利用藍牙技術實現家庭無線網絡系統

　　 

    作者：曾周末  張志榮  錢瑩   天津大學精密儀器與光電子工程學院

    摘要：摘要利用藍牙技術無需電纜就可以高速連接個人電腦、移動電話、PDA、數碼相機、打印機、電視機、空調機、洗衣機等家用電器和辦公設備，形成一個方便、實用的“無線微網”，為用戶提供極大的方便，并可派生出新的服務功能。

    藍牙網絡技術使傳統家庭信息化，并使之與信息高速公路——通信網絡緊密結合。

    關鍵詞：藍牙微微網無線接入跳頻擴譜協議棧

    引言

    當今信息化的一個重要方面就是因特網(Internet)和移動通信(mobilecommuniCAtion)的迅猛發展。它使得人們的生活方式、工作方式以及思維方式都發生了巨大的變化，同時也刺激人們對電腦以外的各種數據源和網絡服務的需求日益增長。智能家庭網絡的出現和發展給信息社會注入了新的生機和活力，而藍牙(Bluetooth)技術的日趨成熟無疑給這個新的浪潮起到了推波助瀾的作用。

    家庭網絡是指在家庭和社會的信息網絡相連之前，將家庭內部所有的信息設備連接起來而形成的網絡。顯然，連接家庭網絡最理想的技術是無線通信技術，它用微波取代了傳統網絡中錯綜復雜的電纜。目前，關于該技術有不少產品和標準，如Butterfly,Diamond,Proxim,Shavewave等公司的產品，其中最具有代表性的是Bluetooth和HomeRF兩種技術。Bluetooth的優勢在于全球標準的統一，具有互操作性，以及能非常方便地實現快速、靈活、安全、低成本、低功耗的數據和語音通信，因此Bluetooth技術在家庭無線網絡系統中的發展潛力巨大。

    系統設計

    藍牙的載波選用在全球公用的2.4GHz工科醫學（ISM）頻帶，并采用跳頻擴譜技術（FHSS）。跳頻速率為1600次/s，以2.45GHz為中心頻率最多可得到79個1MHz帶寬的信道。藍牙設備采用的是GFSK調制技術，其傳輸速率為1Mb/s，實際有效速率最高可達721Kb/s，傳輸距離為10m。語音傳輸采用連續可變斜率調制編碼（CVSD）技術，通信協議則采用時分多址（TDMA）協議。遵循Bluetooth協議的各類數據和語音設備都能夠以無線方式接入到公共網絡系統中（如Internet,Intranet）。

    藍牙系統以點到點PPP（Point-to-PointProtocol）連接為基礎，用無線方式將若干藍牙設備連接成1個微圖1主從設備的拓撲結構圖微網（Piconet）。每個Piconet的藍牙裝置組成為1個主設備（Master）和若干個從設備（Slave），主設備負責通信協議的運作。MAC地址用3位來表示，即在1個微微網內可尋址８個設備（互聯的設備數量實際是沒有限制的，只不過在同一時刻只能激活８個，其中１個為主，７個為從）。圖1給出了1個微微網中主從設備的拓撲結構圖。此外，藍牙系統還支持點到多點的通信構成分布式網絡，即1個主設備可以是其他Piconet的從設備，每個從設備也可以是其他Piconet的主設備。

    1?硬件組成

    圖2從設備的硬件結構圖3主設備的硬件結構本系統中的硬件主要包括：天線單元、2.45GHz功率放大模塊、Bluetooth模塊、語音編譯碼器、嵌入式微處理器系統、接口電路以及一些輔助電路。此外，主設備還包括以太網接口和嵌入式Modem部分。圖2、圖3給出了系統的主、從設備硬件結構。系統的天線屬于微帶天線，因此天線部分可以做得體積小、質量輕?？罩薪涌诮⒃谔炀€電平為0dBm的基礎上，遵循FCC(美國聯邦通信委員會)有關電平為0dBm的ISM頻段的標準。由于Bluetooth采用跳頻擴譜技術，所以天線要求是寬帶天線：起始頻率為2.402GHz；終止頻率為2.480GHz。為了抵抗多路徑干擾，本系統設計成是多樣化天線。系統的功率放大器工作在全球都可以使用的2?4GHzISM頻帶上,功放的帶寬為2400~2483?5MHz。系統設計的通信距離為10m（0dB）。如果發射功率增加到20dB（100mw），會使距離達到100m。主設備的微處理器系統采用嵌入式系統，它是系統中關鍵技術難點。從某種角度上說，主設備起了智能網關的作用。它是整個家庭無線網絡系統的核心部分，要完成家庭無線網絡中各種不同通信協議之間的轉換和信息共享，以及同外部通信網絡之間的數據交換功能，同時還負責對各個從設備的管理和控制?？紤]到為普通家庭用戶所能接受，微處理器采用非PC的廉價設備，主、從設備處理器都采用嵌入式Internet技術和高性能微處理器。Bluetooth模塊主要完成基帶部分協議的轉換以及將數字語音處理電路送來的語音數據流和微處理器送來的數據進行整合，然后經編碼、調制后送給功率放大器放大再無線發出。該模塊主要包括兩大單元。

