藍牙技術與個人局域網（PAN）

2019-11-03 09:43:21

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中國建設銀行營業部劉剛
    近年來，隨著各種短距離無線通信技術的發展，人們提出了一個新的概念，即個人局域網（Personal Area Network, PAN）。PAN核心思想是用無線電或紅外線代替傳統的有線電纜，實現個人信息終端的智能化互聯，組建個人化的信息網絡。從計算機網絡的角度來看，PAN是一個局域網；而從電信網絡的角度來看，PAN是一個接入網。

    PAN定位在家庭與小型辦公室的應用場合，其主要應用范圍包括話音通信網關、數據通信網關、信息電器互聯與信息自動交換等。

    PAN的實現技術主要有：Bluetooth、IrDA、Home RF與UWB（Ultra-Wideband Radio）四種。其中，藍牙(Bluetooth)技術是一種支持點到點、點到多點的話音、數據業務的短距離無線通信技術，藍牙技術的發展極大地推動了PAN技術的發展，IEEE專門成立了IEEE802.15小組負責研究基于藍牙的PAN技術。首先讓我們來看一下什么是藍牙技術及藍牙技術的一些具體內容。

一、藍牙技術的概念

    藍牙是一個開放性的、短距離無線通信技術標準，它可以用于在較小的范圍內通過無線連接的方式實現固定設備以及移動設備之間的網絡互連，可以在各種數字設備之間實現靈活、安全、低成本、小功耗的話音和數據通信。因為藍牙技術可以方便地嵌入到單一的CMOS芯片中，因此它特別適用于小型的移動通信設備。

二、藍牙協議

    藍牙的通信協議也采用分層結構。層次結構使其設備具有最大可能的通用性和靈活性。根據通信協議，各種藍牙設備無論在任何地方，都可以通過人工或自動查詢來發現其他藍牙設備，從而構成微微網（piconet）或分散網（scatternet），實現系統提供的各種功能，使用十分方便。圖1是藍牙協議棧的層次結構，其中：

* Bluetooth radio是藍牙設備中負責傳送和接收調制無線電信號的收發器。出于兼容的原因，采用藍牙的無線設備應當具有確定的無線收發特性。

* Baseband（基帶）即藍牙的物理層，負責管理物理信道和鏈路，但不包括錯誤糾正、數據處理、跳頻選擇和藍牙安全等業務。

* ACL即在物理信道上傳輸數據的異步無連接（Asynchronous Connection-Less）物理鏈路。ACL鏈路在主單元（Master）和所有其他從單元（Slave）之間提供分組交換連接。

    SCO 即同步連接（Synchronous Connection-Oriented）物理鏈路，主要用于語音通信之類的信息傳輸。SCO是主單元和指定從單元之間點對點的對稱鏈路。它和電路交換連接非常相似。

* 鏈路管理器（Link Manager）主要處理鏈路建立、鏈路安全和鏈路控制等任務。它提供認證、加密控制、功率控制等服務和QoS能力。鏈路管理還可以管理不同模式（park、hold、sniff和active）下的設備。

* L2CAP即邏輯鏈路控制和適應層協議（Logical Link Control and Adaptation Layer PRotocol）。它位于數據鏈路層，向上層協議提供復用、分段、重組和組抽象等無連接和面向連接的數據服務。L2CAP允許高層協議和應用程序收發長度最高可達64 Kb的L2CAP數據包。

* SDP即服務發現協議（Service Discovery Protocol），應用程序使用該協議找出哪些服務可用，并確定這些可用服務的特性。

    串口仿真協議（RFCOMM）是一種簡單傳輸協議，可在L2CAP之上仿真RS-232（EIATIA-232-E）串口電路，因此它實際上是一種電纜替代協議。RFCOMM協議支持兩臺藍牙設備之間的多達60個并發連接。

    TCP（傳輸控制協議：Transmission Control Protocol）在網絡層采用ip協議情況下在傳輸層建立不同設備之間的可靠連接。

    IP協議提供協議復用和基于IP 地址的連接。

* Jini技術提供了一種簡單的機制，采用這種機制可以讓設備組合起來形成即時群體——不需要計劃、安裝或者人工干涉。每一種設備都向群體中的其他設備提供他們可以使用的服務。這些設備則提供自己的接口從而保證其可靠性和兼容性。和工作在底層的藍牙相比，JINI運行在更高的層次。 WAP就是無線應用協議（Wireless application Protocol ），這是一種為移動電話、尋呼機、PDA和其他無線終端提供Internet通信和高級電話服務的標準協議。

