蓝芽无线电话系统与服务搜寻协定实作

教育部八十九學年度通訊科技專題製作競賽入選論文集1藍芽無線電話系統與服務搜尋協定實作指導老師：侯廷昭參賽隊員：許宏凱張逸豪施富仁賴振德國立中正大學電機工程研究所摘要：Bluetooth的發展解決許多短距離無線連結的需求。但在Bluetooth相關產品陸續推出時卻有一技術最為複雜、相關技術背景知識要求最多，且目前尚無產品問世的領域—BluetoothTelephony。在本專題中我們開發出先進的“藍芽無線電話系統”，完全實現BluetoothTelephony功能。在專題中軟體部份我們同時發展Bluetooth協定堆疊中，幾個最主要的核心技術：TCS(TelephonyControlProtocolSpecification)協定、SDP(ServiceDiscoveryProtocol)協定、SDAP(ServiceDiscoveryApplicationProfile)、以及L2CAP(LogicLinkControlandAdaptationProtocol)協定。另外，為了彌補Bluetooth規格未定義詳盡的地方，我們在系統及程式發展中創造了新的輔助函式，使系統程式能完整正常的運作。在專題中的硬體部份我們採取自行製作之數位語音電路，作為日後繼續發展各項應用之基礎。這個電路，我們稱之為BluetoothPhoneEmulationBoard，我們運用PCMCodec晶片、SLIC(SubscriberLineInterfaceCircuit)晶片來完成此一電路，並整合BluetoothModule於其上。我們將此電路與一般市售有線電話搭配，實現藍芽無線電話系統之功能。關鍵詞：藍芽無線電話系統、Bluetooth、TCS、SDP、L2CAP、PCM、SLIC。一、前言Bluetooth的發展解決了許多短距離無線連結的需求，目前BluetoothSpecialInterestGroup(SIG)廠商也陸續推出各式Bluetooth產品。在Bluetooth的各種應用技術中，BluetoothTelephony技術最為複雜、相關技術背景知識要求最多、目前也尚無產品問世。我們的主題—“藍芽無線電話系統”完全實現BluetoothTelephony功能，此項應用需結合Telecommunication、Datacommunication、EmbeddedSystem、及語音與數據整合等多項技術。由於在Bluetoothnetwork中每一台Bluetooth設備皆可自由移動，因此在piconet中可提供的服務隨時都不同，這部分和傳統的網路環境具有很明顯的差異。為了能夠解決這一部份的問題，Bluetooth制定一個很獨特的協定－服務搜尋協定（SDP）。SDP可讓每一個應用程式隨時、即時的找到目前piconet中所有提供服務的設備以及其服務的特性。由於SDP在Bluetooth協定中極為重要，因此“服務搜尋協定(ServiceDiscoveryProtocol)實作”，也是我們在此次競賽中的主題。我們的專題在技術創新部分，以更簡潔且更為快速的程式碼實現了複雜的TelecommunicationSignaling功能；在程式語法上，我們比傳統實現Q.931FiniteStateMachine的方法更為精簡，並達成相同的目的；我們創造新的輔助函式，使Bluetoothprotocol不足之處更為完備；SDP部分，我們自建符合SDP環境的資料庫與搜尋方式，讓SDP讀寫、搜尋資料庫能夠更為快速；我們將Bluetoothprotocolstack實現成Embeddedsystemmodule，可以隨時依需要抽換；我們在資源有限的情形下，使用一般的市售電話來實現無線手機雛型，這種方式同時也讓一般市售電話機只要接上了我們的藍芽無線通訊裝置，就能馬上具有無線電話與對講機之功能；我們在EricssonBluetoothModule功能不全，不能建立Piconet的情形下，設計新的方法完成WUGGroup建立與FastInter-MemberAccess；在應用創新部分，透過BluetoothGateway先進的Signaling程序，我們可以建立起多對通話連線，可以選擇同時獨立通話而沒有數量的限制，這是目前家用無線電話無法做到的。藍芽無線電話系統與搜尋服務協定的實作成果在第五節將會做更詳細的說明。教育部八十九學年度通訊科技專題製作競賽入選論文集2二、研究目的由於Bluetooth技術具有不受方向限制、可穿透障礙物、具有比傳統電話更大傳輸量、更多方面應用、以及更快傳輸速率等優點，同時Bluetooth也是第一個可將通訊、資訊、消費性電子產品這三類廠商結合在一起的技術；再者，Bluetooth提出後，世界各大廠一致看好並相繼加入聯盟；更何況臺灣廠商一向在消費性產品有著強大的競爭力，所以我們認為Bluetooth是一個非常適合台灣的研究領域，我們希望能協助廠商進行先期的研究開發，並作為他們的助力。在專題題目選取方面，我們發現在一般辦公室的環境中，通常以有線電話作為電話分機，因而需要大量的佈線工程和許多昂貴的交換機設備，而有線電話由於必須固接於一處，不具可攜性，因此常會發生打電話到某分機卻找不到人，或是常需轉接數次才能找到通話對象的情形。目前市面上販售的家庭用無線電話，容易受到雜訊干擾，而且並無加密的機制，有被竊聽的危險。一般的無線電話子機有數目的限制，而且只能使用於同一廠牌的母機，無法任使用者將其帶到其他場所與不同廠牌之無線母機通話。由發展Bluetooth技術的構想與解決上述問題的想法，我們研發出了這套系統---”藍芽無線電話系統”以及“藍芽服務搜尋協定”（SDP）。我們根據Bluetooth規格書中的CordlessTelephonyProfile、IntercomProfile、及ServiceDiscoveryApplicationProfile來規劃我們的系統。