1、第3章 蓝牙技术及应用,Bluetooth的技术规范,频带使用2.4Ghz频段； 短程：class B低能状态最大传输距离10m（class A高能状态达到100m）； 性能中等：2.1+EDR 2-3Mbps，3.0后可达24Mbps； 动态配置：自组联网/漫游； 低能耗( 2.5mW)：适用于手持应用，待机时仅有1mw； 模块大小： 9x9 mm； 支持语音和数据传输；,3.1蓝牙技术简介,蓝牙设备功率等级,3.1蓝牙技术简介,蓝牙技术的应用,电缆替代(cable replacement)： 替代PC机与打印机、鼠标、扫描仪、投影仪等外设的连接电缆， 无线互连PDA、移动电话以及PC机等
2、Ad hoc个人无线网络 短距离区域内不同用户的ad hoc网络互连 只要进入范围内，一个配备蓝牙的设备能与另一个无线电设备即时连接 数据与语音接入点 采用蓝牙作为AP，从而与蜂窝网络、有线连接或卫星链路所提供的广域语音和数据服务相连,连接计算机以及其他外部设备,支持自组织网络,构建家庭网络,运动中的连接,蓝牙技术简介-bluetooth的历史,1994年Ericsson发起multi-communicator link的研究 1998成立了特别兴趣小组（SIG）并更名bluetooth； 创始成员：Ericsson、Agere、IBM(Lenovo)、Intel、Nokia、Motorola
3、、Toshiba； 目标：将计算、通信设备以及附加设备通过短程、低耗、低成本的无线电波连接起来 发展：Lucent、3Com、Microsoft和Motorola加入SIG；现SIG成员超过14000个，大多来自计算机、通信、网络和电子消费领域； 1999 Bluetooth 1.0发布，最高传输速为721kbps，实际测试约为 192Kbps左右；,蓝牙技术简介-bluetooth的历史,蓝牙WPAN工作组 蓝牙是无线个域网的先驱。在初始阶段，IEEE并没有制定蓝牙相关的标准，经过一段快速发展时期后，蓝牙很快就有了产品兼容性的问题。2001年，IEEE决定制定行业标准来开发能够相互兼容的蓝牙
4、芯片、网络和产品； 2001年推出bluetooth 1.1版本，修正了1.0版本的BUG，以及非加密高速信道的支持，市场巨大成功；,三星T628,蓝牙技术简介-bluetooth的历史,2003年，bluetooth 1.2列入IEEE 802.15.1a，改进了加密性能和底层跳频技术，抗干扰性和传输稳定性能进一步增强；市场情况不太理想 受WiFi（802.11b） 的冲击，WiFi产品的价格大幅度下降在某些应用方面抑制了蓝牙的优势。 为了覆盖更多的应用和提供QoS，使其偏离了原来设计简单的目标，复杂使蓝牙变得昂贵，不再适合要求低功率、低成本的简单应用。,蓝牙技术简介-bluetooth的历
5、史,2004年推出bluetooth 2.0+EDR版本，传输率提升至2-3Mbps，(实际测试速度为576Kbps); 2007年推出bluetooth 2.1+EDR版本，简易安全配对、暂停与继续加密、Sniff省电; 2009年推出bluetooth 3.0 + HS版本，最高速度可达24Mbps。是2.0速度的8倍。 引入了增强电源控制，实际空闲功耗明显降低;,蓝牙技术简介-bluetooth的历史,2010年7月推出bluetooth 4.0（智能蓝牙）实现了传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术的融合，传输范围可达100米，最短延迟(3毫秒启动) 。 低能耗标准无线通信使蓝牙设
6、备的潜在使用空间大大的增加。可在心率监视器，血糖仪，智能手表，窗和防盗门传感器，汽车钥匙链和血压测量手环等设备上使用。 2011年12月世界上第一款支持蓝牙4.0的手机IPhone 4s发布。 目前，全球大约80%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近100%的智能手机都已经使用了蓝牙技术。,Find My Car Smart,Find My Car Smart的应用，是一款让用户查换自己汽车停放位置的应用。对于大型停车场遍地的情况来说，这种应用非常流行。这款应用与之前的寻找停车位置的应用不同，支持一种USB蓝牙4.0感应适配器，与iPhone 4S配对，离开车时，应用会自动记录地理位置，完全无
