使用三種糾錯模式：(1)l/3比例的FEC(forward error correction，前向糾錯)。(2)2/3比例的FEC。(3)ARQ(automatic repeat request，自動重發(fā)請求)。邏輯信道(1)鏈路控制(link control，LC) :用于在鏈路接口管理分組的通信量(2)鏈路管理(link manager，LM)：在參與站點之間傳輸鏈路管理信息(3)用戶異步(user asynchronous，UA) ：傳送異步用戶數(shù)據(jù)(4)用戶等時(user isochronous，UI) ：傳送等時用戶數(shù)據(jù)(5)用戶同

12、步(user synchronous，US)：傳送同步用戶數(shù)據(jù)信道控制 兩個主要的狀態(tài)： (1)維持(standby)：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)。 7個臨時子狀態(tài) (1)尋呼(page)： (2)尋呼掃描(page scan)(3)主站響應(master response) (4)從站響應(slave response) (5)查詢(inquiry) (6)查詢掃描(inquiry scan)(7)查詢響應(inquiry response)狀態(tài)轉換圖 藍牙音頻基帶規(guī)范規(guī)定可以使用兩種語音編碼模式：

13、 脈沖代碼調制(pulse code modulation, PCM)。 連續(xù)可變的斜率增量(continuously variable slope delta, CVSD)調制。 注：由兩個通信設備的鏈路管理器進行選擇。 藍牙鏈路管理器規(guī)范 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LMP PDU(protocol data unit，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。藍

14、牙邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議 與IEEE 802規(guī)范中的邏輯鏈路控制(LLC)相同，L2CAP(logical link control and adaptation protocol，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。 L2CAP 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

15、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(quality of service，QoS)的流規(guī)范。 (3)信令(signaling)：提供L2CAP實體問信令報文的交換。實例 L2CAP分組 信令命令碼碼描描 述述參參 數(shù)數(shù)0 x01命令拒絕理由0 x02連接請求PSM、源CID0 x03連接響應目的CID、源CID、結果、狀態(tài)0 x04配置請求目的CID、標志、選項0 x05配置響應源CID、標志、結果、選項0 x06取消連接的請求目的CID、源CID0 x07取消連接的響應目的CID、源CID0 x08回送請求數(shù)據(jù)(可選)0 x09回送響應數(shù)據(jù)(可選)0 x0A信息

16、請求信息類型0 x0B信息響應信息類型、結果、數(shù)據(jù)(可選)服務質量 L2CAP中的QoS參數(shù)定義一個基于RFC 1363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)范參數(shù)組成(1)服務類型(2)令牌速率(字節(jié)/秒)(3)令牌桶的大小(字節(jié))(4)帶寬峰值(字節(jié)/秒)(5)等待時間(微秒)(6)時延變化(微秒)令牌桶圖解 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

17、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vSDP將為客戶提供搜尋所需服務的能力。vSDP允許基于服務類型搜索服務。vSDP可以執(zhí)行服務瀏覽，而不用預先知道服務特征。vSDP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vSDP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)椴豢捎胿SDP將提供對服務、服務類型和屬性的唯一標識。vSDP應允許在一方設備上的客戶在另一方設備上搜索服務，而不用查詢第三方

18、設備。vSDP應適于在復雜性不高的設備上使用。vSDP應提供一種可發(fā)現(xiàn)更多服務信息的機制。這樣可以減少必須交換的數(shù)據(jù)量，以便確定客戶是否不需要某一特定服務。vSDP應通過中介代理支持服務搜索信息緩存，以提高搜索進程的速度或效率。SDP能夠提供的服務能力vSDP應可獨立傳輸。vSDP將在把L2CAP作為其傳輸協(xié)議時工作。vSDP應允許搜索和使用能夠提供對其他服務搜索協(xié)議訪問的服務。vSDP應支持和定義新的服務，而不需要向中心授權機構申請注冊。 SDP能夠提供的服務能力客戶服務器交互v服務搜索協(xié)議（ 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

19、。每一服務記錄都包含一項服務信息。客戶可以通過發(fā)送SDP請求，從由SDP服務器維護的服務記錄中檢索信息。v藍牙設備與SDP服務器應一一對應，且存在一個最大的對應數(shù)（如果一臺藍牙設備僅充當一個客戶，那它就不需要SDP 服務器）。v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v服務可以以軟件、硬件或硬軟件混合的形式來實現(xiàn)。v由SDP服務器所維護服務的所有信息都包含于一條服務記錄中，該服務記錄全部由一張服務屬性表組成。v服務記錄句柄是一個專門用于標識SDP服務器內每一服務記錄的32位的值，每個句柄在每個SDP服務器內都是唯一的 服務屬性v服務屬性用于描述某一服務的一個特征。v服務屬性由兩個部分組成：屬性ID和屬性值。屬性ID是16位無精度整數(shù)，可用于在服務記錄中將不同服務屬性區(qū)分開來。屬性值是可變長