我們將Bluetooth規格書中的TCSProfile加以延伸，加強了TCS的功能，開發以藍芽為無線傳輸媒介的無線電話系統。這樣的無線電話系統可以裝設於辦公環境中，取代行之有年的有線電話分機系統，節省佈線經費及維護複雜度。同時由於Bluetooth技術的公開性，不同廠牌的無線子機和無線母機間的互通將成為可能。藉由TCS中GroupManagement的功能，藍芽無線電話系統使辦公室分機可以隨身攜帶，而隨著使用者的移動加入不同BluetoothGateway的群組中，因此可達成分機的可攜性。除了一般無線電話的應用之外，藍芽無線電話系統也支援無線子機之間互相通話的對講機功能，透過BluetoothGateway先進的Signaling程序，我們可以建立起無限多對通話連線，沒有數量的限制。本專題所發展之藍芽無線電話系統與服務搜尋協定將來可與PDA或其他小型無線裝置整合，發展出能整合語音通訊、資料傳遞、資訊家電控制的多功能無線視訊電話系統。若將我們所開發的藍芽無線電話系統與行動電話系統整合在一起，更可發展出結合行動電話、室內無線電話、對講機功能於一身的三用電話。三、原理與分析1TCS結構圖在Bluetooth的協定架構中，Bluetooth無線電話系統使用到的核心，也是最主要的部分叫做TCSBinary（BluetoothTelephonyControlprotocolSpecificationBinary），它是根據ITU-TQ.931所制定出來的，與Q.931不同的是，TCS並沒有利用使用者和網路端來作區別，只以發話端（Outgoingside）與受話端（Incomingside）表示。如圖3.1所示，TCS位於L2CAP上層，利用L2CAP傳送訊息及建立連結。圖3.1TCSwithintheBluetoothstackTCS功能如下：CallControl（CC）：利用signaling的方式建立和釋放Bluetooth機器之間的語音和數據通道。GroupManagement（GM）：利用signaling方式減輕管理Bluetooth機器所需的負擔。1.1CALLCONTROL（CC）CallControl主要目的是利用訊息傳遞以建立和釋放兩個藍芽裝置間的語音及資料通道﹔其包含了兩種程序，通話建立程序（CALLESTABLISHMENT）及通話清除程序（CALLCLEARING）。1.1.1CALLESTABLISHMENT教育部八十九學年度通訊科技專題製作競賽入選論文集31.1.1.1通話的要求由發話端（Outgoingside）傳送SETUP訊號給受話端（Incomingside）來啟動整個通話建立（callestablishment）的程序。發話端在傳送SETUPMESSAGE後，發話端的CC狀態機進入Callinitiated狀態，而受話端接收到SETUPMESSAGE，受話端的CC狀態機會進入CallPresent的狀態。受話端傳送CONNECT訊息來告訴發話端它所呼叫的電話已被接通，並且停止鈴聲，開始計時（T313計時器）。發話端收到受話端所傳來的CONNECT訊息後，會停止所有的計時，並且完成SCO或ACLLink兩端的連接，之後再傳送CONNECTACKNOWLEDGE表示已建立起資料傳送的連結，而且進入Active狀態。而受話端在收到這個訊息後立即停止T313計時器，並進入Active狀態，之後兩端即可傳送資料。假使T313計時器逾時，則發話端會啟動啟動CallClearing程序。OutgoingsideT303SETUPALERTINGIncomingsideCONNECTACKNOWLEDGECONNECTT301T301圖3.2整個通話建立訊息傳遞的流程1.1.2CALLCLEARING發話端結束通話時，會傳送DISCONNECT訊息，結束與受話端之間的語音或資料通道，進入DisconnectRequest狀態，而受話端進入DisconnectIndication狀態。DISCONNECT訊息告訴受話端要結束彼此之間的通訊，若彼此通訊已經結束，則受話端傳送RELEASE訊息給發話端會進入ReleaseRequest狀態。發話端收到RELEASE訊息後，釋放通道並傳送RELEASECOMPLETE訊息，回到Null狀態。受話端收到RELEASECOMPLETE訊息後，回到Null狀態。T305DISCONNECTRELEASEDISCONNECTT308圖3.3通話清除程序訊息傳遞流程1.2GROUPMANAGEMENT（GM）1.2.1WirelessUserGroup在GM的協定中，多台支援TCS的Bluetooth裝置可以組成一個WUG。其中有一台裝置作為WUGmaster，其它裝置則為WUGmember。每個WUG中的成員都擁有所有WUGmember或是WUGmaster裝置的資訊。WUGmaster會藉由ConfigurationDistribution將這些資訊送給所有WUGmember。1.2.2概觀GroupManagement的功能分成三個不同的程序，分別為Obtainaccessrights、Configurationdistribution和Fastinter-memberaccess，主要功能是在建立並維護WirelessUserGroup(WUG)的成員資訊。1.2.2.1ObtainAccessRights經由使用ObtainAccessRights的程序之後，此台裝置就具有使用位於同一個WUG中其它裝置所提供的電話服務的權利。T401AccessRightRequestAccessRightAcceptorAccessRightReject圖3.4ObtainAccessRightsMessageFlow1.2.2.2ConfigurationDistribution當WUG中的狀況有了改變（例如，有裝置加入或退出、WUG結構改變）而且有必要通知在WUG中的member時就會進行ConfigurationDistribu