物联网课件第5章Bluetooth

1、无线接入网技术概述 迄今为止，没有任何一种单一的无线技术能够满足所有的场合和应用需要，因而技术的多元性是无线接入的一个基本特征。 依通信覆盖范围的不同，无线网络从小到大依次为无线个域网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）。,无线接入技术能实现真正意义上的个人通信， 目前无线接入有ZigBee、蓝牙、RFID、UWB、60GHz、Wi-Fi、WiMAX、3G等。,5.2 蓝 牙 技 术,电缆除了给我们造成诸多使用不便之外,连线常出故障,各种电缆之间也无法通用。 蓝牙正是为解决这种种不便提供了一个既经济又方便的解决方案,以“无线替代电缆”是蓝牙开发的初衷。,蓝牙,公元世纪，北欧诸侯争霸，丹麦国王哈拉尔德挺身而出，在他的不懈努力下，血腥的战争被制止了，各方都坐到了谈判桌前。通过沟通，诸侯们冰释前嫌，成为朋友。 由于丹麦国王酷爱吃蓝梅，以至于牙齿都被染成了蓝色，人称蓝牙（bluetooth)国王，所以，蓝牙也就成了沟通的代名词。 一千年后的今天，当新的无线通信规范出台时，人们又用蓝牙来为它命名.,蓝牙技术是爱立信公司在1994年提出的一种最新的短

2、距离无线通信技术标准。 其最初的目的是希望采用短距离无线技术将各种数字设备(如移动电话、计算机、PDA等)连接起来以消除这些千头万绪令人头疼的电缆连线。,爱立信公司,爱立信、IBM、英特尔、诺基亚、东芝 这五家公司于1998年2月倡议组成了蓝牙特殊利益小组(SIG),致力于蓝牙技术标准的制定、蓝牙产品的测试以及协调各 国蓝牙使用频段的一致性。 1998年5月,SIG正式成立。随后又有四家公司,即3COM、 朗讯、微软和摩托罗拉加入了SIG,共同构成了SIG的九个创始公司和领导成员。,SIG（Special Interest Group）,自SIG成立以来,加盟的公司己超过2000个,其中包括诸如AMD、康柏、戴尔、惠普、德州仪器、高通以及卡西欧、飞利浦、三星、夏普等许多世界著名的计算机、通信以及消费电子产品领域的企业,甚至还有汽车与照相机的制造商和生产厂家。,保持联系，不靠电缆，拒绝插头，并以此重塑人们的生活方式。 它将取代目前多种电缆连接方案，通过统一的短程无线链路，在各信息设备之间可以穿过墙壁或公文包，实现方便快捷、灵活安全、低成本小功耗的话音和数据通信。,目标和宗旨,具体地说，“

3、蓝牙”技术的作用就是简化小型网络设备（如移动PC、掌上电脑、手机）之间以及这些设备与Internet之间的通信，免除在无绳电话或移动电话、调制解调器、头套式送受话器、PDA、计算机、打印机、幻灯机、局域网等之间加装电线、电缆和连接器。,蓝牙是一种开放的技术规范，该规范完全是公开和共享的。只要是 SIG 的成员，都有权无偿使用蓝牙的新技术，而蓝牙技术标准制定后，任何厂商都可以无偿地拿来生产产品，只要产品通过 SIG 组织的测试并符合蓝牙标准后，品牌即可投入市场。,蓝牙技术的开放性,蓝牙设备的工作频段选在全世界范围内都可以自由使用 的 2.4Ghz 的 ISM（工业、科学、医学）频段，这样用户不必经过申请便可以在 2400MHz2500MHz 范围内选用适当的蓝牙无线电设备，消除了“国界”的障碍，而在蜂窝式移动电话领域，这个障碍已经困扰用户多年,蓝牙技术的通用性,ISM 工业 Industry 科学 Science 医学Medicine,蓝牙无线技术通信距离较短，蓝牙设备之间的有效通信距离 大约为 10m100m。 消耗功率极低，所以更适合于小巧的、便携式的并由蓄电池供电的个人装置。,短距

