第五章-無線個域網(wǎng)

第五章__無線個域網(wǎng)第一頁，共69頁。提綱無線個域網(wǎng)—WPAN藍牙體系藍牙的核心協(xié)議藍牙的profile第二頁，共69頁。無線個域網(wǎng)無線個域網(wǎng)絡（WirelessPersonalAreaNetwork）是為了實現(xiàn)活動半徑小、業(yè)務類型豐富、面向特定群體、無縫連接而提出的無線網(wǎng)絡技術。第三頁，共69頁。無線個域網(wǎng)標準IEEEWPAN規(guī)范標準主要集中在802.15系列802.15.1：是藍牙底層協(xié)議的正式標準化版本，大多數(shù)標準制定仍由SIG完成802.15.1基于Bluetooth1.1802.15.1a對應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、低復雜性、低速率的WPAN標準第四頁，共69頁。WPAN標準對比藍牙UWBZigbeeRFID發(fā)起時間1998年初2002年2月準許民用2002年下半年1970年代末開始民用標準程度IEEE803.15.1IEEE803.15.3aIEEE803.15.4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通信方式載波調制基帶傳輸載波調制載波調制使用頻段2.4GHz3.1~10.6GHz2.4GHz,915M/868MHz50-500KHz,56MHz,0.9-2.5GHz典型應用語音和數(shù)據(jù)傳輸，無線聯(lián)網(wǎng)數(shù)字家庭網(wǎng)絡，超寬帶視頻傳輸無線傳感器網(wǎng)絡，工業(yè)檢測門禁系統(tǒng)，物流管理，高速公路收費第五頁，共69頁。IEEE802.15系列第六頁，共69頁。藍牙（Bluetooth）第七頁，共69頁。Bluetooth藍牙是無線技術規(guī)范短程：最大傳輸距離10米性能中等：721Kbps動態(tài)配置：自主聯(lián)網(wǎng)/漫游低功耗：<2.5mW支持語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)诎隧?，?9頁。藍牙的歷史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：將計算、通信設備以及附加設備通過短程、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第九頁，共69頁。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備2000年5月發(fā)布了藍牙應用新圖標第十頁，共69頁。Bluetooth的應用藍牙好在哪里？沒有線纜連接時個域網(wǎng)（PAN）使得一組個人設備協(xié)同工作位置感知服務僅在有限范圍內并且需要時訪問額外資源充當進入Internet的橋梁構建居家網(wǎng)絡運動中組網(wǎng)第十一頁，共69頁。連接計算機以及其他外部設備第十二頁，共69頁。支持自組織網(wǎng)絡第十三頁，共69頁。充當訪問Internet的接入點第十四頁，共69頁。構建家庭網(wǎng)絡第十五頁，共69頁。運動中的連接第十六頁，共69頁。藍牙應用實例第十七頁，共69頁。藍牙系統(tǒng)第十八頁，共69頁。藍牙模塊第十九頁，共69頁。藍牙傳輸特性2.4GHzISM頻帶傳輸距離為10米連接便攜式和固定設備點—點和點—多點模式數(shù)據(jù)速率同步（電路交換技術）64kbps異步（分組交換技術）433.9kbps（對稱）723.2kbps（非對稱）第二十頁，共69頁。藍牙拓撲結構點—點模式兩個藍牙設備直接通信Piconet（微網(wǎng)）共享相同信道8個藍牙設備可在小型網(wǎng)絡內通信Scatternet（散網(wǎng)）多達256個piconet可連接成更大的網(wǎng)絡第二十一頁，共69頁。