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藍牙基帶數據傳輸機理分析
摘要：對藍牙協(xié)議體系中的基帶數據傳輸機理進(jìn)行分析，為進(jìn)一步對藍牙技術(shù)做全面深入的研究和開(kāi)發(fā)應用奠定基礎。在介紹了基本概念的基礎上，重點(diǎn)對藍牙設備連接、數據傳輸和安全機制等內容做了分析和討論。藍牙（Bluetooth）是一種新型、開(kāi)放、低成本、短距離的無(wú)線(xiàn)連接接技術(shù)，可取代短距離的電纜，實(shí)現話(huà)音和數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。這種有效、廉價(jià)的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)可以方便地將計算機及外設、移動(dòng)電話(huà)、掌上電腦、信息家電等設備連接起來(lái)，在它可達到的范圍內使各種信息化移動(dòng)便攜設備都能實(shí)現無(wú)縫資源共享，還可通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（Wireless LAN）與Internet連接，實(shí)現多媒體信息的無(wú)線(xiàn)傳輸。
藍牙系統采用分散式（Scatter）結構，設備間以及從方式構成微微網(wǎng)（Piconet），支持點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信。它采用GFSK調制，抗干擾性能好，通過(guò)快速跳頻和短包技術(shù)來(lái)減少同頻干擾，保證傳輸的可靠性。使用的頻段為無(wú)需申請許可的2.4GHz的ISM頻段。
藍牙協(xié)議從協(xié)議來(lái)源大致分為四部分：
核心協(xié)議、電纜替代協(xié)議（RECOMM）、電路控制協(xié)議和選用協(xié)議。其中核心協(xié)議是藍牙專(zhuān)利協(xié)議，完全由藍牙SIG開(kāi)發(fā)，包括基帶協(xié)議（BB）、連接管理協(xié)議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）以及服務(wù)發(fā)現協(xié)議（SDP）。藍牙協(xié)議從體系結構又可分為底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應用層三大部分，其中鏈路管理層（LM）、基帶(BB)和射頻層（RF）構成藍牙的底層模塊。由此可見(jiàn)，基帶層是藍牙協(xié)議的重要組成部分。本文主要對藍牙技術(shù)中最重要的基帶數據傳輸機理進(jìn)行分析。
1 基帶協(xié)議概述
圖1給出藍牙系統結構示意圖。在藍牙系統中，使用藍牙技術(shù)將設備連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)作微微網(wǎng)（Piconet），它由一個(gè)主節點(diǎn)（Master Unit）和多個(gè)從節點(diǎn)(Slave Unit)構成。主節點(diǎn)是微微網(wǎng)中用來(lái)同步其他節點(diǎn)的藍牙設備，是連接過(guò)程的發(fā)起者，最多可與7個(gè)從節點(diǎn)同時(shí)維持連接。從節點(diǎn)是微微網(wǎng)中除主節點(diǎn)外的設備。兩個(gè)或多個(gè)微微網(wǎng)可以連接組成散射網(wǎng)（Scatternet）。
圖2給出藍牙協(xié)議結構示意圖�；鶐游挥谒{牙協(xié)議棧的藍牙射頻之上，并與射頻層一起構成藍牙的物理層。從本質(zhì)上說(shuō)，它作為一個(gè)鏈接控制器，描述了基帶鏈路控制器的數字信號處理規范，并與鏈路管理器協(xié)同工作，負責執行象連接建立和功率控制等鏈路層的，如圖3所示�；鶐瞻l(fā)器在跳頻（頻分）的同時(shí)將時(shí)間劃分（時(shí)分），采用時(shí)分雙工（TDD）工作方式（交替發(fā)送和接收），基帶負責把數字信號寫(xiě)入并從收發(fā)器中讀入數據。主要管理物理信道和鏈接，負責跳頻選擇和藍牙數據及信息幀的傳輸、象誤碼糾錯、數據白化、藍牙安全等�；鶐б补芾硗胶彤惒芥溄�，處理分組包，執行尋呼、查詢(xún)來(lái)訪(fǎng)及獲取藍牙設備等。
