蓝芽无线通讯技术

《蓝芽无线通讯技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《蓝芽无线通讯技术（10页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、蓝芽无线通讯技术蓝芽是一种使用短距无线链接来取代计算机和电子产品之间连接线的数据通讯方式。蓝芽技术提供了一个跨产业的标准让无线网络、消费电子产品和内容发展厂商能够以此为准来发展各种新的无线应用。本文主要分成蓝芽系统架构和蓝芽应用两个部分来介绍蓝芽技术，另外还包括：蓝芽的功能特性以及同一时间使用分散控制系统处理记录、打印和监控的模型发展。笔者使用IISS来介绍蓝芽在工业自动化上的应用。工业自动化是蓝芽技术未来一个主要的应用范畴，所谓工业自动化指得是利用机器设备来取代人力进行工厂、办公室和制程的监控。在工厂内具有许多不同的设备和装置：从简单的数据撷取(I/O)到智能型组件例如传感器、回馈控制器、可

2、程控器和人机界面(HMI)的监控系统，这些装置必须彼此连结在一起构成一个系统。IISS是一个用来监控工厂内这些装置控制系统，基本上IISS是透过PC的适配卡进行通讯；其它硬件透过这个装置平行连接，而IISS透过收发器与PC连接。IISS装置可以使用开关手动接续或是使用PC由远程接续。 简介蓝芽是一项支持行动电话和计算机之间无线连结的开放标准，因此，主要应用市场是通讯装置和PC之间数据和语音的传输，例如PC和周边网络的连结，或是通讯簿以及行事历数据的同步更新等。就这方面来看，技术目的与IrDA协议一样，只是蓝芽使用开放的2.4GHz无线技术，其它未来可能应用还包括家庭网络和网络家电例如智能型家电

3、等。 为什么需要蓝芽蓝芽希望能够在传统IrDA和HomeRF的应用市场中，提供一个更方便的数据传输技术。虽然蓝芽产业发展小组(SIG)宣称蓝芽技术是为了弥补IrDA技术的不足，但是实际上由于蓝芽技术的出现，传统PC和周边之间以讯号线连接的方式在未来有可能被蓝芽所取代。虽然IrDA已经是一种广为计算机周边所使用的无线传输方式，但是受限于传输距离只有1公尺和直线传输的要求，因此实际上这项技术的应用范围非常有限。由于蓝芽采用RF技术，因此没有上述IrDA的这些限制。蓝芽的连结距离长达十公尺(如果增加发送功率的话可以达到一百公尺)，连结的装置之间也不受直线传输的限制，因此不用担心障碍物对传输讯号所造成

4、的干扰。这些优点让蓝芽可以产生一些新的应用，例如笔记型计算机或PDA可以使用手提箱中的行动电话作为调制解调器来传输数据。蓝芽采低成本的设计最终目标希望每个模块能够低于10元美金，不过蓝芽有限的传输距离和传输速度则影响这个技术应用的普及性。蓝芽只支持780kb/s的传输速度：721 kb/s单向数据传输，57.6 kb/s反方向；或是双向432.6 kb/s的传输速度。这个传输速率虽然与HomeRF 12Mb/s的传输速度相当，但是却不适合用来传输实时影像档案和数字打印数据。蓝芽的最大好处是可以同时处理数据和语音数据传输，能够支持一个异步数据频道和三个同步语音频道，或是一个同时支持语音和数据传输

5、的频道。采用ad hoc装置连结和自动服务揭露的蓝芽技术，能够提供行动电话免持听筒的功能、传真机打印功能和自动同步更新PDA、笔记型计算机和手机通讯簿等功能(图1)，因此特别适合作为行动装置和因特网应用的解决方案。图1 蓝芽网络 整体架构整合成单芯片或是无线模块的蓝芽链接控制硬件，主要用来执行蓝芽规格书中的RF、基频和链接管理的部分。这些硬件负责处理基频协议部分的无线收发和所需的数字讯号处理(DSP)，这部份的功能包括建立连结、支持异步(数据)和同步(语音)链接、错误校正和授权。基频CPU的链接管理员韧体执行低阶的装置揭露、链接设定、授权和链接组态。不同装置的链接管理员之间使用链接管理协议进行

