物联网通信技术4

近距离无线通信技术——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的来源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（BluetoothSpecialInterestGroup，BSIG），并制订了短距离无线通信技术标准—蓝牙技术。蓝牙（Bluetooth）技术是一种短距离无线电技术。蓝牙技术利用短距离、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。蓝牙技术能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，以及这些设备与因特网Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙技术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。Bluetooth的来源3.3.1Bluetooth技术概述（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Bluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述多个微微网组成的散射网Bluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述（2）系统组成蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（硬件）、链路管理（软件）和蓝牙软件（协议）等4个功能模块组成，如图所示。Bluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述蓝牙系统的组成天线部分体积小巧，属于微带天线。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。Bluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述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。Bluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述（3）射频特性蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段，用户可以在2400-2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发频段。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz，采用时分双工方式。蓝牙的无线发射机采用FM（frequencymodulation）调制方式，即以载波的瞬时频率变化来表示信息,从而能降低设备的复杂性。Bluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述蓝牙设备的最大发射功率分3个等级，100mW（20dBm），2.5mW（4dBm），1mW（0dBm)。蓝牙设备之间的有效通信距离大约为10～100m。（4）跳频技术跳频（FH，FrequencyHopping）是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。3.3.1Bluetooth技术概述Bluetooth的特点（4）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的特点3.3.1Bluetooth技术概述（5）TDMA结构TDMA（TimeDivisionMultipleAccess），即时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在给定的时隙中传输，各移动终端只要在相应的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。Bluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述（5）TDMA结构蓝牙的数据传输率为1Mbit/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625μs。蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，分别为SCO（SynchronousConnectionOrientedLink）链路和ACL（AsynchronousConnectionlessLink）链路。前者主要传送话音等实时性强的信息，后者则以数据为主。Bluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述（6）软件的层次结构蓝牙的通信协议采用层次结构，其程序写在一个9mm×9mm的微芯片中。底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，层次结构具有很大的通用性和灵活性。根据通信协议，各蓝牙设备在任何地方都可以通过人工或自动查询来发现其他蓝牙设备。3.3.1Bluetooth技术概述Bluetooth的特点（7）纠错技术蓝牙系统的纠错机制分为前向纠错编码（FEC）和包重发（ARQ），支持1/3率和2/3率FEC编码。FEC编码方式的目的在于减少数据重发次数，但在无差错环境下，FEC方式会降低数据吞吐量。Bluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述（8）编码安全在全球范围内，蓝牙可应用于任意的小范围通信，每一蓝牙设备，都可根据IEEE802标准得到一个唯一的48位的BD-ADDR地址码。在BD-ADDR基础上，使用一些性能良好的算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码（ID）在全球的唯一性蓝牙技术在物理层、链路层、业务层3个层次上提供安全措施，充分保证通信的保密性。Bluetooth的特点3.3.1Bluetooth技术概述指标类型系统参数工作频段ISM频段，2.402～2.480GHz双工方式全双工，TDD时分双工业务类型支持电路交换和分组交换业务数据速率异步信道速率同步信道速率1Mbit/s非对称连接为721kbit/s、57.6kbit/s，对称连接为432.6kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率64kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率功率美国FCC要求小于0dBm（1mW），其他国家可扩展为100mW跳频频率数79个频点/MHz跳频速率1600跳/秒工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式面向连接业务（SCO），无连接业务（ACL）纠错方式1/3FEC、2/3FEC、ARQ等信道加密采用0位、40位和60位密钥发射距离一般可达10cm～10m，增加功率的情况下可达100m蓝牙规范公布的主要技术指标和系统参数3.3.2Bluetooth协议体系结构蓝牙协议栈蓝牙的协议体系分为四层：核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和可选协议。（1）核心协议层基带（Baseband）、链路管理协议（LinkManagerProtocol，LMP）、逻辑链路控制和适配协议（LogicalLinkControlandAdaptationProtocol，L2CAP）、服务发现协议（ServiceDiscoveryProtocol，SDP）3.3.2Bluetooth协议体系结构协议体系结构（2）替代电缆协议层串口仿真协议（RFCOMM）（3）电话控制协议层二进制电话控制规范（TCSBinary）AT指令（ATcommand）3.3.2Bluetooth协议体系结构协议体系结构（4）可选协议点到点协议（PPP）、用户数据报协议/传输控制协议/互联网协议（UDP/TCP/IP）、对象交换协议（OBEX）、无线应用协议（WAP）、无线应用环境（WAE）、电子名片（vCard/vCal）、红外移动通信（IrMC）3.3.2Bluetooth协议体系结构协议体系结构蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙指定协议组成，而其他协议则根据应用的需要而定。下面主要介绍蓝牙核心协议。（1）基带协议基带协议为两个或多个蓝牙单元之间建立物理射频连接。协议体系结构3.3.2Bluetooth协议体系结构（2）链路管理协议（LMP）链路管理协议管理基带层内主从网络的运行，负责两个或多个设备之间的链路设置和控制,包括传递验证和加密，管理链路密钥。协议体系结构（3）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）位于基带协议之上，为低层的数据服务，向上层提供面向连接和无连接的数据服务。协议体系结构（4）服务发现协议（SDP）使用SDP，可以查询到设备和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。协议体系结构3.3.3Bluetooth的应用及产品蓝牙SIG中定义了多种应用模型，包括通用接入应用模型、业务发现模型、无绳电话应用模型、对讲系统模型、串口应用模型、耳机应用模型、拨号网络应用模型、传真应用模型、局域网接入应用模型、通用对象交换应用模型、对象推出应用模型、文件传送应用模型、同步应用模型、高质量音频视频无线传输应用模型、免提应用模型、基本静态图像应用模型等。蓝牙应用模型串口应用模型（SerialPortProfile，SPP）定义了蓝牙设备如何使用RFCOMM来模拟一个串行电缆连接，包括建立仿真串行链路的过程以及与串行仿真协议（RFCOMM）、逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）、服务发现协议（SDP）、链路管理器协议（LMP）和链路控制层的互操作性要求。蓝牙应用模型蓝牙应用模型串口应用模型SPP协议体系结构基带LMPL2CAPRFCOMMSDP串口仿真实体应用程序基带LMPL2CAPRFCOMMSDP串口仿真实体应用程序设备A设备B设备A建立链路和设置虚拟串口连接的实现步骤：使用服务发现协议得到远端设备上应用的RFCOMM服务器信道号；作为可选项，远端设备可以要求进行自我鉴权，也可以采用加密；请求与远端RFCOMM实体建立一条新的L2CAP信道；在该L2CAP信道上启动一个RFCOMM会话进程；使用前面得到的RFCOMM服务器信道号在会话上建立新的数据链路连接。蓝牙应用模型设备B接受链路和设置虚拟串口连接的实现步骤：如果远端设备要求鉴权和加密，就要参与鉴权和加密过程；接受请求建立L2CAP新信道；在新建立的信道上建立RFCOMM会话；在该RFCOMM进程上接受一个新的数据链路的连接。蓝牙应用模型最后，设备B在本地SDP数据中注册服务记录。市面上的蓝牙产品主要包括蓝牙耳机、蓝牙适配器、车载蓝牙多媒体系统、车载蓝牙电话、蓝牙键盘和鼠标、蓝牙网关、蓝牙无线条码扫描枪等。蓝牙技术可以用来连接其他的无线设备、下载照片、进行多人游戏，甚至可以进行自动存取款、订票。蓝牙技术的应用涉及到居家、工作、娱乐等方面，为我们的生活带来极大的便利，使得物物联网的概念成为现实。2010年7月