在藍牙基帶協(xié)議中規定，藍牙設備可以使用4種類(lèi)型的地址用于同場(chǎng)合和狀態(tài)。其中，48位的藍牙設備地址BD_ADDR（IEEE802標準），是藍牙設備連接過(guò)程的唯一標準；3位的微微網(wǎng)激活節點(diǎn)地址AM_ADDR，用以標識微微網(wǎng)中激活成員，該地址3位全用作廣播信息；8位的微微網(wǎng)休眠節點(diǎn)地址PM_ADDR，用以標識微微網(wǎng)中休眠的從節點(diǎn)。微微網(wǎng)接入地址AR_ADDR，分配給微微網(wǎng)中要啟動(dòng)喚醒過(guò)程的從節點(diǎn)。
當微微網(wǎng)主從節點(diǎn)通信時(shí)，彼此必須保持同步。同步所采用的時(shí)鐘包括自身不調整也不關(guān)閉的本地設備時(shí)鐘CLKN，微微網(wǎng)中主節點(diǎn)的系統時(shí)鐘CLK以及為主節點(diǎn)時(shí)鐘對從節點(diǎn)本地設備時(shí)鐘進(jìn)行周期更新以保持主從同步的補償時(shí)鐘CLKE。
與其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)一樣，藍牙技術(shù)中微微網(wǎng)通過(guò)使用各種信道來(lái)實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。其中，物理信道表示在79個(gè)或者23個(gè)射頻信道上跳變的偽隨機跳頻序列，每個(gè)微微網(wǎng)的跳頻序列是唯一的，并且由主節點(diǎn)的藍牙設備地址決定；此外，藍牙有5種傳送不同類(lèi)型信息的邏輯信道，它們分別為：
(1) LC信道：控制信道，用來(lái)傳送鏈路層控制信息；
(2) LMC信道：鏈接管理信道，用在鏈路層傳送鏈接管理信息；
(3) UA信道：用戶(hù)信道，用來(lái)傳送異步的用戶(hù)信息；
(4) UI信道：用戶(hù)信道，用來(lái)傳送等時(shí)的用戶(hù)信息；
(5) US信道：用戶(hù)信道，用來(lái)傳送同步的用戶(hù)信息。
在藍牙系統中，主從節點(diǎn)以時(shí)分雙工（TDD）機制輪流進(jìn)行數據傳輸。因此，在信道上又可劃分為長(cháng)度為625μs的時(shí)隙（Time Slot），并以微微網(wǎng)主節點(diǎn)時(shí)鐘進(jìn)行編號(0-2 27-1)，主從節點(diǎn)分別在奇、偶時(shí)隙進(jìn)行數據發(fā)送。
2 藍牙數據傳輸
藍牙支持電路和分組交換，數據以分組形式在信道中傳輸，并使用流控制來(lái)避免分組丟失和擁塞。為確保分組包數據正確傳輸，還進(jìn)行數據的白化和糾錯，下面分別對這些傳輸機制進(jìn)行分析。
2.1 藍牙分組
分組包數據可以包含話(huà)音、數據或兩者兼有。分組包可以占用多個(gè)時(shí)隙（多時(shí)隙分組）并且可以在下一個(gè)時(shí)隙繼續發(fā)送，凈荷(Payload)也帶有16位的錯誤校驗識別和校驗（CRC）。有5種普通的分組類(lèi)型，4個(gè)SCO分組包和7個(gè)ACL分組包。一般分組包格式如圖4。
圖3 基帶層抽象
其中，接入碼(Access code)用來(lái)定時(shí)同步、偏移補償、尋呼和查詢(xún)。藍牙中有三種不同類(lèi)型的接入碼：
(1) 信道接入碼（CAC）：用來(lái)標識一個(gè)微微網(wǎng)；
(2) 設備接入碼（DAC）：用作設備尋呼和它的響應；
(3) 查詢(xún)接入碼（IAC）：用作設備查詢(xún)目的。
分組頭（Header）包含6個(gè)字段，用于鏈路控制。其中AM_ADDR是激活成員地址
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