物联网与短距离无线通信技术,第二章ppt课件
第二章蓝牙技术 2 本章内容 蓝牙技术概述蓝牙应用组网形式协议栈 3 2 1 1 蓝牙 的由来 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 关于这位国王的名字有两种说法 一种说法是他的全名是HaraldBlatand Blatand在英语中意思为 蓝牙 Bluetooth 还有一种说法是这位英雄的丹麦国王酷爱吃蓝梅 以致于牙齿都被染成了蓝色 因此 蓝牙 Bluetooth 成了他的绰号 4 1000年后的今天 世界范围内电子设备技术高速发展 瑞典的爱立信公司于1994年成立了一个专项科研小组 对移动电话及其附件的低能耗 低费用无线连接的可能性进行研究 他们的最初目的在于建立无线电话与PC卡 耳机及桌面设备等产品的连接 但是随着研究的深入 科研人员越来越感到这项技术所独具的个性和巨大的商业潜力 同时也意识到凭借一家企业的实力根本无法继续研究 于是 爱立信将其公诸于世 并极力说服其他企业加入到它的研究中来 2 1 1 蓝牙 的由来 5 1000年后的今天 世界范围内电子设备技术高速发展 瑞典的爱立信公司于1994年成立了一个专项科研小组 对移动电话及其附件的低能耗 低费用无线连接的可能性进行研究 他们的最初目的在于建立无线电话与PC卡 耳机及桌面设备等产品的连接 但是随着研究的深入 科研人员越来越感到这项技术所独具的个性和巨大的商业潜力 同时也意识到凭借一家企业的实力根本无法继续研究 于是 爱立信将其公诸于世 并极力说服其他企业加入到它的研究中来 他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术 并将此技术命名为 蓝牙 来表达要将这种全新的无线传输技术在全球推广 并实现全球通用的雄心 2 1 1 蓝牙 的由来 6 1998年2月 瑞典爱立信 ERICSSON 芬兰诺基亚 NOKIA 日本东芝 TOSHIBA 美国IBM和英特尔 Intel 公司五家著名厂商 组成了一个特殊利益集团 有的书译为特别兴趣小组 SIG SpecialInterestGroup 之后 蓝牙引起了越来越多企业的关注 1999年11月 比尔 盖茨专程到拉斯维加斯一间只有11名员工的小公司访问 只因这家公司已研制成功一种含蓝牙技术的胸卡 随后 微软便宣布加入SIG 目前 包括索尼 惠普 戴尔在内的2500多家公司都签署了相关协议加入该组织 共享这一先进技术 而且数目还在不断的增长 从而在全球范围内掀起了一股蓝牙热潮 这么多的精英公司集中在一项技术的大旗下 在商业史上是史无前例的 一项公开的全球统一的技术规范得到了工业界如此广泛的关注和支持 也是以往所罕见的 这说明基于此项技术的产品具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场 2 1 1 蓝牙 的由来 7 2 1 2蓝牙技术概述 蓝牙是一个开放性的无线通信标准 设计者的初衷是用隐形的连接线代替线缆 其目标和宗旨是 保持联系 不靠电缆 拒绝插头 并以此重塑人们的生活方式 它将取代目前多种电缆连接方案 通过统一的短程无线链路 在各信息设备之间可以穿过墙壁或公文包 实现方便快捷 灵活安全 低成本小功耗的话音和数据通信 8 它推动和扩大了无线通信的应用范围 使网络中的各种数据和语音设备能互连互通 从而实现个人区域内的快速灵活的数据和语音通信 蓝牙 技术的目的是使特定的移动电话 便携式电脑以及各种便携式通信设备的主机之间在近距离内实现无缝的资源共享 2 1 2蓝牙技术概述 9 作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范 蓝牙技术以低成本的近距离无线连接为基础 为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接 完成数据信息的短程无线传输 其实质内容是要建立通用的无线电空中接口 RadioAirInterface 及其控制软件的公开标准 使通信和计算机进一步结合 使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下 