無線個域網(wǎng)與Bluetooth

無線個域網(wǎng)與Bluetooth張明軍友情提示：本章內(nèi)容理論性較強(qiáng)，但提綱無線個域網(wǎng)—WPAN藍(lán)牙體系藍(lán)牙的核心協(xié)議藍(lán)牙的profile無線個域網(wǎng)無線個域網(wǎng)絡(luò)（WirelessPersonalAreaNetwork）是為了實現(xiàn)活動半徑更小：數(shù)米業(yè)務(wù)類型豐富：話音、數(shù)據(jù)、多媒體面向特定群體：家庭與小型辦公室智能終端的無縫連接而提出的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線個域網(wǎng)技術(shù)紅外技術(shù)Zigbee超寬帶技術(shù)（UWB）家庭射頻（HomeRF）藍(lán)牙……無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEEWPAN規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要集中在802.15系列802.15.1：是藍(lán)牙底層協(xié)議的正式標(biāo)準(zhǔn)化版本，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定仍由SIG完成802.15.1基于Bluetooth1.1802.15.1a對應(yīng)Bluetooth1.2802.15.2：解決WPAN與WLAN共存問題802.15.3：WiMedia，802.15.3a物理層使用UWB的多頻段OFDM，480Mb/s802.15.4：Zigbee，是低功耗、低復(fù)雜性、低速率的WPAN標(biāo)準(zhǔn)WPAN標(biāo)準(zhǔn)對比藍(lán)牙UWBZigbeeRFID發(fā)起時間1998年初2002年2月準(zhǔn)許民用2002年下半年1970年代末開始民用標(biāo)準(zhǔn)程度IEEE802.15.1IEEE802.15.3aIEEE802.15.4未統(tǒng)一通信距離1-10m<10m10-75m10cm-10m傳輸速率1Mb/s幾十~幾百Mb/s20-250Kb/s幾K~幾Mb/s通信方式載波調(diào)制基帶傳輸載波調(diào)制載波調(diào)制使用頻段2.4GHz3.1~10.6GHz2.4GHz,915M/868MHz50-500KHz,56MHz,0.9-2.5GHz典型應(yīng)用語音和數(shù)據(jù)傳輸，無線聯(lián)網(wǎng)數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)，超寬帶視頻傳輸無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)檢測門禁系統(tǒng)，物流管理，高速公路收費WPANVision@IEEERFIDWPANWLANsLowperformance,lowcostHighperformance,highercostIEEE802.15系列LayersFocusedMediumAccessControlSubLayerPhysicalLayerPhysicalDataLinkNetworkTransportSessionPresentationApplicationISO/OSIReferenceModelAreaofFocus}藍(lán)牙（Bluetooth）Bluetooth藍(lán)牙是一種短距無線通信技術(shù)規(guī)范目標(biāo)：替代便攜設(shè)備的連接線纜特點：可靠、低功耗、低成本短程：最大傳輸距離10米性能中等：721Kbps動態(tài)配置：自主聯(lián)網(wǎng)/漫游功耗：<2.5mW支持語音和數(shù)據(jù)傳輸藍(lán)牙的歷史1994年，Ericsson發(fā)起multi-communicatorlink的研究；1998年，成立特別興趣小組（SIG），并更名為bluetooth成員：Ericsson、IBM、Intel、Nokia、Toshiba目標(biāo)：將計算、通信設(shè)備以及附加設(shè)備通過短程、低耗、低成本的無線電波連接起來發(fā)展：隨著Lucent、3Com、Microsoft、Motorola加入SIG，現(xiàn)在SIG成員超過2500個1999年，Bluetooth1.0發(fā)布2002年，IEEE采納了bluetooth的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，發(fā)布了IEEE802.15.1為什么叫BluetoothEricsson借用了HaraldGormsen的昵稱blatand->”Bluetooth”丹麥的國王（A.D.940~985）統(tǒng)一了丹麥和挪威寓意統(tǒng)一不同制造商的不同設(shè)備2000年5月發(fā)布了藍(lán)牙應(yīng)用新圖標(biāo)Bluetooth的應(yīng)用藍(lán)牙好在哪里？沒有線纜連接時個域網(wǎng)（PAN）使得一組個人設(shè)備協(xié)同工作位置感知服務(wù)僅在有限范圍內(nèi)并且需要時訪問額外資源充當(dāng)進(jìn)入Internet的橋梁構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)運動中組網(wǎng)連接計算機(jī)以及其他外部設(shè)備支持自組織網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)訪問Internet的接入點構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)運動中的連接藍(lán)牙系統(tǒng)藍(lán)牙模塊藍(lán)牙應(yīng)用實例藍(lán)牙傳輸特性2.4GHzISM頻帶傳輸距離為10米連接便攜式和固定設(shè)備點/點和點/多點模式數(shù)據(jù)速率同步（電路交換技術(shù)）64kbps異步（分組交換技術(shù)）433.9kbps（對稱）723.2kbps（非對稱）藍(lán)牙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)點/點模式point-to-point兩個藍(lán)牙設(shè)備直接通信Piconet（微網(wǎng)）point-to-multipoint共享相同信道8個藍(lán)牙設(shè)備可在小型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信7個從設(shè)備和一個主設(shè)備通信Scatternet（散網(wǎng)）point-to-multipoint多達(dá)256個piconet可連接成更大的網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙的piconetPiconet的組成1個Master節(jié)點控制FH通信的同步7個Slaveactive節(jié)點3-bitActiveMemberaddress(AM_ADDR)255個非活躍Parked節(jié)點保持與master的同步?jīng)]有AM_ADDR8-bitParkedMemberAddress(PM_ADDR)藍(lán)牙的piconet藍(lán)牙的piconet藍(lán)牙的Scatternet時間和空間層疊的多個piconets組成一個散射網(wǎng)幾個masters鏈接到同一個slave一個master可以是另一個網(wǎng)絡(luò)的slave藍(lán)牙的Scatternet藍(lán)牙的Scatternet藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)兩大部分組成Core規(guī)范（核心規(guī)范）描述藍(lán)牙協(xié)議各層的功能和詳細(xì)定義包括無線接口、數(shù)據(jù)鏈路控制以及互操作和其他管理功能Profile規(guī)范（概要規(guī)范）規(guī)定了與傳統(tǒng)/新應(yīng)用相適配的協(xié)議和功能藍(lán)牙協(xié)議棧CoreCore包含如下5層協(xié)議:Radio