7、需手动操作。而且Bluetooth 4.0后台运作耗电量极小。iPhone就可以不依靠GPS也能准确快速找到自己的汽车停放位置。对于室内停车场来说，这款应用还是非常实用的。,3.2 蓝牙技术基带与链路控制器规范,规范 定义了载波频率和输出功率 主要处理空中数据的接收和发送 特点 低功率 传输距离为10米 2.4GHz的ISM 79个信道，1MHz （2402 to 2480 MHz ） 跳频扩频技术 收发器的能量分3级 1级：100mW，强制功率控制 2级：2.5mW，功率控制可选 3级：1mW,基带层基本功能 执行跳频 实现介质访问 定义了物理链路 定义了packet格式,3.2 蓝牙技术基
8、带与链路控制器规范,蓝牙设备地址 (BD_ADDR)48-bit IEEE 802 address（全球唯一，见图3-3）激活设备 地址 (Active Member Address： AM_ADDR) 3-bit active slave address全0代表广播地址休眠设备地址 (Parked Member Address：PM_ADDR)8-bit parked slave address,3.蓝牙设备的寻址,3.2.1蓝牙基带概述,主设备（Master Unit）： 某台设备的时钟和跳频序列用于同步其他设备，称为主设备 只能是一个微微网的主设备，可以是其他微微网的从设备 可实施呼叫和
9、连接建立过程 从设备（Slave Unit）： 除主设备以外的设备，为从设备 一个微微网的从设备可以是另一个微微网的主设备 连接建立被分配一个临时的3比特成员地址 主设备和从设备的角色可以互换，互换后是另一个新的微微网,3.2.1蓝牙基带概述,4.设备、微微网和散射网,3.2.1蓝牙基带概述,Piconet的组成 1个Master节点控制跳频通信的同步 7个Slave active节点 3-bit Active Member address (AM_ADDR) 255个非活跃Parked节点 保持与master的同步 没有AM_ADDR 8-bit Parked Member Address
10、(PM_ADDR) 所有的用户均用同一跳频序列同步,4.设备、微微网和散射网,3.2.1蓝牙基带概述,4.设备、微微网和散射网,微微网Piconet,3.2.1蓝牙基带概述,时间和空间层叠的多个piconets组成一个散射网 几个masters链接到同一个slave 一个master可以是另一个网络的slave,4.设备、微微网和散射网,3.2.1蓝牙基带概述,散射网scatter net,4.设备、微微网和散射网,3.2.2 蓝牙物理链路,SCO ( synchronous connection oriented)链路 是点到点的连接，类似电路交换 具备双向对称性，主设备在周期性的保留时隙上
11、维持SCO 传输速率为 64Kbps 主设备可与一个或多个从设备建立多达3个SCO链路；一个从设备也与多个主设备建立SCO（最多3条） Full-duplex通信,ACL (asynchronous connectionless)链路 是点到多点的连接，类似分组交换 主设备可以利用SCO未被占用的时隙建立ACL 支持对称连接和不对称连接 一对主从设备之间只有1条ACL 分别对应1-slot、3-slot、5-slot分组 正向最大速率：723.3Kbps (5-slot) 反向最大速率：57.6Kbps 只有被主设备轮询的从设备才能发送ACL数据 Half-duplex通信,3.2.2 蓝牙物
12、理链路,Half-duplex通信（ACL） 一次往一个方向发送 不对称最大速率723.3kbps，反向为57.6kpbs 对称速率双向发送，每个方向可达433.9kpbs Full-duplex通信（SCO） 可同时双向发送 速率64Kbps 使用M预留的slot（避免同步和冲突） 没有为SCO链路预留的Slot可用于ACL链路,3.2.2 蓝牙物理链路,MASTER,SLAVE 1,SLAVE 2,SLAVE 3,Mixed Link Example,3.2.2 蓝牙物理链路,蓝牙分组结构和分组类型,每个分组由三部分组成：接入码、头部、负载,有两种分组类型：控制分组、数据/语音分组,ID*