4、离低功耗,蓝牙技术最初是以取消连接各种电器之间的连线为目标的。蓝牙技术主要面向网络中的各种数据及语音设备，如 PC、PDA、打印机、传真机、移动电话、数码相机等。 任意蓝牙设备一旦搜寻到另一个蓝牙技术设备，马上就可以建立联系，而无需用户进行任何设置，可以解释成“即连即用”,无线“即连即用”,ISM 频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中 的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。 例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等，都可能是干扰。 蓝牙技术特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。,抗干扰能力强,跳频技术是把频带分成若干个跳频信道,在一次连接中,无线收发器按一定的码序列(伪随机码)不断地从一个信道跳到另一个信道,只有收发双方是按这个规律进行通信的,而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰。 以2.45GHz为中心频率,最多可以得到79个1MHz带宽的信道。,跳频技术,蓝牙的数据传输速率为 1M/s，采用数据包的形式按时隙传送，每个时隙的大小为 0.625us。 蓝牙系统支持实时的同步定向链接和异步不定向链接，蓝牙技术支持一个异步数据通道，3 个并发的同步语音通道或一个同

5、时传送异步数据和同步语音通道。 每一个语音通道支持64kb/s的同步话音，异步通道支持最大速率为 721kb/s,支持语音和数据通信,蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线链接，在任意一个有效通信范围内，所有的设备都是平等的，并且遵循相同的工作方式。 基于 TDMA 原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在主从网络（piconet）和分散网络（scatternet）中，既可作 Master，又可作 Slave，还可同时既是 Master，又是 slave。,灵活组网,底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体分为计算机背景和非计算机背景两种方式. 前者通过主机控制接口 HCI（Host Control Interface）实现高、低层的连接; 后者则不需要 HCI。 层次结构使蓝牙设备具有最大的通用性和灵活性。,层次式结构,5.2.2 蓝牙协议体系结构 蓝牙技术的一个主要目的就是使符合该规范的各种设备能够互通，这就要求本地设备和远端设备使用相同的协议。不同的应用，其使用的协议栈可能不同，但它们都必须使用蓝牙技术规范中的物理层和数据链路层。 不是任何应用都必须使用全部协议

6、，可以只采用部分协议，例如语音通信时，只需经过基带协议(Baseband)，而不用通过L2CAP。,蓝牙协议体系结构,蓝牙可用的无线电波频带有 2402MHz2480MHz 等 79 个 1MHz 的频道，采用了跳频扩频技术（Frequency Hopping Spread Spectrum）是指每经过一段时间传送载波频率便会切换到另一频道上，并且接收端也必须同时切换到相同的频道才能顺利接收资料。 FHSS 具有下列优点： （1）保密性较高 （2）排除干扰波的能力较高,蓝牙射频与物理链路,有三种等级的最大发射功率，分别是 Class1：100mW Class2：2.5mW Class3：1mW 传输距离分别约为 100m、25m、和 10m。 目前一般常见的蓝牙装置输出功率属于第三等级，主要用来作为短距离的互连网络技术。,发射功率,核心协议：Baseband、LMP、L2CAP、SDP 电缆替代协议：RFCOMM 电话控制协议：TCS Binary、AT-Commands 选用协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard/vCal、WAE。 主机控制器接口(HCI)