6、通讯。链接控制硬件还提供一个主控制接口作为软件的标准接口。网络拓朴所有的蓝芽装置会自动聚集二到八个装置，形成所谓的蓝芽微细胞(piconets)。每个蓝芽微细胞包含一个主装置(master)装置和一个以上的从属装置(slave)。每个装置分别属于一个以上的蓝芽微细胞，每个装置在不同蓝芽微细胞中的角色，可以是从属装置或是主装置。这些分属不同蓝芽微细胞的装置可以作为桥接装置将蓝芽微细胞连结成scatternet，图2是蓝芽scatternet的示意图。图2 蓝芽scatternet架构由于蓝芽使用开放的ISM频带，因此很容易受到周遭其它使用相同频带装置例如：遥控门、无线监视器和微波炉等的干扰，为了

7、避免蓝芽装置受到其它使用相同频率装置的干扰，每个蓝芽微细胞中装置都以相同的同步跳频序列操作。这个跳频序列每秒会改变1,600次不同的频率，而且每个蓝芽微细胞所使用的序列都不同，每个跳频都是一个传送数据封包的时槽，封包长度最多可以横跨五个时槽，这时在传输的时候频率会维持不变。基频状态机蓝芽微细胞会因为随时有装置进出而维持动态的结构，每个蓝芽装置可以藉由发出或接受查询或是呼叫指令来离开预设低功率的待机状态。查寻指令还可以用来找出未知目标装置的地址，但是必须先执行呼叫指令。呼叫指令含有用来连结远程特定装置的装置接续码(device access code)，一但远程装置响应的话，这两个装置就进入连结

8、状态，发出讯号的装置成为主装置和响应的装置为从属装置。在连结状态时，从属装置会与主装置的时脉同步并使用相同的跳频序列，这时，链接管理员会开始交换连结设定的指令，并获取装置的相关信息。接着主装置会开始进行常态传输，使蓝芽微细细胞内的装置维持同步。为了和主装置同步，从属装置则会监听主装置每个传输时槽，并决定是否传输数据。每个蓝芽微细胞中启动的从属装置都会被配置一个启动地址(AM_ADDR)，在此外，蓝芽微细胞中的从属装置具有三个不同的功率状态，以便尽量减少消耗功率：sniff、hold和park状态。主装置只有在sniff模式下的特定时槽才能传输数据。因此，这些装置只有在这些特定时槽时，才会进行监

9、听动作其它时间则维持睡眠状态。相对地，在hold模式下的从属装置不会接收任何异步封包，只接受回复启动状态的讯号；在park模式下的装置，除了停止监听动作之外，也会放弃原本所配置的启动地址，变成一个只是与蓝芽微细胞的跳频序列维持同步的装置。基频链接蓝芽的基频同时提供数据和语音的传输频道，并且可以支持一个异步数据链接和三个同步语音链接(或是一个支持同步和异步的链接)。同步连结(SCO)链接一般用来传输语音，SCO是点对点的对称连结并保留所有时槽以便随时可以传输，在保留时槽中，从属装置可以立即响应主装置的SCO传输。一个主装置针对一个或是多个从属装置最多可以支持三个SCO链接，但是单一个从属装置针对

10、不同的主装置只能支持两个SCO链接，SCO封包不会进行重传。异步非连结(ACL)链接主要用来传输数据。ACL链接以时槽为基本单位进行数据传输(在不是SCO链接的保留时槽)。ACL链接支持点对多点的异步或是isochronous数据传输，当主装置进行ACL传输之后，只有正确地址的从属装置可以在下一个时槽响应，如果没有装置被呼叫，这个封包称为广播讯息，大部分ACL链接包括封包重传的功能。链接管理员基频状态机(baseband state machine)主要是由链接管理员控制。链接控制硬件所提供的韧体可以处理链接设定、安全防护和控制，并具有包括授权、安全防护服务、服务品质监控和基频状态控制等功能。