-描述空中接口，包括調(diào)頻的使用，調(diào)制模式和傳輸功耗.Baseband

-負(fù)責(zé)piconet內(nèi)的連接建立,尋址,包格式,能量控制等.Linkmanagerprotocol(LMP)

-鏈路建立和管理，鑒權(quán)和加密等.Logicallinkcontrolandadaptationprotocol(L2CAP)

-將上層協(xié)議適配到baseband層.L2CAP提供有連接和無連接兩類服務(wù).Servicediscoveryprotocol(SDP)

-支持設(shè)備信息,服務(wù)和服務(wù)特性的查詢，為藍(lán)牙設(shè)備的互聯(lián)提供支持.藍(lán)牙協(xié)議棧藍(lán)牙協(xié)議棧RFCOMM協(xié)議RFCOMM是藍(lán)牙規(guī)范定義的線纜替代協(xié)議.定義虛擬串口支持盡量透明化的線纜替代.支持二進(jìn)制的數(shù)據(jù)傳輸在baseband層模擬EIA-232控制信號EIA-232(RS-232)是一類廣泛應(yīng)用的串口標(biāo)準(zhǔn).TCSBINTCSBIN(telephonycontrolspecification—binary)藍(lán)牙定義的telephonycontrol協(xié)議.面向bit，定義了藍(lán)牙設(shè)備間執(zhí)行語音和數(shù)據(jù)呼叫的相關(guān)呼叫控制信令。此外，還定義了相關(guān)的移動性管理規(guī)程.自適應(yīng)協(xié)議其他協(xié)議組織定義，融合到藍(lán)牙協(xié)議體系中PPP

-point-to-pointprotocol，是internet標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，支持點到點鏈路上的IP數(shù)據(jù)包傳輸;TCP/UDP/IP

