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藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)傳輸機理分析
摘要：對藍(lán)牙協(xié)議體系中的基帶數(shù)據(jù)傳輸機理進(jìn)行分析，為進(jìn)一步對藍(lán)牙技術(shù)做全面深入的研究和開發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在介紹了基本概念的基礎(chǔ)上，重點對藍(lán)牙設(shè)備連接、數(shù)據(jù)傳輸和安全機制等內(nèi)容做了分析和討論。藍(lán)牙（Bluetooth）是一種新型、開放、低成本、短距離的無線連接接技術(shù)，可取代短距離的電纜，實現(xiàn)話音和數(shù)據(jù)的無線傳輸。這種有效、廉價的無線連接技術(shù)可以方便地將計算機及外設(shè)、移動電話、掌上電腦、信息家電等設(shè)備連接起來，在它可達(dá)到的范圍內(nèi)使各種信息化移動便攜設(shè)備都能實現(xiàn)無縫資源共享，還可通過無線局域網(wǎng)（Wireless LAN）與Internet連接，實現(xiàn)多媒體信息的無線傳輸。
藍(lán)牙系統(tǒng)采用分散式（Scatter）結(jié)構(gòu)，設(shè)備間以及從方式構(gòu)成微微網(wǎng)（Piconet），支持點對點和點對多點通信。它采用GFSK調(diào)制，抗干擾性能好，通過快速跳頻和短包技術(shù)來減少同頻干擾，保證傳輸?shù)目煽啃�。使用的頻段為無需申請許可的2.4GHz的ISM頻段。
藍(lán)牙協(xié)議從協(xié)議來源大致分為四部分：
核心協(xié)議、電纜替代協(xié)議（RECOMM）、電路控制協(xié)議和選用協(xié)議。其中核心協(xié)議是藍(lán)牙專利協(xié)議，完全由藍(lán)牙SIG開發(fā)，包括基帶協(xié)議（BB）、連接管理協(xié)議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）以及服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）。藍(lán)牙協(xié)議從體系結(jié)構(gòu)又可分為底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應(yīng)用層三大部分，其中鏈路管理層（LM）、基帶(BB)和射頻層（RF）構(gòu)成藍(lán)牙的底層模塊。由此可見，基帶層是藍(lán)牙協(xié)議的重要組成部分。本文主要對藍(lán)牙技術(shù)中最重要的基帶數(shù)據(jù)傳輸機理進(jìn)行分析。
1 基帶協(xié)議概述
圖1給出藍(lán)牙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在藍(lán)牙系統(tǒng)中，使用藍(lán)牙技術(shù)將設(shè)備連接起來的網(wǎng)絡(luò)稱作微微網(wǎng)（Piconet），它由一個主節(jié)點（Master Unit）和多個從節(jié)點(Slave Unit)構(gòu)成。主節(jié)點是微微網(wǎng)中用來同步其他節(jié)點的藍(lán)牙設(shè)備，是連接過程的發(fā)起者，最多可與7個從節(jié)點同時維持連接。從節(jié)點是微微網(wǎng)中除主節(jié)點外的設(shè)備。兩個或多個微微網(wǎng)可以連接組成散射網(wǎng)（Scatternet）。
圖2給出藍(lán)牙協(xié)議結(jié)構(gòu)示意圖�；鶐游挥谒{(lán)牙協(xié)議棧的藍(lán)牙射頻之上，并與射頻層一起構(gòu)成藍(lán)牙的物理層。從本質(zhì)上說，它作為一個鏈接控制器，描述了基帶鏈路控制器的數(shù)字信號處理規(guī)范，并與鏈路管理器協(xié)同工作，負(fù)責(zé)執(zhí)行象連接建立和功率控制等鏈路層的，如圖3所示。基帶收發(fā)器在跳頻（頻分）的同時將時間劃分（時分），采用時分雙工（TDD）工作方式（交替發(fā)送和接收），基帶負(fù)責(zé)把數(shù)字信號寫入并從收發(fā)器中讀入數(shù)據(jù)。主要管理物理信道和鏈接，負(fù)責(zé)跳頻選擇和藍(lán)牙數(shù)據(jù)及信息幀的傳輸、象誤碼糾錯、數(shù)據(jù)白化、藍(lán)牙安全等。基帶也管理同步和異步鏈接，處理分組包，執(zhí)行尋呼、查詢來訪及獲取藍(lán)牙設(shè)備等。
