移动计算技术-无线个域网-2014

移动计算技术张冠华教育部软硬件协同设计技术与应用工程研究中心无线个域网内容提要•概述•IEEE802.15标准•蓝牙技术简介•蓝牙无线电规范•蓝牙基带规范•蓝牙链路管理器规范•蓝牙逻辑链路控制和自适应协议•蓝牙服务发现协议概述无线个人区域网(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN，简称无线个域网)技术就是一种满足上述应用需求的小范围无线连接、微小网自主组网的通信技术。无线个域网无线个域网技术•蓝牙(BlueTooth)•IrDA•HomeRF•UWB•ZigbeeIEEE802.15标准IEEE802.15工作组是IEEE针对无线个人区域网(WPAN)而成立的，开发有关短距离范围的WPAN标准。802.15标准构成•802.15.1是以既有蓝牙标准为基础，制定蓝牙无线通信规范的一个正式标准。•802.15.2工作组目的是要802.11和802.15开发共存的推荐规范。•802.15.3工作组的兴趣在开发对比于802.11设备是低成本和低功耗的设备的标准上。•802.15.3a的目标是要在使用同样的MAC层上提供比802.15.3更高的数据率•802.15.4工作组则开发了一个非常低成本、非常低功耗的比802.15.1数据率要低的设备标准。IEEE802.15协议体系结构WLAN与WPAN蓝牙技术简介•是IEEE802.15.1的基础，源于1994年爱立信公司的一项研究，旨在在移动电话及其附件之间探求一种新的低功耗、低成本的空中接口。•1998年5月，4家公司联合成立蓝牙特殊利益集团(SIG)•1999年7月SIG公布了蓝牙规范1.0版•1999年12月公布了蓝牙规范1.0b版•2001年4月公布了1.1版•2003年11月公布了1.2版本•2004年8月公布了2.0版本4.3.1蓝牙技术的诞生与发展为什么叫蓝牙？蓝牙是什么？蓝牙技术优点•(1)可以随时随地地用无线接口代替有线电缆连接；•(2)具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，如WAP、GSM(全球移动通信系统)、DECT(欧规数字无绳通信)等，引入身份识别后可以灵活地实现漫游；•(3)低功耗，对人体伤害小；•(4)蓝牙集成电路简单，成本低廉，实现容易，易于推广。蓝牙标准文档构成•核心规范(corespecifications):描述了从无线电接口到链路控制的不同层次蓝牙协议体系结构的细节。•概要规范(profilespecifications):考虑使用蓝牙技术支持不同的应用。每个概要规范讨论在核心规范中定义的技术，以实现特定的应用模型(UsageModel)。蓝牙协议体系结构核心协议(coreprotocol)形成五层栈•(1)无线电(radio)：确定包括频率、跳频的使用、调制模式和传输功率在内的空中接口细节。•(2)基带(baseband)：考虑一个微微网中的连接建立、寻址、分组格式、计时和功率控制。•(3)链路管理层协议(linkmanagerprotocol，LMP)：负责在蓝牙设备和正在运行的链路管理之间建立链路。这包括诸如认证、加密及基带分组大小的控制和协商等安全因素。•(4)逻辑链路控制和自适应协议(logicallinkcontrolandadaptationprotocol，L2CAP)：使高层协议适应基带层。L2CAP提供无连接和面向连接服务。•(5)服务发现协议(servicediscoveryprotocol，SDP)：询问设备信息、服务与服务特征，使得在两个或多个蓝牙设备间建立连接成为可能。应用模型大量应用模型定义在蓝牙的概要规范文档中。本质上，一个应用模型是一套实施特定的基于蓝牙的应用的协议。每个概要文件定义了支持一特定应用模型的协议和协议特性。