第二十二頁，共69頁。藍牙的piconetPiconet的組成1個Master節(jié)點控制FH通信的同步7個Slave節(jié)點255個非活躍Parked節(jié)點遵循master的跳頻算法第二十三頁，共69頁。藍牙的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)絡的slave第二十四頁，共69頁。藍牙規(guī)范Core規(guī)范定義了藍牙各層通信協(xié)議從邏輯上分為傳輸協(xié)議、中間件協(xié)議、應用協(xié)議Profile規(guī)范如何采用協(xié)議實現(xiàn)具體的應用產品通用應用類、電話應用類、聯(lián)網(wǎng)應用類、對象交換應用類、音頻視頻應用類第二十五頁，共69頁。藍牙協(xié)議棧（續(xù)）第二十六頁，共69頁。藍牙協(xié)議棧邏輯分組傳輸協(xié)議組：使藍牙設備確認彼此位置，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協(xié)議及主機控制器接口協(xié)議中間件協(xié)議組：為了在藍牙鏈路上運行應用包括的一些標準協(xié)議PPP、IP、TCP、WAP、OBEX等RFCCOMM、AT信令、SDP應用組：包含使用藍牙鏈路的實際應用應用組中間件協(xié)議組傳輸協(xié)議組第二十七頁，共69頁。傳輸協(xié)議組第二十八頁，共69頁。中間件協(xié)議組第二十九頁，共69頁。應用組第三十頁，共69頁。藍牙的無線電層規(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2.4GHz的ISM79個信道，1MHzGFSK調制方式（高斯濾波的二進制頻移鍵控）跳頻擴頻技術1600/s收發(fā)器的能量分3級1級：100mW，強制功率控制2級：2.5mW，功率控制可選3級：1mW第三十一頁，共69頁。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第三十二頁，共69頁。藍牙的基帶層基本功能執(zhí)行跳頻實現(xiàn)介質訪問定義了物理鏈路定義了packet格式第三十三頁，共69頁。M設備和S設備之間的物理鏈路ACL(asynchronousconnectionless)鏈路主要用于Best-effort的數(shù)據(jù)傳輸服務M和S之間的點-點/點-多點（廣播）連接在沒有預留給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通信第三十四頁，共69頁。M設備和S設備之間的物理鏈路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通信第三十五頁，共69頁。藍牙的尋址Bluetooth設備地址（BD_ADDR）48位IEEEMAC地址活躍成員地址（AM_ADDR）3位活躍S設備地址全0廣播地址（M->S）駐扎成員地址（PM_ADDR）8位parked的S設備地址第三十六頁，共69頁。藍牙設備地址48位藍牙設備地址（BD_ADDR）LAP（LowerAddressPart）UAP（UpperAddressPart）NAP（Non-significantAddressPart）制造商分配的產品編號BluetoothSIG分配的制造商編號LAP（24位）UAP（8位）NAP（16位）第三十七頁，共69頁。藍牙基帶分組基帶分組格式接入碼（72或68位）分組頭（54位）有效載荷（0~2754位）LSBMSB第三十八頁，共69頁。藍牙基帶分組接入碼（AccessCode）接入碼用于同步、DC補償和標示信道接入碼（CAC）—同步字來源主設備LAP設備接入碼（DAC）—同步字來源從設備LAP查詢接入碼（IAC）—預留LAP藍牙預留64個LAP地址用于查詢操作前導碼（4位）同步字（64位）尾碼（4位）第三十九頁，共69頁。藍牙基帶分組分組頭（Header）AM_ADDR—

