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1、第五章 无线个域网,提纲,无线个域网WPAN（U）蓝牙体系（U）蓝牙的核心协议（M）蓝牙的profile（U）,无线个域网,无线个域网络（Wireless Personal Area Network）是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无缝连接而提出的无线网络技术。,无线个域网标准,IEEE WPAN规范标准主要集中在802.15系列：是蓝牙底层协议的正式标准化版本，大多数标准制定仍由SIG完成基于Bluetooth1.1对应Bluetooth1.2：解决WPAN与WLAN共存问题：WiMedia，物理层使用UWB的多频段OFDM，480Mb/s：Zigbee，是低功耗、低复杂性
2、、低速率的WPAN标准,WPAN标准对比,IEEE 802.15系列,蓝牙（Bluetooth）,Bluetooth,蓝牙是无线技术规范短程：最大传输距离10米性能中等：721Kbps动态配置：自主联网/漫游低功耗：2.5mW支持语音和数据传输,蓝牙的历史,1994年，Ericsson发起multi-communicator link的研究；1998年，成立特别兴趣小组（SIG），并更名为bluetooth成员：Ericsson、IBM、Intel、Nokia、Toshiba目标：将计算、通信设备以及附加设备通过短程、低耗、低成本的无线电波连接起来发展：随着Lucent、3Com、Micros
3、oft、Motorola加入SIG，现在SIG成员超过2500个1999年，Bluetooth 1.0发布2002年，IEEE采纳了bluetooth的物理层和数据链路层，发布了,为什么叫Bluetooth,Ericsson借用了Harald Gormsen的昵称blatand-”Bluetooth”丹麦的国王（A.D.940985）统一了丹麦和挪威寓意统一不同制造商的不同设备2000年5月发布了蓝牙应用新图标,Bluetooth的应用,蓝牙好在哪里？没有线缆连接时个域网（PAN）使得一组个人设备协同工作位置感知服务仅在有限范围内并且需要时访问额外资源充当进入Internet的桥梁构建居家网络
4、运动中组网,连接计算机以及其他外部设备,支持自组织网络,充当访问Internet的接入点,构建家庭网络,运动中的连接,蓝牙应用实例,蓝牙系统,蓝牙模块,蓝牙传输特性,2.4GHz ISM频带传输距离为10米连接便携式和固定设备点点和点多点模式数据速率同步（电路交换技术）64kbps异步（分组交换技术）433.9kbps（对称）723.2kbps（非对称）,蓝牙拓扑结构,点点模式两个蓝牙设备直接通信Piconet（微网）共享相同信道8个蓝牙设备可在小型网络内通信Scatternet（散网）多达256个piconet可连接成更大的网络,蓝牙的piconet,Piconet的组成1个Master节点
5、控制FH通信的同步7个Slave节点255个非活跃Packed节点遵循master的跳频算法,蓝牙的Scatternet,时间和空间层叠的多个piconets组成一个散射网几个masters链接到同一个slave一个master可以是另一个网络的slave,蓝牙规范,Core规范定义了蓝牙各层通信协议从逻辑上分为传输协议、中间件协议、应用协议Profile规范如何采用协议实现具体的应用产品通用应用类、电话应用类、联网应用类、对象交换应用类、音频视频应用类,蓝牙协议栈（续）,蓝牙协议栈逻辑分组,传输协议组：使蓝牙设备确认彼此位置，并创建、配置、管理物理和逻辑链路包括无线、基带、链路管理器、逻辑链
6、路控制和自适应协议及主机控制器接口协议中间件协议组：为了在蓝牙链路上运行应用包括的一些标准协议PPP、IP、TCP、WAP、OBEX等RFCCOMM、AT信令、SDP应用组：包含使用蓝牙链路的实际应用,应用组,中间件协议组,传输协议组,传输协议组,中间件协议组,应用组,蓝牙的无线电层,规范定义了载波频率和输出功率主要处理空中数据的接收和发送特点2.4GHz的ISM79个信道，1MHzGFSK调制方式（高斯滤波的二进制频移键控）跳频扩频技术1600/s收发器的能量分3级1级：100mW，强制功率控制2级：2.5mW，功率控制可选3级：1mW,数据传输期间的频率选择,M和S交替发送（TDD模式）数
7、据传输期间保持频率的跳变,蓝牙的基带层,基本功能执行跳频实现介质访问定义了物理链路定义了packet格式,M设备和S设备之间的物理链路,ACL(asynchronous connectionless)链路主要用于Best-effort的数据传输服务M和S之间的点-点/点-多点（广播）连接在没有预留给SCO的时间槽传送无时间规律的分组每个S节点只有1条ACL分别对应1-slot、3-slot、5-slot分组正向最大速率：723.3Kbps(5-slot)反向最大速率：57.6KbpsHalf-duplex通信,M设备和S设备之间的物理链路,SCO(synchronous connection
8、oriented)链路主要用于音频/视频传输M和S之间具有固定带宽的点-点连接M为S预留2个连续时间槽传送实时数据M可同时支持3个SCO每个S可有23个SCO（64kbps）Full-duplex通信,蓝牙的寻址,Bluetooth设备地址（BD_ADDR）48位IEEE MAC地址活跃成员地址（AM_ADDR）3位活跃S设备地址全0广播地址（M-S）驻扎成员地址（PM_ADDR）8位parked的S设备地址,蓝牙设备地址,48位蓝牙设备地址（BD_ADDR）LAP（Lower Address Part）UAP（Upper Address Part）NAP（Non-significant Ad