文件传输文件传输应用OBEXRFCOMML2CAPSDP拨号联网Modem传真或驱动器应用AT命令RFCOMML2CAPSDPPPPLAN接入LAN接入应用例如IPRFCOMML2CAPSDPPPP同步同步应用IrMCRFCOMML2CAPSDPOBEX无绳电话或内部通信无绳电话或基站应用TCSBIN音频L2CAPSDP耳机HS网关或基站应用AT命令RFCOMML2CAPSDP音频蓝牙应用连接计算机和其他设备支持自组织网络充当访问Internet的接入点构建居家环境案例运动中的连接微微网和散布式网络•蓝牙中的基本联网单元是一个微微网，它由一台主设备和1~7台活跃的从设备组成。•一个微微网中的设备也可作为另一个微微网的一部分存在，并在每个微微网中，起从设备或主设备功能,这种形式的重叠被称为散布式网络(scatternet)。主/从关系无线网络的配置蓝牙无线电规范拓扑一个逻辑的星形结构中，高达7条并行链路调制GFSK数据速率的峰值/Mb/s1RF带宽220kHz(-3dB)，1MHz(-20dB)RF波段2.4GHz,ISM波段RF载波23/79载波的间隔/MHzl传输功率/W0.1微微网的接入FH-TDD-TDMA频跳率/跳/s1600分布式网络的接入FH-CDMA国际上蓝牙的频率分配区域调节范围/GHzRF信道美国、欧洲的大部分国家和其他国家中的大部分2．4~2．4835f＝2．402+nMHz，n＝0，…，78日本2．471~2．497f=2．473+nMHz，n＝0，…，22西班牙2．445~2．475f=2．449+nMHz，n＝0，…，22法国2．4465~2．4835f=2．454+nMHz，n＝0，…22蓝牙利用波段中的2.4GHz波段。在大多数国家，此带宽足以定义79个1MHz的物理信道无线电规范给出３类基于输出功率的发射器定义:•１类：最大范围的输出为100mW(+20dBm)，最小为1mW(0dBm)．在该类发射器中，功率控制是强制的，范围为4dBm—20dBm．此模式提供最大距离．•２类：最大输出为24mW(+13.8dBm)，最小为0.25mW(-6dBm)。功率控制是可选的．•３类：最小功率．名义上的输出为1mW.发射器定义蓝牙基带规范•跳频•物理链路•分组•纠错•逻辑信道•信道控制•蓝牙音频跳频•目的：–(1)它阻碍干扰和多路效应。–(2)它为放置在不同微微网中的设备提供多种接入的形式。•总带宽被分为79(几乎所有国家)个物理信道，每个信道的带宽为1MHz。在一个伪随机序列中，通过从一个物理信道跳到另一个物理信道，出现了跳频。物理链路•面向同步连接(synchronousconnectionoriented，SCO)：在涉及主设备和一个单独从设备的点对点连接间分配固定的带宽。在规则的间隔中，主设备通过使用预留的时隙维持SCO链路。预留的基本单位是两个连续的时隙(每个在各自的传输方向上)。主设备能支持的并行SCO链路高达3个，而从设备能支持2或3个SCO链路。SCO分组不重传。•异步无连接(asynchronousconnectionless，ACL)：主设备与微微网中所有从设备间的一条点对多点的链路。在未预留给SCO链路的时隙中，主设备能与任一以单时隙为基础的从设备交换分组，包括已在SCO链路上的从设备。只有单独的ACL链路可以存在。大多数ACL分组使用分组重传。分组纠错蓝牙使用三种纠错模式：(1)l/3比例的FEC(forwarderrorcorrection，前向纠错)。(2)2/3比例的FEC。(3)ARQ(automaticrepeatrequest，自动重发请求)。逻辑信道(1)链路控制(linkcontrol，LC):用于在链路接口管理分组的通信量．(2)链路管理(linkmanager，LM)：在参与站点之间传输链路管理信息．(3)用户异步(userasynchronous，UA)：传送异步用户数据．(4)用户等时(userisochronous，UI)：传送等时用户数据．(5)用户同步(usersynchronous，US)：传送同步用户数据．信道控制•两个主要的状态：•(1)维持(standby)：默认状态。