能够在近距离范围内具有互用 互操作的性能 Interoperability 2 1 2蓝牙技术概述 10 BLUETOOTH1 0技术指标和系统参数 2 1 2蓝牙技术概述 11 2 1 2蓝牙技术概述 12 2 1 3蓝牙技术的特点 蓝牙技术是为了实现以无线电波替换移动设备所使用的电缆而产生的 它试图以相同成本和安全性完成一般电缆的功能 从而使移动用户摆脱电缆束缚 这就决定了蓝牙技术具备以下技术特性 13 1 成本低为了能够替代一般电缆 它必须具备和一般电缆差不多的价格 这样才能被广大普通消费者所接受 也才能使这项技术普及开来 蓝牙的最终目标是集成于单价为5美元的CMOS芯片 目前 蓝牙芯片价格降不下来 既有经济原因 也有技术原因 从技术角度来看 蓝牙芯片集成了无线 基带和链路管理层功能 而链路管理功能实际上既可以通过硬件实现 也可以通过软件实现 如果由软件实现链路管理层功能 那么芯片被简化 价格也将变得合理 2 1 3蓝牙技术的特点 14 2 功耗低 体积小蓝牙技术本来目的就是用于互连小型移动设备及其外设 它的市场目标是移动笔记本电脑 移动电话 小型的PDA以及它们的外设 因此蓝牙芯片必须具有功耗低 体积小的特点 以便于集成到小型便携设备中去 蓝牙产品输出功率很小 只有1mW 仅是微波炉使用功率的百万分之一 是移动电话的一小部分3 近距离通信蓝牙技术通信距离为10m 如果需要的话 还可以选用放大器使其扩展到100m 这已经足够在办公室内任意摆放外围设备 而不用再担心电缆长度是否够用 2 1 3蓝牙技术的特点 15 4 安全性同其它无线信号一样 蓝牙信号很容易被截取 因此蓝牙协议提供了认证和加密功能 以保证链路级的安全 蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供 采用流密码加密技术 适合于硬件实现 密钥由高层软件管理 如果用户有更高级别的保密要求 可以使用更高级 更有效的传输层和应用层安全机制 认证可以有效防止电子欺骗以及不期望的访问 而加密则保护链路隐私 除此之外 跳频技术的保密性和蓝牙有限的传输范围也使窃听变得困难 然而 在提供链路级认证和加密的同时 也阻碍了一些公共性较强应用模型的用户友好访问 比如服务发现和商业卡虚拟交换等 因此 为了满足这些不同的安全需求 蓝牙协议定义了三种安全模式 模式1不提供安全保障 模式2提供业务级安全 模式3则提供链路级安全 2 1 3蓝牙技术的特点 16 2 1 4蓝牙系统组成 蓝牙系统一般由天线单元 链路控制 固件 单元 链路管理 软件 单元和蓝牙软件 协议栈 单元四个功能单元组成 1 天线单元蓝牙要求其天线部分体积十分小巧 重量轻 因此 蓝牙天线属于微带天线 蓝牙空中接口是建立在天线电平为0dB的基础上的 空中接口遵循FCC有关电平为0dB的ISM频段的标准 17 2 链路控制 固件 单元在目前蓝牙产品中 人们使用了3个IC分别作为连接控制器 基带处理器以及射频传输 接收器 此外还使用了30 50个单独调谐元件 基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议 它有3种纠错方案 1 3比例前向纠错 FEC 码 2 3比例前向纠错码和数据的自动请求重发 ARQ 方案 采用FEC 前向纠错 方案的目的是为了减少数据重发的次数 降低数据传输负载 2 1 4蓝牙系统组成 18 但是 要实现数据的无差错传输 FEC就必然要生成一些不必要的开销比特而降低数据的传送效率 这是因为数据包对于是否使用FEC是弹性定义的 报头总有占1 3比例的FEC码起保护作用 其中包含了有用的链路信息 2 1 4蓝牙系统组成 19 3 链路管理 软件 单元链路管理 LM 软件模块携带了链路的数据设置 鉴权 链路硬件配置和其它一些协议 LM能够发现其它远端LM并通过LMP 链路管理协议 与之通信 LM模块提供如下服务 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 此外 还控制设备的工作状态即呼吸 Sniff 保持 Hold 和休眠 Park 三种模式 