7、，它为基带控制器、连接控制器、硬件状态和控制寄存器等提供命令接口。,蓝牙协议体系可以分为以下四层,蓝牙专有协议 非专有协议 在蓝牙专有协议的基础上尽可能地采用和借鉴现有的各种高层协议(即非专有协议)，使得现有的各种应用能移植到蓝牙上来，如UDP/TCP/IP等。,蓝牙核心协议都是蓝牙专有的协议，绝大部分的蓝牙设备都需要这些协议。 RFCOMM和TCS Binary协议是SIG分别在ETSITS 07.10和ITU Recommendation Q.931协议的基础上制定的。 选用协议则主要是各种已经广泛使用的高层协议。 电缆替代协议、电话控制协议和选用协议在核心协议的基础上构成了面向应用的协议。,1核心协议 1) 基带协议(Baseband) 它首先由一个个微微网(Piconet)构成。一个微微网中，只有一个蓝牙设备是主设备(Master)，可以有七个从设备(Slave)，它们是由3位的MAC地址区分的。 主设备的时钟和跳频序列用于同步同一个微微网中的从设备。多个独立的非同步的微微网又可以形成分布式网络(Scatternet)，一个微微网中的主/从设备可以是另外一个微微网中的主/从设备

8、，但是各个微微网通过使用不同的跳频序列来加以区分。,蓝牙的网络拓扑结构,基带协议就是确保各个蓝牙设备之间的物理射频连接，以形成微微网。 蓝牙的射频系统是一个跳频系统，其任一分组在指定时隙、指定频率上发送，它使用查询(Inquiry)和寻呼(Page)进程同步不同设备间的发送频率和时钟。,基带协议基带数据分组提供两种物理连接方式：同步面向连接(SCO)和异步非连接(ACL)。 Synchronous Connection Oriented Asynchronous Connectionless,SCO既能传输语音分组, 也能传输数据分组； 而ACL只能传输数据分组。 所有的语音和数据分组都附有不同级别的前向纠错(FEC)或循环冗余校验(CRC)编码，并可进行加密，以保证数据传输可靠。,2) 连接管理协议(LMP) Link Manager protocol 连接管理协议负责蓝牙各设备间连接的建立。 首先，它通过连接的发起、交换、核实，进行身份认证和加密； 其次，它通过设备间协商以确定基带数据分组的大小； 另外，它还可以控制无线部分的电源模式和工作周期，以及微微网内各设备的连接状态。,3)

9、 逻辑链路控制和适配协议(L2CAP) Logical Link Control and Adaption protocol 逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议，可以认为它是与LMP并行工作的，它们的区别在于当数据不经过LMP时，则L2CAP将采用多路技术、分割和重组技术、群提取技术等为上层提供数据服务。 虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连接类型，但是L2CAP只支持ACL，并允许高层协议以64 KB/s的速度收发数据分组。,4) 服务发现协议(SDP) Service Discovery protocol 使用服务发现协议，可以查询到设备信息和服务类型，之后，蓝牙设备之间的连接才能建立。,2电缆替代协议( RFCOMM) RFCOMM是基于ETSI 07.10规范的串行线仿真协议，它在蓝牙基带协议上仿真RS-232控制和数据信号，为使用串行线传送机制的上层协议(如OBEX)提供服务。,3电话控制协议 1) 二元电话控制协议(TCS Binary) 二元电话控制协议是面向比特的协议，它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令，定义了处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程。 2) AT命令集电话控制协议(AT-Commands) 在ITU2T V. 250 和ETS300 916(GSM 07.07)的基础之上，SIG定义了控制多用户模式下，移动电话、调制解调器和可用于传真业务的AT命令集。,4选用协议 1) 点对点协议(PPP) PPP是IETF(Internet Engineering Task Force)制定的，在蓝牙技术中，它运行于RFCOMM之上，完成点对点的连接。,2) UDP/TCP/IP协议 UDP/TCP/IP协议也是由IETF制定的，是互联网通信的基本协议。在蓝牙设备中使用这些协议，是为了与互联网连接的设备进行通信。,3) 对象交换协议(OBEX) OBEX是IrOBEX的简写，是由红外数据协会(IrDA)制定的会话层协议，它采用简单和自发的方式来交换对象。,4) 无线应用协议(WAP) WAP是由无线应用协议论坛(WAP Forum)制定的，它融合了各种广域无线网络技术，其目的是将互联网内容和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话或者其他无线终端。 选用WAP，可以充分利用无线应用环境(WAE)开发的高层应用软

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