    圖2  從設備到硬件結構

    （1）無線射頻（RF）單元。藍牙模塊的射頻單元功率也符合FCC關于ISM波段的要求，因此，在使用中都會遇到不可預測的干擾源。藍牙模塊特別設計了快速確認和跳頻擴譜技術以確保鏈路穩定。在2.4GHzISM頻帶上以偽隨機方式，按1600次/s的速率，在總計79個頻率上進行跳轉（以2.4GHz為中心頻率，最多可以得到79個1MHz帶寬的信道），這樣可以有效地防止信號干擾和減弱。與其他工作在相同頻段的系統相比，藍牙跳頻更快，數據包更短，這使藍牙比其他系統都更穩定。此外系統還采用了時分雙工（TDD）方案被用來實現全雙工傳輸。FEC（前向糾錯）的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪聲。

    （2）基帶（baseband,BB）和鏈路管理（linkmanager,LM）單元。BB負責跳頻和藍牙數據及信息幀的傳輸；LM負責連接的建立和拆除。它們實現的功能包括：對SCO和ACL連接方式的支持；差錯控制，可以采用多種檢糾錯方式，其中包括前向糾錯編碼(FEC)；物理層的認證與加密；鏈路管理。數字語音處理電路包括語音編譯碼器和語音接口電路兩部分。語音編譯碼器采用CVSD編碼方式。CVSD（ContinuousVariableSlope Delta Modulation）即連續可變斜率增量調制。它是一種自適應增量調制技術，它不重發語音數據包也能夠獲得高質量傳輸的音頻編碼。CVSD編碼擅長處理丟失和被損壞的語音采樣，即使比特錯誤率達到4%，CVSD編碼的語音還是可聽的。語音接口電路包括標準音頻輸入和輸出以及必要的音頻放大部分。系統的接口部分設置了RS232、USB、UART、I2C接口以及電話線接口，另外主設備還有以太網接口和ADSL插孔。其中RS232、USB和UART與計算機、智能耳機、PDA以及智能家電設備相連，完成信息的交換。主設備中的RS232串口還用于現場參數設置和程序的升級。嵌入式Modem是系統與外部通信網絡（Internet網和公共電話網）的物理接口。嵌入式Modem采用了簡單、靈活的實現方式，以減小系統的復雜性和降低一般家庭用戶對Modem基本操作技能的依賴性；嵌入式Modem需要完成Modem的基本功能，負責將家庭無線網絡接入到外部通信網絡中。根據Modem的發展現狀，系統的Modem采用了ADSL高速Modem標準。通過以太網接口可以直接接到LAN（局域網）中。系統可以經過內部高速數據通道和嵌入式Modem連接到DSL上，經過ADSL Modem的信號分離器，其輸出通過接到家庭電話線（或通過ISDN接入方式）來登陸到Internet上，這樣就可以享受ISP服務商提供的各種信息和服務。輔助電路包括液晶顯示電路、鍵盤控制電路和電源管理電路。

    2?軟件協議棧

    系統的軟件（協議棧）單元是一個獨立的操作部分，不與任何操作系統捆綁。它符合已經制定好的藍牙規范。系統的協議棧采用分層結構，分別完成數據流的過濾和傳輸、跳頻和數據幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數據的拆裝、業務質量、協議的復用和分用等功能。主從設備的協議棧略有不同，如圖4、圖5所示，但大致都分為3個層次：底層協議、中間協議和高層協議。

    （1）底層協議。該層包括基帶BB和鏈路管理（LM）。這部分協議已經固化在Bluetooth模塊之中。底層協議對應用而言是十分透明的，負責在藍牙單元之間建立物理射頻鏈路，構成微微網。LM還要完成像鑒權和加密等安全方面的任務，包括生成和交換加密鍵、鏈路檢查、基帶數據包大小的控制、藍牙無線設備的電源模式和時鐘周期、微微網內藍牙單元的連接狀態等。

    （2）中間協議。這是系統中需要開發的協議部分。包括邏輯鏈路控制與適應協議L2CAP（LogicalLinkControl and Adaptation Protocol）、業務搜尋協議SDP（Service Discovery Protocol）、串口仿真協議RFCOMM和電話控制協議TCS（僅在主設備協議棧中）和PPP協議。邏輯鏈路控制與適應協議（L2CAP）完成基帶與高層協議間的適配，并通過協議復用、分用及重組操作為高層提供數據業務和分類提取。它允許高層協議和應用接收或發送長達64000個字節的L2CAP數據包。業務搜尋協議（SDP）是極其重要的部分，是所有使用模式的基礎。它為上層應用程序提供一種機制，來發現網絡中可用的服務及其特性。由SDP可查詢設備信息、業務及其特征，并在查詢之后建立2個或多個藍牙設備間的連接。SDP支持３種查詢方式：按業務類別搜尋、按業務屬性搜尋和業務瀏覽（browsing）。串口仿真協議RFCOMM也位于L2CAP之上，它通過在藍牙的基帶上仿真RS232的控制和數據信號，為那些將串行線用作傳輸機制的高級業務（如對象交換OBEX協議）提供傳輸能力。該協議由藍牙特別興趣小組BSIG基于ETSI標準TS07.10上開發而成的。電話控制協議包括電話控制規范二進制（TCS BIN）協議和一套電話控制命令（AT\|commands）。其中，TCS BIN定義了在藍牙設備間建立語音和數據呼叫所需的呼叫控制信令；AT\|commands則是一套可在多使用模式下用于控制移動電話和調制解調器的命令，它也是由BSIG在ITU\|T Q.931的基礎上開發而成。

    （3）高層協議。設計高層協議的總原則就是盡量吸收現有成熟的協議。系統采納的協議為PPP和UDP/TCP/IP。

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