13、 Null Poll FHS DM1,3.2.3 蓝牙基带分组,接入码,72 bits,Access Code,接入码有三种类型： CAC(channel access code):用于标识一个微微网 DAC(device access code):用于寻呼等特殊信令过程 IAC (inquiry access code):用于查询，发现其他的蓝牙设备 ID分组( )：由DAC或IAC组成，用于寻呼、探询、响应,AM_ADDR,TYPE,FLOW,ARQN,表示处于active状态的从设备,表示16种类型的分组,ACL上的流量控制，1表示发送端发送、0表示发送端停止发送,0表示NAK，1表示A
14、CK，表示负载传送正确性确认,parameter,information,SEQN,每发送一个新的分组就翻转一次,HEC,校验码以检查头部的正确性,头部,1/3FEC,有效负载,在负载中要区分语音（同步）字段和数据（异步）字段： ACL分组仅包含数据字段，包含3部分：负载头、负载体和CRC校验码（AUX1例外） SCO分组包含语音字段，语音字段长度固定为240比特,分组类型（1）,在16种分组中，有4种是公共的，另外12种根据SCO和ACL不同链路而不同。 公共分组 NULL分组：仅包含 CAC（信道接入码）和分组头，没有负载。NULL分组将链路信息返回给发送端。NULL分组无需确认。POLL
15、分组：主设备轮询一个从设备，POLL分组没有负载字段，需要接收端的确认。FHS分组：是一种特别的控制分组，他宣告发端的设备地址和时钟信息，以实现跳频同步。FHS的结构比较复杂，限于篇幅不作介绍。DM1分组：该分组仅携带数据信息，负载包含18个信息字节和16比特的CRC校验码，然后用速率为23的FEC保护（即每10个信息比特附加5个校验比特）。,Null Poll FHS DM1,分组类型（2）,Sco分组 在sco链路上传送，不采用CRC校验和重传机制，通常用于传送64Kbps的语音信号。HV1分组：HV代表High quality Voice，每二个时隙HV1分组必须发送一次HV2分组：HV
16、2分组携带20个字节的信息，采用速率为23的FEC。每四个时隙HV2分组必须发送一次HV3分组：HV3分组携带30个字节的信息，没有采用FEC。每六个时隙HV3分组必须发送一次。DV分组：DV分组是数据和语音的混合，负载由80比特的语音字段和最多150比特的数据字段组成。语音处理和数据处理是独立的。,分组类型（3）,ACL分组 在acl链路上传送，可以用来传送控制信息和数据信息。 DH1分组：与DM1分组类似，但是负载数据不经过FEC (Forward Error Correction：前向纠错) DM3分组：可以占用3个时隙，负载可包含123个信息字节加16比特的CRC校验码加2/3FEC
17、DH3分组：与DM3类似，但负载不采用FEC。DH3可以携带185字节的信息加16比特的CRC校验码。 DM5分组：可以占用5个时隙，负载可包含226个信息字节加16比特的CRC校验码加2/3FEC。 DH5分组；与DM5类似，但负载不采用FEC。DH5可以携带341字节的信息加16比特的CRC校验码。 AUX1分组：可以携带30个信息字节,无CRC和FEC编码。,ACL连接中数据传送数率 (kb/s),3.2.4 蓝牙基带纠错机制,FEC支持：1/3 rate，被用于分组首部、HV1分组中的语音字段 2/3 rate(是一个（15，10）的汉明码），被用于所有的DM分组、DV分组、FHS分组和HV2分组ARQ （Automatic Repeat request）：1-bit fast ACK/NAK，在分组发送后的下一个时隙就给出确认 主要用于ACL连接中：DM、DH分组及DV分组的数据字段 先检错，如果无错，将ARQN设为1； 如果有错（ ARQN设为0），或是超时，将重传前一分组,ARQ Scheme,MASTER,SLAVE 1,SLAVE 2,NAK,ACK,3.2.4 蓝牙基带纠错机制,