11、链接管理员控制传呼、改变从属装置的操作模式和处理主装置/从属装置之间角色的变换，此外还监控和处理多时槽封包的链接和控制等。链接管理员使用基频服务下的链接管理协议(LMP)进行彼此之间的通讯。在ACL payload中的LMP封包与在ACL标头中的一位的L2CAP封包不同，LMP封包只用一个时槽发送而且比L2CAP封包具有更高的优先权，这样在高传输流量时可以确保链接的一致性。主控制器接口(HCI)有些链接控制硬件在链接管理员之上还包括一个HCI层级，这个韧体层级是用来将蓝芽基频和链接管理员与像USB或是RS-232的传输协议分开，以提供一个蓝芽硬件的标准处理接口。主控制器接口中的HCI驱动器是用

12、来作为蓝芽应用与传输协议之间的接口，目前支持三个传输方式：USB、RS-232和UART。HCI的层级如图3所示，藉由HCI，蓝芽应用可以不需要知道硬件状态或是传输层级直接与蓝芽硬件接续。图3 HCI层级软件协议其它还包括以软件形式实现的蓝芽协议。最低层级的L2CAP提供链接控制器接口和蓝芽装置之间的互连性，他所提供的多任务协议可以支持任何其它的上层协议例如TCP/IP和vCard/vCalendar。此外，L2CAP也提供对映上层协议群组与蓝芽微细胞的群组管理，分割和重组层级之间的封包以及并监控和协调装置之间服务品质的功能。有许多种蓝芽协议可以作为L2CAP链接层级的接口。SDP提供针对特定

13、蓝芽环境的服务揭露功能，而且可以使用其它服务揭露的协议。RFCOMM是一个提供序列数据传输的协议。Port Emulation Entity是用来对映API通讯和RFCOMM服务，以便让旧有软件可以在蓝芽装置上操作。电话控制协议(telephony control protocol,TCS)提供所有语音和数据的电话控制，并提供群组管理和非连结TCS的功能将讯号与电话分开。虽然实际上语音或是数据会跳过L2CAP直接透过SCO链接以基频传输，但是L2CAP频道仍然支持点对点和点对多点的讯号传输。蓝芽也支持IrDA的对象交换协议(IrOBEX)，这个协议也可以在其它传输层级执行，包括： RFCOMM

14、和TCP/IP，蓝芽装置只支持连结的OBEX。在蓝芽应用规格书中有三个应用使用OBEX：包括电话簿、行事历和讯息的同步功能；档案传输功能；名片簿的对象支持。此外，蓝芽也可以使用无线应用协议(WAP)，这部份的规格书 包括互连性和功能的要求。 L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)L2CAP链接层级是透过基频所提供的ACL链接进行操作。在主装置和启动的从属装置之间，具有一个链接管理员使用LMP设定的单一ACL链接。这提供一个支持点对多点的异步和isochronous数据传输链接，L2CAP透过L2CAP频道传输数据封包提供服务给上层

15、协议。L2CAP频道具有：传输指令的双向讯号频道、双向点对点连结的连结频道、支持点对多点连结的单向非连结频道等三个型式，让L2CAP个体可以与远程的装置群组连接。频道图4是L2CAP个体之间各种不同的频道型式，每个L2CAP频道包括两个由逻辑频道辨识码所表示的端点，每个CID可以表示一个连结频道、非连结频道或是讯号频道的端点。由于在任意两个L2CAP个体通讯前必须先建立双向讯号频道，因此每个L2CAP个体都具有一个使用0(0001保留CID的讯号频道端点。所有区域L2CAP个体和远程个体的讯号频道之间都使用这一个端点。图4 L2CAP个体之间的各种频道型式每个L2CAP个体中的连结频道，都具有

16、一个动态配置的区域的CID，所有连结CID必须与一个频道连结并且在进行数据传输前进行频道的组态。此外，必须建立两个装置之间频道的服务品质(QoS)协议，在进行每个频道的组态时，必须协调QoS包括数据流量参数例如：尖峰频宽、传输型式。单向的非连结频道是用来形成群组。一个区域装置的发送非连结CID可以逻辑连接多个远程装置，与这个发送端点连接的装置形成一个逻辑群组，这些发送CID是动态配置，接收的非连结CID，固定使用0(0002。虽然可以使用多个发送CID来形成多个逻辑群组，但是每个L2CAP个体只提供一个接收非连结CID，所有的接收非连结数据都经由这个端点接收。这些频道不需要连结或是组态，因此，

