短距离无线通信技术课程讲义(第二三讲)

短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室1短距离无线通信技术主讲教师：夏玮玮邮箱：[e-mail]手机：[phone]结束放映开始放映短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室2目录短距离无线通信技术的基本理论短距离无线通信技术的研究方向短距离无线通信技术的典型应用蓝牙（Bluetooth）蓝牙基本原理与蓝牙相关的九个实验：数字基带仿真、服务发现、语音传输、数据传输、电话网接入、局域网接入、通信传输的有效性和可靠性分析、数字图像的采集传输和处理、无线多点组网无线传感器网络（WSN）无线传感器网络基本原理无线传感器网络实验GSM/GPRSGSM/GPRS接入基本原理GSM/GPRS接入实验CDMACDMA接入基本原理CDMA接入实验短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室3蓝牙技术基本原理短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室4用无线技术联结所有的移动电子设备Bluetooth目标...短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室5蓝牙标准V1.0于1999年完成,V2.0于2004年11月4日公布。目标是建立低成本、小范围、低功耗应用的全球标准——Wirelessconnectionsmadeeasy。蓝牙2.0版本可提供2Mbps和3Mbps的数据速率，支持音频和视频（多媒体）通信、车内通信等。由此蓝牙从串口电缆替代规范进展为具有WLAN部分重叠功能的通用的短距离网络。蓝牙标准短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室6当蓝牙设备到达通信区域时，主设备和从设备间自动地生成匹克网（Piconet）蓝牙支持点对点或点对多点的连接，可实现面向无连接的异步数据传输及面向连接的同步语音传输蓝牙的出现使得嵌入式无线电的概念悄然兴起小型化、低功耗和低成本，真正地将网络随身携带最大限度地利用功能强大的固定网络蓝牙技术的特点短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室7蓝牙系统单元构成射频单元工作频段：2400~2483.5MHz之间的ISM频带调制方式：GFSK,调制指数：0.28-0.35扩频方式：跳频扩频79个跳频信道发射功率：1mW,2.5mW,100mW双工方式：时分双工蓝牙链路管理单元蓝牙协议栈蓝牙射频单元蓝牙链路控制单元短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室8蓝牙系统单元构成链路控制单元（硬件）---实现了基带协议和低层的链路操作在蓝牙网络中，所有的蓝牙设备地位都是平等的，主动呼叫的设备为主设备(master)，被动呼叫的设备为从设备(slave)蓝牙主从设备间，可建立面向连接的同步链路(SCO,SynchronousConnection-Orientedlink)和无连接异步链路(ACL,AsynchronousConnection-Lesslink)−SCO链路是对称的、点对点的链路，占用固定间隔的保留时隙，被看作是电路交换，典型应用是用作语音通信；−ACL链路提供分组交换的连接，占用非SCO链路的时隙，支持异步和等时传输。蓝牙技术支持一个异步数据通道，或三个并发的同步语音通道，或一个同时传送异步数据和同步语音的通道。−每条语音通道支持64kbps的同步语音；异步通道支持最大723.2kbps（相应的反向应答速率最大为57.6kbps）的非对称连接，或433.9kbps的对称连接。短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室9蓝牙系统单元构成链路管理单元（软件）实现了链路管理协议（LMP,LinkManagementProtocol），它将来自蓝牙协议栈的命令转化成基带层的操作，负责建链和拆链、链路配置和链路安全。蓝牙协议栈单元（软件）蓝牙软件协议栈是一个独立的作业系统，不与任何操作系统捆绑，并且符合蓝牙规范的要求。蓝牙规范包括两个部分，一部分是蓝牙核心协议部分，规定了射频、基带、连接管理、服务发现、传输层以及与其它通信协议之间的互通性和互操作性相关的组件；另一部分是蓝牙应用规范（profile）部分，规定了不同蓝牙应用所需的协议和操作过程。短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室10蓝牙协议栈的体系结构BasebandLMPL2CAPRFCOMMvCard/vCalendarAudioTCSSDPAT-commandsOBEXWAEWAPUDPTCPIPPPPHCI短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室11基带协议(Baseband)基带层是蓝牙的物理层，管理物理信道和进行单数据包传输级别上的链路控制，负责纠错、数据白化、跳频控制和蓝牙安全。它提供同步和异步两种数据链路，提供查询和寻呼的方式使蓝牙设备之间可以相互访问查询和访问。链路管理协议(LMP，LinkManagerProtocol)LMP负责蓝牙设备之间连接的建立和拆除，管理功率模式、功率消耗、蓝牙设备单元在微微网中的工作状态（如保持、呼吸、休眠等模式），以及鉴权和加密功能。蓝牙协议栈的体系结构短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室12逻辑链路控制和适配协议(L2CAP，LogicalLinkControlandAdaptationProtocol)L2CAP实现高层协议复用、数据包的分段和重新装配、组管理和面向高层协议的服务质量管理。L2CAP采用协议复用、分段和重组操作以及组抽象等方式向高层协议提供了连接和无连接数据服务。L2CAP只支持ACL链路，它采用了信道的概念在蓝牙设备不同应用之间建立不同的路径。串口替代协议（RFCOMM）RFCOMM是基于ETSI07.10的串行线仿真协议，为使用串行线传送机制的上层协议（如OBEX、拨号上网、FAX）提供服务。它支持模拟串口和远端串口控制。