物联网通信技术--Bluetooth

近距离无线通信——Bluetooth技术物联网通信技术3.3Bluetooth技术3.3.1Bluetooth技术概述3.3.2Bluetooth协议体系结构3.3.3Bluetooth应用及产品3.3.1Bluetooth技术概述Bluetooth简介1998年5月爱立信、IBM、Intel、Nokia和东芝五家公司于联合成立了Bluetooth（蓝牙）特别兴趣小组（SpecialInterestGroup，SIG），并制订了短距离无线通信技术标准—蓝牙技术。Bluetooth利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的数据网络和小型的外围设备提供了统一的连接。Bluetooth能够有效地简化--多种通信终端(PDA/智能手机)-Internet使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。Bluetooth是实现语音和数据无线传输的开放性规范，蓝牙收发器的一般有效通信范围为10米，强的可以达到100米左右。“蓝牙”这个名字的来历颇具传奇色彩。公元10世纪的北欧正值动荡年代，各国之间战争频繁，丹麦国王哈拉德(Harald)二世挺身而出，到处疾呼和平。经过他的不懈努力，战争终于停止，各方领袖坐到了谈判桌前，至此，四分五裂的挪威和丹麦得以统一。Bluetooth命名由來Bluetooth首先由Ericsson提出.HaraldBlatand是10世紀的丹麦国王.在当时北欧的动荡年代，他統一了瑞典、丹麦和挪威的一部分。由于喜欢吃blueberry，牙齿成蓝色---Bluetooth取他的名字用意在强调這些北欧国家(丹麥瑞典挪威芬兰)对于通信产业的贡献.SIG也有意在统一无线局域网通信标准。在行业协会筹备阶段,往往需要一个极具有表现力的名字来命名高新技术。Blatand国王将现在的挪威，瑞典和丹麦统一起来；就如同这项即将面世的技术，技术将被定义为允许不同工业领域之间的协调工作。古北欧字母“H”和“B”各种通信设备、电器设备之间的“无线沟通”，是技术层面上的跨平台的“大统一、大联合消除cable（1）拓扑结构蓝牙技术支持点对点或点对多点的话音、数据业务，采用一种灵活的无基站的组网方式。一个蓝牙设备可同时与多个蓝牙设备相连，在有效通信范围内所有设备的地位都是平等的，具有相同的权限。首先提出通信要求的设备称为主设备（master），被动进行通信的设备称为从设备（slave）。3.3.1Bluetooth技术概述Bluetooth的特点（1）拓扑结构利用时分多址（TDMA，TimeDivisionMulti-access），一个master最多可以同时与7个slave进行通信。一个master与一个以上的slave构成的网络成为主从网络（piconet），又称微微网。两个以上的piconet之间存在着设备间的通信则构成了散射网（scatternet）。3.3.1Bluetooth技术概述Bluetooth的特点多个蓝牙设备组成的微微网PiconetBluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述多个微微网组成的散射网scatternetBluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述微微网（皮网）MasterSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlave一个微微网可由8个蓝牙设备组成。在同一个微微网中，主设备为所有的设备提供时钟和跳频同步序列。在同一个微微网中，所有的设备有同样的跳频序列。分散网MasterSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveMaster两个或更多的微微网在重叠的区域可以建立特殊的呼叫。微微网的应用（一拖七）建立通信的过程Standby(缺省)Inquiry(查询)(unknownaddress)Page(寻呼)(knownaddress)Connection.Activepower(活动)•Sniff(呼吸)•Hold(保持)•Park(休眠)•Standby–等待加入一个微微网。•Inquiry–邀请周围的无线连接。•Page–连接一个明确的无线链路。•Connected–加入一个皮网(主设备或者从设备)蓝牙系统—四个功能单元组成天线单元链路控制（固件）单元链路管理（软件）单元蓝牙软件（协议栈）单元1.无线单元蓝牙是以无线LAN的IEEE802.11标准技术为基础的，使用2.45GHzISM（工业、科学、医学）全球通自由波段。蓝牙天线属于微带天线，空中接口是建立在天线电平为0dBm基础上的，遵从FCC（美国联邦通信委员会）有关0dBm电平的ISM频段的标准。蓝牙设备的最大发射功率分3个等级，100mW（20dBm），2.5mW（4dBm），1mW（0dBm)。当采用扩频技术时，其发射功率可增加到100mW。频谱扩展功能是通过起始频率为2.402GHz、终止频率为2.480GHz、间隔为1MHz的79个跳频频点来实现的。其最大的跳频速率为1660跳/s。系统设计通信距离为10cm～10m，如增大发射功率，其距离可长达100m。蓝牙适配器5mm10mm天线滤波器蓝牙芯片9×9mm9mm18mm链路控制器（LC）的单元包括3个集成芯片：连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器，此外，还使用了单独调谐元件。链路控制器负责处理基带协议和其他一些底层常规协议。链路控制器（Linkcontroller）链路管理（LM）软件模块实现链路的建立、认证及链路硬件配置等。链路管理器可发现其他链路管理器，并通过链路管理协议（LMP）建立通信联系。LM提供的服务有：发送和接收数据、请求名称、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建立、决定帧的类型等。链路管理（Linkmanagement）1跳频技术2．