-TCP/IP協(xié)議棧的基礎(chǔ)協(xié)議;OBEX

-對象交換協(xié)議，IrDA定義，包括對象的表示和操作模型，類似于簡單的HTTP.例如，vCard和vCalendar;WAE/WAP

-涉及wirelessapplicationenvironment和wirelessapplicationprotocol.藍(lán)牙協(xié)議棧邏輯分組傳輸協(xié)議組：使藍(lán)牙設(shè)備確認(rèn)彼此位置，并創(chuàng)建、配置、管理物理和邏輯鏈路包括無線、基帶、鏈路管理器、邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議及主機(jī)控制器接口協(xié)議中間件協(xié)議組：為了在藍(lán)牙鏈路上運行應(yīng)用包括的一些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議PPP、IP、TCP、WAP、OBEX等RFCOMM、AT信令、SDP應(yīng)用組：包含使用藍(lán)牙鏈路的實際應(yīng)用應(yīng)用組中間件協(xié)議組傳輸協(xié)議組傳輸協(xié)議組中間件協(xié)議組應(yīng)用組藍(lán)牙的無線電層規(guī)范定義了載波頻率和輸出功率主要處理空中數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送特點低功率傳輸距離為10米2.4GHz的ISM79個信道，1MHz（2402to2480MHz）跳頻擴(kuò)頻技術(shù)收發(fā)器的能量分3級1級：100mW，強(qiáng)制功率控制2級：2.5mW，功率控制可選3級：1mW藍(lán)牙的基帶層基本功能執(zhí)行跳頻實現(xiàn)介質(zhì)訪問定義了物理鏈路定義了packet格式數(shù)據(jù)傳輸期間的頻率選擇M和S交替發(fā)送（TDD模式）數(shù)據(jù)傳輸期間保持頻率的跳變M設(shè)備和S設(shè)備之間的物理鏈路SCO(synchronousconnectionoriented)鏈路主要用于音頻/視頻傳輸M和S之間具有固定帶寬的點-點連接M為S預(yù)留2個連續(xù)時間槽傳送實時數(shù)據(jù)M可同時支持3個SCO每個S可有2～3個SCO（64kbps）Full-duplex通信M設(shè)備和S設(shè)備之間的物理鏈路ACL(asynchronousconnectionless)鏈路主要用于Best-effort的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)M和S之間的點-點/點-多點（廣播）連接在沒有預(yù)留給SCO的時間槽傳送無時間規(guī)律的分組每個S節(jié)點只有1條ACL分別對應(yīng)1-slot、3-slot、5-slot分組正向最大速率：723.3Kbps(5-slot)反向最大速率：57.6KbpsHalf-duplex通信半雙工/全雙工通信Half-duplex通信（ACL）一次往一個方向發(fā)送不對稱最大速率723.3kbps，反向為57.6kpbs對稱速率雙向發(fā)送，每個方向可達(dá)433.9kpbsFull-duplex通信（SCO）可同時雙向發(fā)送速率>64Kbps使用M預(yù)留的slot（避免同步和沖突）沒有為SCO鏈路預(yù)留的Slot可用于ACL鏈路藍(lán)牙的尋址Bluetooth設(shè)備地址（BD_ADDR）48位IEEEMAC地址活躍成員地址（AM_ADDR）3位活躍S設(shè)備地址全0廣播地址（M->S）駐扎成員地址（PM_ADDR）8位parked的S設(shè)備地址藍(lán)牙的鏈路管理規(guī)范能量控制：根據(jù)接收信號強(qiáng)度要求發(fā)送者調(diào)整發(fā)送能量能力協(xié)商：交換版本號和所支持的特性QoS協(xié)商：輪詢時間、延遲、傳送能力同步：修正時鐘偏差或者接受特殊的同步packet改變狀態(tài)和傳輸模式：M和S角色的改變鏈路控制：控制link活動安全服務(wù)：認(rèn)證、加密、密鑰的分發(fā)藍(lán)牙的信道控制兩種管理情形設(shè)備知道其他設(shè)備的參數(shù)執(zhí)行paging過程設(shè)備不知道其他設(shè)備的參數(shù)執(zhí)行inquiring和paging過程兩個主要過程Page用來建立與其他節(jié)點的鏈路Inquiry用來了解時鐘偏移和其他設(shè)備的地址微網(wǎng)的建立——Inquiry模式當(dāng)一個設(shè)備想建立一個piconet時79個無線載波中有32個用來wake-up載波Master依次在這32個載波上廣播查詢接入碼（IAC）一個standby設(shè)備想加入一個piconet時定期偵聽IAC消息返回一個packet（設(shè)備地址和時鐘信息）微網(wǎng)的建立——Page模式M設(shè)備根據(jù)返回的設(shè)備地址計算特殊的跳頻序列S設(shè)備與M設(shè)備時鐘同步，并啟動M定義的跳頻序列藍(lán)牙的節(jié)能模式Sniff(呼吸)M和S設(shè)備定期睡眠，并在早期協(xié)商的時間間隔“sniff”Hold(保持)不釋放AMA（活躍成員地址）地址停止ACL傳輸，但可交換SCO分組Park(睡眠)設(shè)備仍舊是該piconet的成員釋放AMA地址但獲得一個PMA（parked）地址藍(lán)牙的L2CAP層僅用于ACL協(xié)議的多路復(fù)用/分用接收上層分組（64KB），分段傳輸在接收端重組處理服務(wù)質(zhì)量藍(lán)牙的邏輯信道無連接信道（CID=2）支持無連接服務(wù)。