17、任何需要的组态信息例如上层协议，都以数据封包的方式传送。频道状态机每个L2CAP连结频道端点可以具有许多种不同的状态，据能在OPEN状态传输，通常一开始端点是处于CID没有对映频道的CLOSED状态，CLOSED状态是不需要基频时的唯一状态，也是连结中断时端点的预设状态。连结为了建立一个频道，必须连结频道端点并进行组态。当区域L2CAP个体要求连结远程装置，或是接收到远程L2CAP个体要求连结区域的CID的指令时开始产生连结。于第一种情形时，要求是由上层协议所产生并传送给远程装置，而区域个体则进入W4_L2CAP_Connect_ RSP状态等待回应。第二种情形时，所接收的指令被视为连结要求并

18、传送给上级层级，而区域个体则进入W4_L2CA_Connect_RSP状态等待响应。不论哪一种情形，当接收到预期的响应之后，区域装置都会进入CONFIG状态。组态连结频道在传输数据前必须先进行组态，组态项目包括协调连结之间所有的状态直到符合设定，组态的设定是以组态要求和组态响应指令来进行。支持的组态型式包括最大传输单元(MTU)、flush timeout和QoS协议，MTU是区域装置可以处理的最大L2CAP封包payload大小，flush timeout决定链接控制器传输L2CAP区段的时间，QoS协议则是用来协调单一传输方向的流量，L2CAP只有支持best effort服务时才会执行。

19、其它流量规格参数还包括：token rate、token bucket size、尖峰频宽、latency和延迟变异。要求装置必须显示响应装置所能接收的非预设项目装置或是提供改变设定，这个程序直到所有的项目都能被接受。虽然这个组态是针对单一传输方向，不过这个程序在相反传输方向也必须反复执行，在决定所有组态参数之后，两个L2CAP个体都进入OPEN状态，开始点数据传输。连结中断关闭频道时，必须有一个L2CAP个体发送连结中断的要求给另一个装置。当某个个体接收由上层协议来的连结中断要求时，他会传送这个要求给远程的装置，而区域个体则进入W4_L2CAP_ 连结中断_RSP的状态等待回应。当区域个体接

20、收到远程装置要求连结中断的指示时，他会发送连结中断的要求给上层，然后进入W4_L2CA_连结中断_RSP的状态等待回应。不论哪种情形，当接收到响应之后，区域装置便进入CLOSED状态。封包数据是透过频道使用封包传输。连结频道使用具有32位标头的封包，标头后面可允许最多65,535字节的payload。标头的部分包括一个16位长度的payload用来进行一致性检验和16位的标的CID(destination CID)。payload包括由上层协议接收的信息或是发送给上层协议的信息，非连结频道的封包也包括一个标头但是限定使用0x0002表示远程的CID。此外，标头后面是一个16位(minimum)

21、协议服务多任务器，用来表示封包的上层协议来源，这让封包可以在远程的装置重组，由于连结时PSM字段与特定协议结合在一起因此连结频道不需要PSM字段。 服务揭露协议服务揭露协议(service discovery protocol,SDP)提供一种决定在特定装置上能够提供何种蓝芽服务的方法。蓝芽装置可以作为一个SDP client来询问服务，或是一个提供服务的SDP服务器，每个蓝芽装置只有一个SDP服务器，但是可以是多个远程装置的client。SDP只提供接续的服务信息，如果要使用这些服务必须透过其它协议。此外，SDP不提供SDP服务器或是任何特定服务何时可以使用的信息，client可以知道服务器

22、无法使用，但是需要其它方法来侦测服务器或是服务已经变成可以使用。服务记录在SDP中，服务可以用来提供信息、执行动作或是控制系统资源。SDP服务器会维护服务记录，以便将装置可提供的所有服务分类，每个服务都以一个服务记录来表示，这些服务记录在服务器中是唯一的，并由服务记录处理随时动态地更新。使用0x00000000服务记录处理的特定服务记录，是用来描述SDP服务器本身和他所支持的协议，在服务记录中的服务属性用来描述和定义所支持的服务：包括服务型式、服务ID、协议支持、服务名称和服务叙述等等。这些属性是由一个16位ID和一个可变长度的变量值所构成，属性值依序包括：具有数据型式和数据大小的标头字段和数