三、藍牙中的關鍵技術

    下面主要介紹一下藍牙實現中涉及到的一些理論和技術。

1.跳頻技術

    藍牙的載頻選用全球通用的2.45GHz ISM頻段，由于2.45GHz的頻段是對所有無線電系統都開放的頻段，因此使用其中的任何一個頻段都有可能遇到不可預測的干擾源。采用跳頻擴譜技術是避免干擾的一項有效措施。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻信道，在一次連接中，無線電收發器按一定的碼序列不斷地從一個信道跳到另一個信道，只有收發雙方是按這個規律進行通信的，而其他的干擾不可能按同樣的規律進行干擾。跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶寬成百倍地擴展成寬頻帶，使干擾可能產生的影響變得很小。

    依據各國的具體情況，以2.45GHz為中心頻率，最多可以得到79個1MHz帶寬的信道。在發射帶寬為1MHz時，其有效數據速率為721kb/s，并采用低功率時分復用方式發射。藍牙技術理想的連接范圍為10厘米—10米，但是通過增大發射功率可以將距離延長至100米。跳頻擴譜技術是藍牙使用的關鍵技術之一。對應于單時隙分組，藍牙的跳頻速率為1600跳/秒；對應于時隙包，跳頻速率有所降低；但在建立鏈路時則提高為3200跳/秒。使用這樣高的跳頻速率，藍牙系統具有足夠高的抗干擾能力。它采用以多級蝶形運算為核心的映射方案，與其他方案相比，具有硬件設備簡單、性能優越、便于79/23頻段兩種系統的兼容以及各種狀態的跳頻序列使用統一的電路來實現等特點。與其他工作在相同頻段的系統相比，藍牙跳頻更快，數據包更短，因此更穩定。

2.微微網和分散網

    當兩個藍牙設備成功建立鏈路后，一個微微網便形成了，兩者之間的通信通過無線電波在79個信道中隨機跳轉而完成。

    微微網信道由一主單元標識（提供跳頻序列）和系統時鐘（提供跳頻相位）來定義，其它為從單元。每一藍牙無線系統有一本地時鐘，沒有通常的定時參考。當一微微網建立后，從單元進行時鐘補償，使之與主單元同步，微微網釋放后，補償亦取消，但可存儲起來以便再用。一條普通的微微網信道的單元數量為8（1主7從），可保證單元間有效尋址和大容量通信。實際上，一個微微網中互聯設備的數量是沒有限制的，只不過在同一時刻只能激活8個，其中1個為主，7個為從。藍牙系統建立在對等通信基礎上，主從任務僅在微微網生存期內有效，當微微網取消后，主從任務隨即取消。每一單元皆可為主/從單元，可定義建立微微網的單元為主單元。除定義微微網外，主單元還控制微微網的信息流量，并管理接入。藍牙給每個微微網提供特定的跳轉模式，因此它允許大量的微微網同時存在，同一區域內多個微微網的互聯形成了分散網。不同的微微網信道有不同的主單元，因而存在不同的跳轉模式。

    藍牙系統可優化到在同一區域中有數十個微微網運行，而沒有明顯的性能下降。藍牙時隙連接采用基于包的通信，使不同微微網可互聯。欲連接單元可加入到不同微微網中，但因無線信號只能調制到單一跳頻載波上，任一時刻單元只能在一微微網中通信。通過調整微微網信道參數（即主單元標志和主單元時鐘），單元可從一微微網跳到另一微微網中，并可改變任務。例如某一時刻在微微網中的主單元，另一時刻在另一微微網中為從單元。由于主單元參數標示了微微網信道的跳轉模式，因此一單元不可能在不同的微微網中都為主單元。跳頻選擇機制應設計成允許微微網間可相互通信，通過改變標志和時鐘輸入到選擇機制，新微微網可立即選擇新的跳頻。為了使不同微微網間的跳頻可行，數據流體系中沒有保護時間，以防止不同微微網的時隙差異。在藍牙系統中，引入了保留（HOLD）模式，允許一單元暫時離開一微微網而訪問另一微微網。