服务发现协议（SDP）SDP协议适于蓝牙系统移动性较强的特性，其基本出发点是发现服务但不提供对服务的访问，蓝牙协议栈的体系结构短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室13蓝牙协议栈的体系结构电话控制协议（TCS）TCS协议定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令，以及处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程。主机控制器接口(HCI，HostControllerInterface)由于蓝牙无线部分和高层协议对实时性的要求不同，通常蓝牙系统需要由两个处理器组成：在一个处理器上运行基带协议和LMP，称为蓝牙模块；其它高层协议在另一处理器上运行，称为主机。这时需要HCI层作为上下两部分的接口，它在主机和蓝牙模块之间提供了一个统一的接口，使主机可以完全地控制蓝牙模块。短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室14蓝牙应用模型层次图Dial-upNetworkingProfileFaxProfileHeadsetProfileLANAccessProfileHands-FreeProfileFileTransferProfileObjectPushProfileSynchronizationProfileServiceDiscoveryApplicationProfileGeneralAccessProfileTCSBinarybasedprofilesCordlessTelephonyProfileIntercomProfileSerialPortProfileGenericObjectExchangeProfile通用接入应用模型服务发现应用模型无绳电话应用模型内部互通应用模型串口应用模型拨号网络应用模型传真应用模型耳机应用模型局域网接入应用模型免提应用模型通用对象交换应用模型文件传输应用模型对象推入应用模型同步应用模型任何一种蓝牙应用必须符合应用模型的规定，以实现与不同厂商生产的蓝牙设备之间的互通性。短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室15蓝牙网络拓扑结构蓝牙技术支持点对点和一点对多点的通信，采用的是Ad-hoc的组网方式。在建立网络之前，所有的蓝牙设备的地位都是平等的，只有当某个蓝牙设备首先主动发起建链操作时，该设备才成为Master。ab主设备从设备蓝牙微微网(a)和分布式网络(b)示意图短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室16蓝牙网络拓扑结构蓝牙网络的基本单元是微微网（Piconet）两个以上蓝牙设备共享同一信道就构成微微网。一个微微网中只能有1个主设备，但最多可以有7个从设备，所有的从设备都与主设备在时间和跳频上同步。不同微微网之间可以相互连接几个互相独立不同步的、以特定方式连接起来的微微网形成分布式网络（Scatternet），其中每个微微网都有自己的跳频信道。在分布式网络中，一个微微网中的从设备可以同时是其它微微网的主或从设备。蓝牙设备地址（BD_ADDR）48位唯一短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室17蓝牙通信系统结构短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室18基于蓝牙技术的系列实验----数字基带仿真短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室19基本原理1.蓝牙基带系统：蓝牙微微网与信道划分；物理链路；蓝牙基带包结构及发送/接收处理；蓝牙系统工作状态。2.差错控制原理：差错控制方法分类；差错控制编码的生成；蓝牙基带包的差错控制（包头检查HEC，有效载荷校验CRC，前向纠错FEC）。3.跳频扩频原理：跳频扩频；蓝牙系统中的跳频方案（跳频序列、跳频频率）。4.保密通信原理：加密系统的组成部分；密钥的作用；常规密钥密码体制和公开密钥密码体制。短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室201.蓝牙基带系统①蓝牙微微网与信道划分微微网：蓝牙通信网络的基本单元，由一个主设备和至多7个处于激活状态的从设备组成。有中心节点的网络。蓝牙系统的工作频段为2400~2483.5MHz，使用79个频点，射频信道为2402+kMHz(k=0,1,…,78)。微微网中信道的特性完全由主设备决定，主设备的蓝牙地址决定了跳频序列和信道接入码；主设备的系统时钟决定了跳频序列的相位和时间。在每个微微网中，一组伪随机跳频序列被用来决定79个跳频信道，信道分成时隙（625us），每个时隙相应有一个跳频频率，通常跳频速率为1600跳/秒。短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室21②物理链路蓝牙系统可以在主/从设备间建立不同形式的物理链路，共定义了两种方式：实时的同步面向连接SCO方式和非实时的异步无连接ACL方式。对于SCO，主设备和从设备在规定的时隙传送话音等实时性强的信息，所发送的SCO包不被重传；对于ACL，主设备和从设备可在任意时隙传输，以数据为主，为保证数据的完整性和正确性，ACL包可被重传。③蓝牙基带包结构及发送/接收处理LSBMSB接入码包头有效载荷蓝牙基带包的一般格式LSBMSB短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室22接入码：长度通常固定，由网络的设备地址生成。每个蓝牙设备都分配有一个独立的48比特的设备地址BD_ADDR（地址的低24比特部分LAP；地址的高位8比特部分UAP；16比特的非有效地址部分）。包头：包含重要的链路控制信息，由于包头的重要性，通常需要对整个包头采用纠错编码技术加以保护。在蓝牙系统中，包头分为6个部分，共18比特，然后再用1/3FEC进行编码，形成54比特。有效载荷：是数据包传输中的有效信息部分，其长度可以是固定的，也可以是可变的，由基带包的类型决定。短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室23发送/接收处理：蓝牙收发信机使用时分双工方案。在一般连接状态，主设备在偶时隙开始传送，从设备在奇时隙开始传送。TDD方案示意图短距离无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室24④蓝牙系统工作状态两个主要工作状态：守候状态和连接状态。七个中间临时状态：寻呼状态、寻呼扫描状态、查询状态、查询扫描状态、主设备响应状态、从设备响应状态和查询响应状态。a.守候状态是蓝牙设备的默认状态，设备处于低功耗状态，它可