4GHz频段中还有802．11b，HomeRF及微波炉、无绳电话等电子设备，为了与这些设备兼容，蓝牙采用了AFH（AdaptiveFrequencyHopping），LBT（ListenBeforeTalk）、功率控制等一系列独特的措施克服干扰，避免冲突。Bluetooth关键技术补充知识—跳频通信FH：FrequencyHopping跳频（FH，FrequencyHopping）在无线传输中，射频频率按照某种特定算法发生的重复变化.指在接收或发送一分组数据后，即跳至另一频点。对于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒。对于多时隙包，蓝牙的跳频速率有所下降，但在建立链路时则提高为3200跳/秒。发展史：（1）是扩频通信的一个分支，突出优点是抗干扰性强，因而很适用于军事领域。（2）70年代末第一部跳频电台问世，就预示着其发展势头锐不可挡。到了８０年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。（3）通信的安全性而言，跳频短波通信比卫星通信更为可靠。这是因为提供卫星服务的机构对其所属国承担了战略责任，必须受到该国政府的控制。而跳频短波通信是完全自主的，因而也是最可信赖的。（4）90年代，在军用跳频通信领域已相当成熟的同时，跳频通信的应用又拓宽到民用领域。跳频在GSM中应用技术最初用于军事传输系统，目的是保证安全性和防止拥塞,有效地提高系统质量,提高频率利用率.用在GSM上,主要是用来解决容量以及通话质量问题.使用跳频的背景:网络的不断扩容，导致频率的复用愈来愈密，频率规划愈来愈难，来自网内的干扰愈来愈多频率复用度的提高，使本网受网外频点干扰影响的机率愈来愈大保持频点的相对整洁、干净使用跳频可以降低频率的冲撞机率使用跳频可以提高网络的容量使用跳频可以改善通话质量跳频解决容量需求蜂窝系统的原则是不断的频率复用,以最少的频谱得到最大的容量频率复用的紧密带来---同频干扰、邻频率干扰跳频是指某次通话所使用载波频率在一定范围内，按某种规律跳变。每个小区信道组的跳频功能都能单独激活或关闭。跳频……Bn||fnBn-1||fn-1B1||f1BURST信息通过不断跳跃改变的频率来传输多径衰落产生于散射的环境是移动通信特有的现象降低传输质量，是影响网络质量的关键因素是任何移动通信系统都面临的挑战多径衰落（Multipath）2012-12-1234FrequencyTimeSignalf1f2f3LowcorrelationHighcorrelationClosefrequenciesexhibitsimilarfading对网络质量的影响多径衰落的频率响应跳频的理论依据？平滑快衰落环境跳频的频率分集信号衰落的谷点在不同的频率出现在不同的位置采用跳频，每个突发脉冲的调制频率不同，如果某一频点发生了频率选择性衰落，则手机接收的信号位于谷点的时间不会超过一个burst周期抑制衰落的有效手段：频率分集F1F2CorruptedBurstsF1NonHoppingHoppingSpreadcorruptedbursts平滑、均化干扰跳频的干扰分集B4B3B2B1f4f3f2f1f4f3f2f1在GSM系统中，小区中每个频点所受的干扰强度和分布是不一样的，同一路通话的突发脉冲的载频的变化，降低了信号所受的干扰？？？，通话受到的电波干扰被平均否则，移动台一直工作在固定的频点上，则整个通话过程的每一个突发脉冲可能都会受到固定不变的强干扰。FH把干扰分散到了携带突发脉冲的不同载频上，这种效果被称为“均化干扰”或“干扰分集”蜂窝网络是频率复用的，同频干扰是存在，跳频使信号所受的是不连续的干扰，而非连续干扰，电波环境得到了改善。对于每一个突发脉冲所受的干扰是变化的，这一点有利于通话质量的提高，否则，整个通话会受到很大干扰-----干扰分散到了携带突发脉冲的不同的载频上。2012-12-1239非跳频网络中的干扰情形●空间上●干扰集中在同频的扇区●时间上●干扰无时不在●用户受到持续的干扰●解决手段－加大同频基站的距离●代价－频率复用率降低f1f1Interferenceareas2012-12-1240●空间上●干扰分布在各个扇区●时间上●¸干扰无时不在●用户仅受到临时的干扰f1f2f3f4f1f2f3f4f1f2f3f4f1f2f3f4跳频网络中的干扰情形2012-12-1241f1f2f3f4f1f2f3f4f1f2f3f4f1f2f3f4跳频网络中的干扰情形干扰在时域和空间的分布－干扰分集–减少每个用户受到干扰的机率–充分发挥信道编码和交织技术–平均话音质量得以提高使AGR得以使用GSM系统的跳频示意图•采用每帧改变频率的方法，即每隔4.615ms改变载波频率，亦即跳频速率为1/4.615ms=217跳/秒。Bluetooth工作频段----2.4GHzISM频段ISM频段：IndustryScienceandMedicalBand（工业、科学、医学）。信道数：79个（0-78）范围：2.402GHz-2.480GHz信道间隔：1MHzGeographyRegulatoryRangeRFChannelEurope/USA/Japan2400~2483.5MHzf=2402+kMHz,k=0,…,78France2446.5~2483.5MHzf=2454+kMHz,k=0,…,22数据速率：①1MBit/sgross②分组交换或电路交换模式③异步数据和同步语音功率：①Class1:+20dBm(withPA)②Class2:+4dBm（-6-+4dBm）③Class3:0dBm跳频图案跳频通信时，收发双方必须采用同一种跳频图案。三个条件：跳频频率相同；跳频序列相同；跳频的时钟相同（允许存在一定的误差）FH图案选择随机性：参与FH的每个频率出现概率大致相同—抗干扰能力强密钥量大：FH图案数目足够多正交性好：FH图案出现频率重叠的机会尽量小，有利于组网和多用户4、跳频2.4022.480freqslavemastertime2.链路控制（LC，固件）单元链路控制单元链路控制单元（即基带）描述了硬件——基带链路控制器的数字信号处理规范。基带链路控制器负责