3.時分多址（TDMA）的調制技術

    在1.0版本的技術標準中，藍牙的基帶比特速率為1Mb/s，采用TDD方案來實現全雙工傳輸，因此藍牙的一個基帶幀包括兩個分組，首先是發送分組，然后是接收分組。藍牙系統既支持電路交換也支持分組交換，支持實時的同步定向聯接（SCO）和非實時的異步不定向聯接（ACL）。

    SCO鏈路是微微網中單一主單元和單一從單元之間的一種點對點對稱的鏈路。主單元采用按照規定間隔預留時隙（電路交換類型）的方式可以維護SCO鏈路。主單元可以支持多達三條并發SCO鏈路，而從單元則可以支持兩條或者三條SCO鏈路，SCO鏈路上的數據包不會重新傳送。SCO鏈路主要用于64 kB/s的語音傳輸。

    ACL鏈路是微微網內主單元和全部從單元之間點對多點鏈路。在沒有為SCO鏈路預留時隙的情況下，主單元可以對任意從單元在某一時隙的基礎上建立ACL鏈路，其中也包括了從單元已經使用某條SCO鏈路的情況（分組交換類型）。對大多數ACL數據包來說都可以應用數據包重傳。ACL鏈路主要以數據為主，可在任意時隙傳輸。　
　
4.編址技術

    藍牙有4種基本類型的設備地址：

*BD_ADDR：BD_ADDR是一個48位長地址，該地址符合IEEE802標準，可劃分為LAP（24位地址低端部分）、UAP（8位地址高端部分）和NAP（16位無意義地址部分）三部分。

* AM_ADDR：AM_ADDR是3位長的活動成員地址，所有的0信息AM_ADDR都用于廣播消息。

* PM_ADDR：PM_ADDR是8位長的成員地址，分配給處于暫停狀態的從單元使用。

* AR_ADDR：AR_ADDR是訪問請求地址（access request address），被暫停狀態的從單元用該地址來確定訪問窗口內從單元—主單元半時隙，通過它發送訪問消息。

　　任一藍牙設備，都可根據IEEE802標準得到一個惟一的48bit的BD_ADDR。它是一個公開的地址碼，可以通過人工或自動進行查詢。在BD_ADDR基礎上，使用一些性能良好的算法可獲得各種保密和安全碼，從而保證了設備識別碼（ID）在全球的惟一性，以及通信過程中設備的鑒權和通信的安全保密。

5.安全性

    藍牙技術的無線傳輸特性使它非常容易受到攻擊，因此安全機制在藍牙技術中顯得尤為重要。雖然藍牙系統所采用的跳頻技術已經提供了一定的安全保障，但是藍牙系統仍然需要鏈路層和應用層的安全管理。在鏈路層中，藍牙系統使用認證、加密和密鑰管理等功能進行安全控制。在應用層中，用戶可以使用個人標識碼（PIN）來進行單雙向認證。

6、糾錯技術

    藍牙系統的糾錯機制分為FEC和包重發。FEC支持1/3率和2/3率FEC碼。1/3率僅用3位重復編碼，大部分在接收端判決，既可用于數據包頭，也可用于SCO連接的包負載。2/3率碼使用一種縮短的漢明碼，誤碼捕捉用于解碼，它既可用于SCO連接的同步包負載，也可用于ACL連接的異步包負載。在ACL連接中，可用ARQ結構。在這種結構中，若接收方沒有響應，則發端將包重發。每一負載包含有一CRC，用來檢測誤碼。ARQ結構分為：停止等待ARQ、向后N個ARQ、重復選擇ARQ和混合結構。

    為了減少復雜性，使開銷和無效重發為最小，藍牙執行快ARQ結構：發送端在TX時隙重發包，在RX時隙提示包接收情況。若加入2/3率FEC碼，將得到I類混合ARQ結構的結果。ACK/NACK信息加載在返回包的包頭里，在RX/TX的結構交換時間里，判定接收包是否正確。在返回包的包頭里，生成ACK/NACK域，同時，接收包包頭的ACK/NACK域可表明前面的負載是否正確接收，決定是否需要重發或發送下一個包。由于處理時間短，當包接收時，解碼選擇在空閑時間進行，并要簡化FEC編碼結構，以加快處理速度。快速ARQ結構與停止等待ARQ結構相似，但時延最小，實際上沒有由ARQ結構引起的附加時延。該結構比向后N個ARQ更有效，并與重復選擇ARQ效率相同，但由于只有失效的包被重發，可減少開銷。在快速ARQ結構中，僅有1位序列號就夠了（為了濾除在ACK/NACK域中的錯誤而正確接收兩次數據包）。