将设备设为呼吸模式 Master 主机 只能有规律地在特定的时隙发送数据 2 1 4蓝牙系统组成 20 Slave降低了从Pioconet 收听 消息的速率 呼吸 间隔可以依应用要求做适当调整 将设备设为Hold模式 Master可把Slave置为Hold模式 在这种模式下 只有一个内部计数器在工作 Slave也可主动要求置为Hold模式 一旦处于Hold模式的单元被激活 则数据传递也立即重新开始 Hold模式一般被用于连接好几个Piconet的情况下或者耗能低的设备 如温度传感器 2 1 4蓝牙系统组成 21 在Park模式下 设备依然与Piconet同步但没有数据传送 工作在Park模式下的设备放弃了MAC地址 偶尔收听Master的消息并恢复同步 检查广播 消息 连接类型定义了哪种类型的数据包能在特别连接中使用 蓝牙基带技术支持两种连接类型 同步定向连接 SCO SynchronousConnectionOriented 类型 主要用于传送话音 异步无连接 ACL AsynchronousConnectionless 类型 主要用于传送数据包 蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制 鉴权基于 请求 响应 运算法则 2 1 4蓝牙系统组成 22 鉴权是蓝牙系统中的关键部分 它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域 比如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信 加密被用来保护连接的个人信息 密钥由程序的高层来管理 网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制 2 1 4蓝牙系统组成 23 4 软件 协议栈 单元蓝牙的软件 协议栈 单元是一个独立的操作系统 不与任何操作系统捆绑 它必须符合已经制定好的蓝牙规范 蓝牙规范是为个人区域内的无线通信而制定的协议 它包括两部分 第一部分为核心 Core 部分 用以规定诸如射频 基带 连接管理 业务搜寻 servicediscovery 传输层以及与不同通信协议间的互用 互操作性等组件 2 1 4蓝牙系统组成 24 第二部分为协议子集 Profile 部分 用以规定不同蓝牙应用 也称使用模式 所需的协议和过程 蓝牙规范的协议栈仍采用分层结构 分别完成数据流的过滤和传输 跳频和数据帧传输 连接的建立和释放 链路的控制 数据的拆装 业务质量 QoS 协议的复用和分用等功能 在设计协议栈 特别是高层协议时的原则就是最大限度地重用现存的协议 而且其高层应用协议 协议栈的垂直层 都使用公共的数据链路和物理层 2 1 4蓝牙系统组成 25 蓝牙协议可以分为4层 即核心协议层 电缆替代协议层 电话控制协议层和采纳的其它协议层 在蓝牙协议栈中 还有一个主机控制接口 HCI 和音频 Audio 接口 HCI是到基带控制器 链路管理器以及访问硬件状态和控制寄存器的命令接口 利用音频接口 可以在一个或多个蓝牙设备之间传递音频数据 该接口与基带直接相连 2 1 4蓝牙系统组成 26 通过蓝牙技术可以把各种便携式计算机设备与蜂窝移动电话用无线链路连接起来 使计算机与通信密切结合 从而使人们能够随时随地进行数据信息的交换与传输 因此蓝牙技术虽然出现不久 但已受到许多行业的关注 据国际开发中心 IDC 预测 到2004年 蓝牙在美国将被嵌入到102万台设备内 在全世界将被嵌入到449万台设备内 到2006年内 其市场规模将达到7亿美元 一个全新的无线通信时代已经开始 2 1 4蓝牙系统组成 27 蓝牙技术在电信业 计算机业 家电业有着极其广阔和诱人的应用前景 它也将对未来的无线移动数据通信业务产生巨大的推动作用 蓝牙技术会有突飞猛进的发展 但是 它仍然有大量的应用技术细节问题需要解决 仍然是一项发展中的技术 例如 为了防止语音和数据信息误传或被截收 用户必须事先为自己应用的各种设备设定某个共同的频率 即不同的用户有不同的频率 这样才能保证无线连接时不发生误传或被滥用 2 1 4蓝牙系统组成 28 蓝牙标