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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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