23、据字段；支持的数据型式则包括：null、unsigned integer、signed twos-complement integer，通用ly Unique Identifier(UUID)，文字符串，布尔，data element sequence(set)，数据element alternative(select one)和URL。数据的转译与属性ID和服务类别有关。揭露服务SDP的目的使用来找出装置所能提供的服务而不是进行服务，因此支持搜寻和浏览两个程序；搜寻是依据UUID来进行，只有当所有服务记录属性值中，服务搜寻项目的UUID被发现时才会回传服务记录。协定SDP是采用要求响应架构的

24、封包协议，SDP封包称为协议数据单元(PDU)，封包包括标头和不同的参数。参数字段的长度会在标头中定义，定义的型式如PDU ID，这个参数用来表示搜寻要求、搜寻响应或是属性询问。标头还包括一个执行交易的ID用来符合要求的响应，每个要求都必须响应，如果服务器因为某些原因无法处理这个要求，服务器必须发送型式错误响应(PDU ID 0x01)。有时响应的讯号太大无法符合一个单一的PDU，为了解决这个问题，大部分的PDU都支持连续状态参数，在响应时，这个参数表示字节多出的数目。client可以用新的执行交易ID，但是以连续状态参数再发送原来的要求，这会通知服务器发送连续响应，服务器决定如何分割回应。这

25、部份支持以下三种执行交易(PDU ID)：服务搜寻执行交易(service search tansactions)、服务属性执行交易(service attribute tansactions)和服务搜寻属性执行交易(service search attribtute transactions)。服务搜寻执行交易用来要求服务搜寻项目中所有UUID服务记录的服务记录处理清单，服务属性执行交易是用来向服务记录要求特定的属性值，服务搜寻属性执行交易结合服务搜寻和服务属性执行交易的特性，可以用来取得符合服务搜寻项目中所有服务记录的特定属性值。讯框格式蓝芽核心协定是由基频、LMP、L2CAP和SDP所构

26、成。基频和链接控制层级是用来建立蓝芽装置之间的实体RF链接并形成蓝芽微细胞。采用跳频展频技术的蓝芽RF系统会以特定频率在定义的时槽内传输封包，这个层级使用查询和传呼的程序来达到不同的蓝芽装置之间的同步传输跳频频率和时脉。链接管理员协议负责设定蓝芽装置之间的链接，这包括授权和产生、交换和检查加密键来加密链接的安全防护和基频封包大小的控制和协调。L2CAP提供与上层层级协议的连结和非连结数据服务并具有多任务、分割、重组和群组的功能，揭露服务对蓝芽技术是很重要的一部分，这些服务提供所有使用模式的基本应用。 蓝芽现在与未来随着蓝芽规格书发展逐渐成熟，SIG目前的工作重点转向改善和分析由产业应用所回复的

27、问题，此外也加强再传输速度、安全防护、抗噪声干扰等方面的改进，SIG仍持续发展蓝芽应用规格书。由于有越来越多的厂商采用蓝芽技术，可预期未来这项技术的应用将无远弗届。配合其它相关技术，例如WAP和Symbian，蓝芽技术将大幅提高我们日常生活便利性。藉由蓝芽技术所实现的行动信息社会家庭、办公室和户外之间的分野将变得越来越模糊。 结语随着蓝芽规格书的完成，SIG目前致力于针对产业应用问题进行分析与改善，此外也希望能够改善传输速度、安全防护、抗噪声干扰等方面的问题及推广蓝芽技术的其它应用。未来，蓝芽有可能变成行动电话、PC、笔记型计算机和其它电子产品所采用的共通标准。虽着市场对于新的应用、加值服务、end-to-end解决方案等的需求，提供快速且安全无线连结的蓝芽技术提供了一个无限可能性且全球共通的标准。可以预期未来蓝芽技术将广为接受而使用。