在藍(lán)牙基帶協(xié)議中規(guī)定，藍(lán)牙設(shè)備可以使用4種類型的地址用于同場合和狀態(tài)。其中，48位的藍(lán)牙設(shè)備地址BD_ADDR（IEEE802標(biāo)準(zhǔn)），是藍(lán)牙設(shè)備連接過程的唯一標(biāo)準(zhǔn)；3位的微微網(wǎng)激活節(jié)點地址AM_ADDR，用以標(biāo)識微微網(wǎng)中激活成員，該地址3位全用作廣播信息；8位的微微網(wǎng)休眠節(jié)點地址PM_ADDR，用以標(biāo)識微微網(wǎng)中休眠的從節(jié)點。微微網(wǎng)接入地址AR_ADDR，分配給微微網(wǎng)中要啟動喚醒過程的從節(jié)點。
當(dāng)微微網(wǎng)主從節(jié)點通信時，彼此必須保持同步。同步所采用的時鐘包括自身不調(diào)整也不關(guān)閉的本地設(shè)備時鐘CLKN，微微網(wǎng)中主節(jié)點的系統(tǒng)時鐘CLK以及為主節(jié)點時鐘對從節(jié)點本地設(shè)備時鐘進(jìn)行周期更新以保持主從同步的補償時鐘CLKE。
與其它無線技術(shù)一樣，藍(lán)牙技術(shù)中微微網(wǎng)通過使用各種信道來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。其中，物理信道表示在79個或者23個射頻信道上跳變的偽隨機跳頻序列，每個微微網(wǎng)的跳頻序列是唯一的，并且由主節(jié)點的藍(lán)牙設(shè)備地址決定；此外，藍(lán)牙有5種傳送不同類型信息的邏輯信道，它們分別為：
(1) LC信道：控制信道，用來傳送鏈路層控制信息；
(2) LMC信道：鏈接管理信道，用在鏈路層傳送鏈接管理信息；
(3) UA信道：用戶信道，用來傳送異步的用戶信息；
(4) UI信道：用戶信道，用來傳送等時的用戶信息；
(5) US信道：用戶信道，用來傳送同步的用戶信息。
在藍(lán)牙系統(tǒng)中，主從節(jié)點以時分雙工（TDD）機制輪流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，在信道上又可劃分為長度為625μs的時隙（Time Slot），并以微微網(wǎng)主節(jié)點時鐘進(jìn)行編號(0-2 27-1)，主從節(jié)點分別在奇、偶時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。
2 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸
藍(lán)牙支持電路和分組交換，數(shù)據(jù)以分組形式在信道中傳輸，并使用流控制來避免分組丟失和擁塞。為確保分組包數(shù)據(jù)正確傳輸，還進(jìn)行數(shù)據(jù)的白化和糾錯，下面分別對這些傳輸機制進(jìn)行分析。
2.1 藍(lán)牙分組
分組包數(shù)據(jù)可以包含話音、數(shù)據(jù)或兩者兼有。分組包可以占用多個時隙（多時隙分組）并且可以在下一個時隙繼續(xù)發(fā)送，凈荷(Payload)也帶有16位的錯誤校驗識別和校驗（CRC）。有5種普通的分組類型，4個SCO分組包和7個ACL分組包。一般分組包格式如圖4。
圖3 基帶層抽象
其中，接入碼(Access code)用來定時同步、偏移補償、尋呼和查詢。藍(lán)牙中有三種不同類型的接入碼：
(1) 信道接入碼（CAC）：用來標(biāo)識一個微微網(wǎng)；
(2) 設(shè)備接入碼（DAC）：用作設(shè)備尋呼和它的響應(yīng)；
(3) 查詢接入碼（IAC）：用作設(shè)備查詢目的。
分組頭（Header）包含6個字段，用于鏈路控制。其中AM_ADDR是激活成員地址
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