每個信道是單向的，該信道主要用于M到多個S的廣播面向連接信道（CID≧64）支持面向連接的服務(wù)。每個信道是全向的（全雙工），每個方向被制定了服務(wù)質(zhì)量流規(guī)范信令信道（CID=1）提供了兩個L2CAP實體之間信令消息的交換藍(lán)牙的邏輯信道M和S之間只能有一個無連接信道和一個信令信道M和S之間可有多個面向連接信道藍(lán)牙的服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）基本功能查詢服務(wù)搜索特殊的服務(wù)種類瀏覽當(dāng)前的可用服務(wù)檢索某個服務(wù)的詳細(xì)屬性建立到其他設(shè)備L2CAP連接建立一個使用某個服務(wù)的獨立（non-SDP）連接服務(wù)記錄一系列服務(wù)屬性藍(lán)牙的串口仿真（RFCOMM）基本功能在面向packet的鏈路上仿真串行接口支持傳統(tǒng)應(yīng)用/協(xié)議支持一個物理信道上的多個串行接口與HDLC類似RFCOMM藍(lán)牙與IP基本功能通過蜂窩電話接入Internet通過LAN接入點連接PDA或則筆記本到Internet接入?yún)f(xié)議PPP（PointtoPointProtocol）BNEP（BluetoothNetworkEncapsulationProtocol）藍(lán)牙與IPAP具有PPP服務(wù)器功能用戶名/口令管理仍是問題漫游不是無縫的藍(lán)牙與IP從AP隧道發(fā)送PPP流量到PPP服務(wù)器可集中管理用戶信息減少AP上的處理時間和狀態(tài)維護(hù)藍(lán)牙的profileBluetoothv1.1規(guī)范了13種應(yīng)用+相應(yīng)的協(xié)議棧藍(lán)牙的語音應(yīng)用三合一電話呼叫/移動管理/對講耳麥藍(lán)牙的個人信息管理同步應(yīng)用提供了設(shè)備與設(shè)備之間個人信息管理（PIM）的同步，如電話號碼、日程安排、消息和通告信息藍(lán)牙的文件傳送傳送能力目錄文件文檔映像流媒體瀏覽能力文件夾TypeSpeedRangeCommentsIrDA9.6kb-115kb(-4Mb)<6ftInfra-red.ThetwodevicesmusthavetheirIRportsfacingeachother.Forsimpledataexchange.Usesverylittlepower.Wi-Fi1Mb-54MbseebelowWi-Fireferstoanyofthethree802.11typesofwirelessservicebelow,andtofuturenewsubcategoriesyettobereleased.Actslikearegularwirednetworkinmostrespects.Eitherbuiltinoravailableasadd-oncardsoradaptersfordesktopcomputers.802.11a1-54Mb50ft-150ftNotcommonlyused,usesdifferentfrequencythan802.11b/g.802.11b1-11Mb100ft-300ftMostcommonversionatpresent.802.11g1-54Mb120ft-350ftThelatestversion,backwardlycompatiblewith802.11b.Bluetooth120kb-723kb30ft-300ftClass3devices(eginmostpersonalcomputingtypedevices)haveashort30ftrange,highpoweredClass1deviceshavethelongerrange.Eitherbuiltinoravailableasadd-oncards.GPRS<115kbwhereversuitablecellphonecoverageDataserviceusedbyGSMcellphonesandbysomeadd-oncardsforlaptopsandpda's.Speedtypicallyabout30kbdependingonhowmanyusersaresharingtheserviceoneachcellatanygiventime.A2.5Gservice.2.5Gvariouslyuptoabout128kbwhereversuitablecellphone