微微網(wǎng)中激活從設備地址Type—

分組類型Flow—ACL鏈路數(shù)據(jù)分組流量控制標志ARQN—

無編號自動請求重發(fā)SEQN—

序列編號HEC—

分組頭錯誤校驗AM_ADDR（3位）Type（4位）Flow（1位）ARQN（1位）SEQN（1位）HEC（8位）第四十頁，共69頁。藍牙基帶糾錯機制1/3比例FEC每位重復3次進行編碼2/3比例FEC（15,10）海明碼自動請求重傳第四十一頁，共69頁。藍牙基帶信道控制第四十二頁，共69頁。連接狀態(tài)連接狀態(tài)是指連接已經建立，數(shù)據(jù)分組可以雙向傳輸?shù)臓顟B(tài)主從使用主設備接入碼和時鐘，跳頻采用信道跳頻序列連接狀態(tài)設備操作模式活躍模式（Active）呼吸模式（Sniff）保持模式（Hold）駐扎模式（Park）第四十三頁，共69頁。藍牙的節(jié)能模式SniffM和S設備定期睡眠，并在早期協(xié)商的時間間隔“sniff”Hold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設備仍舊是該piconet的成員釋放AMA地址但獲得一個PMA（parked）地址第四十四頁，共69頁。待機狀態(tài)藍牙缺省低功耗狀態(tài)藍牙設備從待機狀態(tài)轉到尋呼掃描，對其他設備的尋呼進行響應，進入連接狀態(tài)，成為從設備藍牙設備從待機狀態(tài)轉到查詢，完成一個尋呼，進入連接狀態(tài)，成為主設備第四十五頁，共69頁。藍牙的信道控制兩種管理情形設備知道其他設備的參數(shù)執(zhí)行paging過程設備不知道其他設備的參數(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備的地址第四十六頁，共69頁。微網(wǎng)的建立——Inquriy模式當一個設備想建立一個piconet時79個無線電載波中有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設備想加入一個piconet時定期偵聽IAC消息返回一個packet（設備地址和時鐘信息）第四十七頁，共69頁。微網(wǎng)的建立——Page模式M設備根據(jù)返回的設備地址計算特殊的跳頻序列S設備與M設備時鐘同步，并啟動M定義的跳頻序列第四十八頁，共69頁。藍牙設備的baseband狀態(tài)第四十九頁，共69頁?；鶐l選擇國家模式23跳/79跳地址輸入：LAP+UAP低4位時鐘輸入：Clock頻率選擇模塊跳頻序列第五十頁，共69頁。鏈路管理器協(xié)議LMP主要任務設備功率管理鏈路質量管理鏈路控制管理數(shù)據(jù)分組管理鏈路安全管理LMP運行在藍牙模塊中，用戶通過LMP對本地或遠端藍牙設備的鏈路進行設置和控制第五十一頁，共69頁。藍牙的鏈路管理規(guī)范能量控制：根據(jù)接收信號強度要求發(fā)送者調整發(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：認證、加密、密鑰的分發(fā)第五十二頁，共69頁。鏈路管理器協(xié)議數(shù)據(jù)單元LMP_PDU由ACL分組攜帶協(xié)商發(fā)起方標識（TransactionID）操作碼（OpCode）內容（Content）第五十三頁，共69頁。協(xié)商過程設備A向設備B發(fā)送協(xié)商請求設備B根據(jù)自身情況作出接受或不接受響應LMP_PDURequestLM(A)LMP_PDU(Not)AcceptedLM(B)藍牙設備A藍牙設備B第五十四頁，共69頁。藍牙的L2CAP層僅用于ACL協(xié)議的多路復用/分用接收上層分組（64KB），分段傳輸在接收端重組處理服務質量第五十五頁，共69頁。藍牙的邏輯信道無連接信道（CID=2）支持無連接服務。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。每個信道是全向的（全雙工），每個方向被制定了服務質量流規(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第五十六頁，共69頁。藍牙的邏輯信道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第五十七頁，共69頁。L2CAP協(xié)議分組格式面向連接信道分組格式長度（2字節(jié)）信道ID（2字節(jié)）有效載荷（長度字段的字節(jié)數(shù)）無連接信道分組格式長度（2字節(jié)）信道ID（0x0002）有效載荷PSM第五十八頁，共69頁。藍牙的服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）基本功能查詢服務搜索特殊的服務種類瀏覽當前的可用服務檢索某個服務的詳細屬性建立到其他設備L2CAP連接建立一個使用某個服務的獨立（non-SDP）連接服務記錄一系列服務屬性第五十九頁，共69頁。服務發(fā)現(xiàn)機制服務器具有服務記錄列表，包含了與服務器相關的服務及特征