这是一个低功率状态，只有一个本地时钟在工作。•(2)连接(connection)：设备作为主站或从站连到微微网。7个临时子状态(1)寻呼(page)：(2)寻呼扫描(pagescan)(3)主站响应(masterresponse)(4)从站响应(slaveresponse)(5)查询(inquiry)(6)查询扫描(inquiryscan)(7)查询响应(inquiryresponse)状态转换图蓝牙音频基带规范规定可以使用两种语音编码模式：•脉冲代码调制(pulsecodemodulation,PCM)。•连续可变的斜率增量(continuouslyvariableslopedelta,CVSD)调制。注：由两个通信设备的链路管理器进行选择。蓝牙链路管理器规范•LMP管理主站与从站间的无线电链路的各个方面。协议涉及主站和从站的LMP实体间表现为LMPPDU(protocoldataunit，协议数据单元)形式的报文的交换。报文总是作为单个分组发送，该分组带有一位标识报文类型的负载首部，和一个包含与此报文相关的附加信息的负荷实体。•为LMP定义的过程被分为24个功能区，其中每个都涉及一个或多个报文的交换。蓝牙逻辑链路控制和自适应协议•与IEEE802规范中的逻辑链路控制(LLC)相同，L2CAP(logicallinkcontrolandadaptationprotocol，逻辑链路控制和自适应协议)在共享媒介网络的实体间提供一个链路层协议。•L2CAP为流和差错控制提供大量服务，它依赖于更低层(基带层)。•L2CAP使用ACL链路，它不支持SCO链路。L2CAP信道•三种类型的逻辑信道：•(1)无连接(connectionless)：支持无连接服务。每个信道是单向的，该信道类型一般用于主站向多个从站广播。•(2)面向连接(connection-oriented)：支持面向连接的服务。每个信道是双向的(全双工)。每个方向中定义一个服务质量(qualityofservice，QoS)的流规范。•(3)信令(signaling)：提供L2CAP实体问信令报文的交换。实例L2CAP分组信令命令码描述参数0x01命令拒绝理由0x02连接请求PSM、源CID0x03连接响应目的CID、源CID、结果、状态0x04配置请求目的CID、标志、选项0x05配置响应源CID、标志、结果、选项0x06取消连接的请求目的CID、源CID0x07取消连接的响应目的CID、源CID0x08回送请求数据(可选)0x09回送响应数据(可选)0x0A信息请求信息类型0x0B信息响应信息类型、结果、数据(可选)服务质量•L2CAP中的QoS参数定义一个基于RFC1363的通信流规范。一个流规范是一套参数，指出发送站点试图达到的性能级别。流规范参数组成(1)服务类型(2)令牌速率(字节/秒)(3)令牌桶的大小(字节)(4)带宽峰值(字节/秒)(5)等待时间(微秒)(6)时延变化(微秒)令牌桶图解蓝牙服务发现协议•在蓝牙规范提出之前，服务发现协议已经存在。•在蓝牙设备的无线网络中，本地设备发现、利用远端设备所提供的服务和功能，并向其它蓝牙设备提供自身的服务，这是网络资源共享的途径，也是服务发现协议要解决的问题。•服务发现协议提供了服务注册的方法和访问服务发现数据库的途径。•SIG针对蓝牙网络灵活、动态的特点，开发了蓝牙专用的服务发现协议。SDP能够提供的服务能力SDP将为客户提供搜寻所需服务的能力。SDP允许基于服务类型搜索服务。SDP可以执行服务浏览，而不用预先知道服务特征。SDP将提供一种方法来搜索新的服务。当设备进入客户设备邻频或处于客户邻频的设备的新服务可用时，这些服务才可用．SDP将提供一种机制来确定在设备离开客户设备邻频时，或者当处于客户设备邻频的设备上的新服务不可用时，设备在何时变为不可用．SDP将提供对服务、服务类型和属性的唯一标识。SDP应允许在一方设备上的客户在另一方设备上搜索服务，而不用查询第三方设备。SDP