无线个域网与Bluetooth剖析.pptx

无线个域网与Bluetooth 张明军 友情提示：本章内容理论性较强，但 提纲 n无线个域网—WPAN n蓝牙体系 n蓝牙的核心协议 n蓝牙的profile 无线个域网 n无线个域网络（Wireless Personal Area Network） n是为了实现活动半径更小：数米 n业务类型丰富：话音、数据、多媒体 n面向特定群体：家庭与小型办公室 n智能终端的无缝连接而提出的无线网络技术 无线个域网技术 n红外技术 nZigbee n超宽带技术（ UWB ） n家庭射频（HomeRF） n蓝牙 n…… 无线个域网标准 nIEEE WPAN规范标准主要集中在802.15系列 n802.15.1：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 n802.15.1基于Bluetooth1.1 n802.15.1a对应Bluetooth1.2 n802.15.2：解决WPAN与WLAN共存问题 n802.15.3：WiMedia，802.15.3a物理层使用 UWB的多频段OFDM，480Mb/s n802.15.4：Zigbee，是低功耗、低复杂性、低 速率的WPAN标准 WPAN标准对比 蓝牙UWBZigbeeRFID 发起时间1998年初2002年2月准许 民用 2002年下半年1970年代末开 始民用 标准程度IEEE802.15.1IEEE802.15.3aIEEE802.15.4未统一 通信距离1-10m<10m10-75m10cm-10m 传输速率1Mb/s几十~几百Mb/s20-250Kb/s几K~几Mb/s 通信方式载波调制基带传输载波调制载波调制 使用频段2.4GHz3.1~10.6GHz2.4GHz, 915M/868MHz 50-500KHz, 56MHz, 0.9- 2.5GHz 典型应用语音和数据传 输，无线联网 数字家庭网络 ，超宽带视频 传输 无线传感器网 络，工业检测 门禁系统，物 流管理，高速 公路收费 WPAN Vision@IEEE RFIDWPANWLANs Low performance, low cost High performance, higher cost IEEE 802.15系列 Layers Focused Medium Access Control Sub Layer Physical LayerPhysical Data Link Network Transport Session Presentation Application ISO/OSI Reference Model Area of Focus} 蓝牙（Bluetooth） Bluetooth n蓝牙是一种短距无线通信技术规范 n目标：替代便携设备的连接线缆 n特点：可靠、低功耗、低成本 n短程：最大传输距离10米 n性能中等：721Kbps n动态配置：自主联网/漫游 n功耗：”Bluetooth” n丹麦的国王（A.D. 940~985） n统一了丹麦和挪威 n寓意统一不同制造商的不同设备 n2000年5月发布了蓝牙应用新图标 Bluetooth的应用 n蓝牙好在哪里？ n没有线缆连接时 n个域网（PAN） n使得一组个人设备协同工作 n位置感知服务 n仅在有限范围内并且需要时访问额外资源 n充当进入Internet的桥梁 n构建家庭网络 n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 蓝牙系统 蓝牙模块 蓝牙应用实例 蓝牙传输特性 n2.4GHz ISM频带 n传输距离为10米 n连接便携式和固定设备 n点/点和点/多点模式 n数据速率 n同步（电路交换技术） n64kbps n异步（分组交换技术） n433.9kbps（对称） n723.2kbps（非对称） 蓝牙拓扑结构 n点/点模式 point-to-point n两个蓝牙设备直接通信 nPiconet（微网）point-to-multipoint n共享相同信道 n8个蓝牙设备可在小型网络内通信 n7个从设备和一个主设备通信 nScatternet（散网）point-to-multipoint n多达256个piconet可连接成更大的网络 蓝牙的piconet nPiconet的组成 n1个Master节点控制FH通信的同步 n7个Slave active节点 n3-bit Active Member address (AM_ADDR) n255个非活跃Parked节点 n保持与master的同步 n没有AM_ADDR n8-bit Parked Member Address (PM_ADDR) 蓝牙的piconet 蓝牙的piconet 蓝牙的Scatternet n时间和空间层叠的多个piconets组成一个散 射网 n几个masters链接到同一个slave n一个master可以是另一个网络的slave 蓝牙的Scatternet 蓝牙的Scatternet 蓝牙标准 n两大部分组成 nCore规范（核心规范） n描述蓝牙协议各层的功能和详细定义 n包括无线接口、数据链路控制以及互操作和 其他管理功能 nProfile规范（概要规范） n规定了与传统/新应用相适配的协议和功能 蓝牙协议栈 Core nCore包含如下5层协议: nRadio - 描述空中接口，包括调频的使用，调制模 式和传输功耗. nBaseband - 负责piconet内的连接建立, 寻址, 包格 式, 能量控制等. nLink manager protocol (LMP) - 链路建立和管 理，鉴权和加密等. nLogical link control and adaptation protocol (L2CAP) - 将上层协议适配到baseband层. L2CAP 提供有连接和无连接两类服务. nService discovery protocol (SDP) - 支持设备信 息, 服务和服务特性的查询，为蓝牙设备的互联提 供支持. 蓝牙协议栈 蓝牙协议栈 RFCOMM协议 nRFCOMM是蓝牙规范定义的线缆替代协 议. n定义虚拟串口支持尽量透明化的线缆替 代. n支持二进制的数据传输 n在baseband层模拟 EIA-232 控制信号 nEIA-232 (RS-232) 是一类广泛应用的串 口标准. TCS BIN nTCS BIN (telephony control specification —binary) n蓝牙定义的 telephony control 协议. n面向bit，定义了蓝牙设备间执行语音和 数据呼叫的相关呼叫控制信令。