四、藍牙系統組成

    藍牙系統一般由天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍牙軟件（協議棧）單元四個功能單元組成。

1.天線單元

    藍牙的天線部分體積十分小巧、重量輕，屬于微帶天線。藍牙空中接口是建立在天線電平為0dB的基礎上的。空中接口遵循FCC有關電平為0dB的ISM頻段的標準。如果全球電平達到100mW以上，可以使用擴展頻譜功能來增加一些補充業務。

2.鏈路控制（硬件）單元

    目前藍牙產品的鏈路控制硬件單元包括3個集成芯片：連接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器，此外還使用了3－5 個單獨調諧元件。基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其它一些低層常規協議。

3.鏈路管理（軟件）單元

    鏈路管理（LM）軟件模塊攜帶了鏈路的數據設置、鑒權、鏈路硬件配置和其它一些協議。LM能夠發現其他遠端LM并通過LMP（鏈路管理協議）與之通信。LM模塊提供如下服務：發送和接收數據、請求名稱、鏈路地址查詢、建立連接、鑒權、鏈路模式協商和建立、決定幀的類型等。

4.軟件（協議棧）單元

    藍牙的軟件（協議棧）是一個獨立的操作系統，不與任何操作系統捆綁，它符合已經制定好的藍牙規范。藍牙規范包括兩部分：第一部分為核心部分，用以規定諸如射頻、基帶、連接管理、業務發現、傳輸層以及與不同通信協議間的互用、互操作性等組件；第二部分為應用規范（Profile）部分，用以規定不同藍牙應用所需的協議和過程。分別完成數據流的過濾和傳輸、跳頻和數據幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數據的拆裝、業務質量（QoS）、協議的復用和分用等功能。

    藍牙設備依靠專用的藍牙微芯片使設備在短距離范圍內發送無線電信號，來尋找另一個藍牙設備。一旦找到，相互之間便開始通信。目前，藍牙的研制者主要尋求其ASIC的解決方案，包括射頻和基帶部分。現在已有多種將基帶ASIC電路和射頻ASIC電路做成一個電路模塊的方案，預計很快將會進入批量生產的階段。藍牙系統的通信協議大部分可用軟件來實現，加載到Flash RAM中即可進行工作。

五、藍牙技術與PAN

    藍牙系統和PAN的概念相輔相成，事實上，藍牙系統已經是PAN的一個雛形。在1999年12月發布的藍牙1.O版的標準中，定義了包括使用WAP協議連接互聯網的多種應用軟件。它能夠使蜂窩電話系統、無繩通信系統、無線局域網和互聯網等現有網絡增添新功能，使各類計算機、傳真機、打印機設備增添無線傳輸和組網功能，在家庭和辦公自動化、家庭娛樂、電子商務、無線公文包應用、各類數字電子設備、工業控制、智能化建筑等場合開辟了廣闊的應用。

    隨著PAN的發展，IEEE 802.15的一個工作小組正在制訂速率可達20Mb／s以上的PAN標準，這一標準也是基于藍牙規范。因此，PAN和藍牙必然會趨于融合。正如人們常說的：“前途是光明的，道路是曲折的”。在藍牙系統真正廣泛地投入到商業應用之前，還有許多問題需要解決，例如：盡管藍牙技術是一種可以隨身攜帶的無線通訊連接技術，但是它不支持漫游功能。它可以在微網絡或擴大網之間切換，但是每次切換都必須斷開與當前PAN的連接。這對于某些應用是可以忍受的，然而對于手提通話、數據同步傳輸和信息提取等要求自始至終保持穩定的數據連接的應用來說，這樣的切換將使傳輸中斷，是不能允許的。要解決這一問題，當務之急是將移動IP技術與藍牙技術有效地結合在一起。除此之外，藍牙技術的安全保密性、藍牙系統與有線網絡的互連等問題也將會影響藍牙技術的推廣應用。

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