9、dress Part）,蓝牙基带分组,基带分组格式,接入码（72或68位）,分组头（54位）,有效载荷（02754位）,LSB,MSB,蓝牙基带分组,接入码（Access Code）接入码用于同步、DC补偿和标示信道接入码（CAC）同步字来源主设备LAP设备接入码（DAC）同步字来源从设备LAP查询接入码（IAC）预留LAP蓝牙预留64个LAP地址用于查询操作,前导码（4位）,同步字（64位）,尾码（4位）,蓝牙基带分组,分组头（Header）AM_ADDR 微微网中激活从设备地址Type 分组类型Flow ACL链路数据分组流量控制标志ARQN 无编号自动请求重发SEQN 序列编号HEC 分
10、组头错误校验,AM_ADDR（3位）,Type（4位）,Flow（1位）,ARQN（1位）,SEQN（1位）,HEC（8位）,蓝牙基带信道控制,连接状态,连接状态是指连接已经建立，数据分组可以双向传输的状态主从使用主设备接入码和时钟，跳频采用信道跳频序列连接状态设备操作模式活跃模式（Active）呼吸模式（Sniff）保持模式（Hold）驻扎模式（Park）,蓝牙的节能模式,SniffM和S设备定期睡眠，并在早期协商的时间间隔“sniff”Hold不释放AMA（活跃成员地址）地址停止ACL传输，但可交换SCO分组Park设备仍旧是该piconet的成员释放AMA地址但获得一个PMA（parke
11、d）地址,待机状态,蓝牙缺省低功耗状态蓝牙设备从待机状态转到寻呼扫描，对其他设备的寻呼进行响应，进入连接状态，成为从设备蓝牙设备从待机状态转到查询，完成一个寻呼，进入连接状态，成为主设备,蓝牙的信道控制,两种管理情形设备知道其他设备的参数执行paging过程设备不知道其他设备的参数执行inquiring和paging过程两个主要过程Page用来建立与其他节点的链路Inquiry用来了解时钟偏移和其他设备的地址,微网的建立Inquriy模式,当一个设备想建立一个piconet时79个无线电载波中有32个用来wake-up载波Master依次在这32个载波上广播查询接入码（IAC）一个standb
12、y设备想加入一个piconet时定期侦听IAC消息返回一个packet（设备地址和时钟信息）,微网的建立Page模式,M设备根据返回的设备地址计算特殊的跳频序列S设备与M设备时钟同步，并启动M定义的调频序列,蓝牙设备的baseband状态,基带跳频选择,链路管理器协议,LMP主要任务设备功率管理链路质量管理链路控制管理数据分组管理链路安全管理LMP运行在蓝牙模块中，用户通过LMP对本地或远端蓝牙设备的链路进行设置和控制,蓝牙的链路管理规范,能量控制：根据接收信号强度要求发送者调整发送能量能力协商：交换版本号和所支持的特性QoS协商：轮询时间、延迟、传送能力同步：修正时钟偏差或者接受特殊的同步p
13、acket改变状态和传输模式：M和S角色的改变链路控制：控制link活动安全服务：认证、加密、密钥的分发,链路管理器协议数据单元,LMP_PDU由ACL分组携带,协商发起方标识（Transaction ID）,操作码（OpCode）,内容（Content）,协商过程,设备A向设备B发送协商请求设备B根据自身情况作出接受或不接受响应,蓝牙的L2CAP层,仅用于ACL协议的多路复用/分用接收上层分组（64KB），分段传输在接收端重组处理服务质量,蓝牙的逻辑信道,无连接信道（CID=2）支持无连接服务。每个信道是单向的，该信道主要用于M到多个S的广播面向连接信道（CID64）支持面向连接的服务。每个
14、信道是全向的（全双工），每个方向被制定了服务质量流规范信令信道（CID=1）提供了两个L2CAP实体之间信令消息的交换,蓝牙的逻辑信道,M和S之间只能有一个无连接信道和一个信令信道M和S之间可有多个面向连接信道,L2CAP协议分组格式,面向连接信道分组格式,长度（2字节）,信道ID（2字节）,有效载荷（长度字段的字节数）,无连接信道分组格式,长度（2字节）,信道ID（0 x0002）,有效载荷,PSM,蓝牙的服务发现协议（SDP）,基本功能查询服务搜索特殊的服务种类浏览当前的可用服务检索某个服务的详细属性建立到其他设备L2CAP连接建立一个使用某个服务的独立（non-SDP）连接服务记录一系列
15、服务属性,服务发现机制,服务器具有服务记录列表，包含了与服务器相关的服务及特征客户端发送SDP请求从服务记录列表获得服务记录信息如果客户端决定使用其中某一服务，则与该服务提供则建立单独连接,SDP请求,SDP响应,SDP客户端,SDP服务端,蓝牙的串口仿真（RFCOMM）,基本功能在面向packet的链路上仿真串行接口支持传统应用/协议支持一个物理信道上的多个串行接口与HDLC类似,RFCOMM,蓝牙与IP,基本功能通过蜂窝电话接入Internet通过LAN接入点连接PDA或则笔记本到Internet接入协议PPP（Point to Point Protocol）BNEP（Bluetooth Network Encapsulation Protocol）,蓝牙与IP,AP具有PPP服务器功能用户名/口令管理仍是问题漫游不是无缝的,蓝牙与IP,从AP隧道发送PPP流量到PPP服务器可集中管理用户信息减少AP上的处理时间和状态维护,蓝牙的profile,Bluetooth v1.1规范了13中应用+响应的协议栈,蓝牙的语音应用,三合一电话呼叫/移动管理/对讲,耳麦,蓝牙的个人信息管理,同步应用提供了设备与设备之间个人信息管理（PIM）的同步，如电话号码、日程安排、消息和通告信息,蓝牙的文件传送,传送能力目录文件文档映像流媒体浏览能力文件夹,