n此外，还定义了相关的移动性管理规程. 自适应协议 n其他协议组织定义，融合到蓝牙协议体系中 nPPP - point-to-point protocol，是internet标准 协议，支持点到点链路上的IP数据包传输; nTCP/UDP/IP - TCP/IP协议栈的基础协议; nOBEX - 对象交换协议，IrDA定义，包括对象 的表示和操作模型，类似于简单的 HTTP. 例如 ，vCard和vCalendar; nWAE/WAP - 涉及wireless application environment 和 wireless application protocol. 蓝牙协议栈逻辑分组 n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 n包括无线、基带、链路管理器、逻辑链路控制和自适应协议及主 机控制器接口协议 n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 nPPP、IP、TCP、 WAP、OBEX等 nRFCOMM、AT信令、SDP n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 n规范 n定义了载波频率和输出功率 n主要处理空中数据的接收和发送 n特点 n低功率 n传输距离为10米 n2.4GHz的ISM n79个信道，1MHz （2402 to 2480 MHz ） n跳频扩频技术 n收发器的能量分3级 n1级：100mW，强制功率控制 n2级：2.5mW，功率控制可选 n3级：1mW 蓝牙的基带层 n基本功能 n执行跳频 n实现介质访问 n定义了物理链路 n定义了packet格式 数据传输期间的频率选择 nM和S交替发送（TDD模式） n数据传输期间保持频率的跳变 M设备和S设备之间的物理链路 nSCO ( synchronous connection oriented)链路 n主要用于音频/视频传输 nM和S之间具有固定带宽的点-点连接 nM为S预留2个连续时间槽传送实时数据 nM可同时支持3个SCO n每个S可有2～3个SCO（64kbps） nFull-duplex通信 M设备和S设备之间的物理链路 nACL (asynchronous connectionless)链路 n主要用于Best-effort的数据传输服务 nM和S之间的点-点/点-多点（广播）连接 n在没有预留给SCO的时间槽传送无时间规律的分组 n每个S节点只有1条ACL n分别对应1-slot、3-slot、5-slot分组 n正向最大速率：723.3Kbps (5-slot) n反向最大速率：57.6Kbps nHalf-duplex通信 半双工/全双工通信 nHalf-duplex通信（ACL） n一次往一个方向发送 n不对称最大速率723.3kbps，反向为57.6kpbs n对称速率双向发送，每个方向可达433.9kpbs nFull-duplex通信（SCO） n可同时双向发送 n速率>64Kbps n使用M预留的slot（避免同步和冲突） n没有为SCO链路预留的Slot可用于ACL链路 蓝牙的寻址 nBluetooth设备地址（BD_ADDR） n48位IEEE MAC地址 n活跃成员地址（AM_ADDR） n3位活跃S设备地址 n全0广播地址（M->S） n驻扎成员地址（PM_ADDR） n8位parked的S设备地址 蓝牙的链路管理规范 n能量控制：根据接收信号强度要求发送 者调整发送能量 n能力协商：交换版本号和所支持的特性 nQoS协商：轮询时间、延迟、传送能力 n同步：修正时钟偏差或者接受特殊的同 步packet n改变状态和传输模式：M和S角色的改变 n链路控制：控制link活动 n安全服务：认证、加密、密钥的分发 蓝牙的信道控制 n两种管理情形 n设备知道其他设备的参数 n执行paging过程 n设备不知道其他设备的参数 n执行inquiring和paging过程 n两个主要过程 nPage n用来建立与其他节点的链路 nInquiry n用来了解时钟偏移和其他设备的地址 微网的建立——Inquiry模式 n当一个设备想建立一个piconet时 n79个无线载波中有32个用来wake-up载波 nMaster依次在这32个载波上广播查询接入码（IAC） n一个standby设备想加入一个piconet时 n定期侦听IAC消息 n返回一个packet（设备地址和时钟信息） 微网的建立——Page模式 nM设备根据返回的设备地址计算特殊的跳频序列 nS设备与M设备时钟同步，并启动M定义的跳频序列 蓝牙的节能模式 nSniff(呼吸) nM和S设备定期睡眠，并在早期协商的时间间隔 “sniff” nHold(保持) n不释放AMA（活跃成员地址）地址 n停止ACL传输，但可交换SCO分组 nPark(睡眠) n设备仍旧是该piconet的成员 n释放AMA地址。