利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

摘要：摘要利用藍(lán)牙技術(shù)無(wú)需電纜就可以高速連接個(gè)人電腦、移動(dòng)電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)、電視機(jī)、空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)等家用電器和辦公設(shè)備，形成一個(gè)方便、實(shí)用的“無(wú)線微網(wǎng)”，為用戶提供極大的方便，并可派生出新的服務(wù)功能。藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使傳統(tǒng)家庭信息化，并使之與信息高速公路——通信網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙微微網(wǎng)無(wú)線接入跳頻擴(kuò)譜協(xié)議棧

引言

　　當(dāng)今信息化的一個(gè)重要方面就是因特網(wǎng)(Internet)和移動(dòng)通信(mobile communication)的迅猛發(fā)展。它使得人們的生活方式、工作方式以及思維方式都發(fā)生了巨大的變化，同時(shí)也刺激人們對(duì)電腦以外的各種數(shù)據(jù)源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求日益增長(zhǎng)。智能家庭網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展給信息社會(huì)注入了新的生機(jī)和活力，而藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)的日趨成熟無(wú)疑給這個(gè)新的浪潮起到了推波助瀾的作用。

　　家庭網(wǎng)絡(luò)是指在家庭和社會(huì)的信息網(wǎng)絡(luò)相連之前，將家庭內(nèi)部所有的信息設(shè)備連接起來(lái)而形成的網(wǎng)絡(luò)。顯然，連接家庭網(wǎng)絡(luò)最理想的技術(shù)是無(wú)線通信技術(shù)，它用微波取代了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中錯(cuò)綜復(fù)雜的電纜。目前，關(guān)于該技術(shù)有不少產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)，如Butterfly, Diamond, Proxim, Shavewave等公司的產(chǎn)品，其中最具有代表性的是Bluetooth和HomeRF兩種技術(shù)。Bluetooth的優(yōu)勢(shì)在于全球標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，具有互操作性，以及能非常方便地實(shí)現(xiàn)快速、靈活、安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信，因此Bluetooth技術(shù)在家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的發(fā)展?jié)摿�巨大�?

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　藍(lán)牙的載波選用在全球公用的2.4GHz工科醫(yī)學(xué)（ISM）頻帶，并采用跳頻擴(kuò)譜技術(shù)（FHSS）。跳頻速率為1600次/s，以2.45GHz為中心頻率最多可得到79個(gè)1MHz帶寬的信道。藍(lán)牙設(shè)備采用的是GFSK調(diào)制技術(shù)，其傳輸速率為1Mb/s，實(shí)際有效速率最高可達(dá)721Kb/s，傳輸距離為10m。語(yǔ)音傳輸采用連續(xù)可變斜率調(diào)制編碼（CVSD）技術(shù)，通信協(xié)議則采用時(shí)分多址（TDMA）協(xié)議。遵循Bluetooth協(xié)議的各類數(shù)據(jù)和語(yǔ)音設(shè)備都能夠以無(wú)線方式接入到公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中（如Internet, Intranet）。

　　藍(lán)牙系統(tǒng)以點(diǎn)到點(diǎn)PPP（Point-to-Point Protocol）連接為基礎(chǔ)，用無(wú)線方式將若干藍(lán)牙設(shè)備連接成1個(gè)微圖1主從設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖微網(wǎng)（Piconet）。每個(gè)Piconet的藍(lán)牙裝置組成為1個(gè)主設(shè)備（Master）和若干個(gè)從設(shè)備（Slave），主設(shè)備負(fù)責(zé)通信協(xié)議的運(yùn)作。MAC地址用3位來(lái)表示，即在1個(gè)微微網(wǎng)內(nèi)可尋址８?jìng)�(gè)設(shè)備（互聯(lián)的設(shè)備數(shù)量實(shí)際是沒(méi)有限制的，只不過(guò)在同一時(shí)刻只能激活８?jìng)�(gè)，其中１個(gè)為主，７個(gè)為從）。圖1給出了1個(gè)微微網(wǎng)中主從設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。此外，藍(lán)牙系統(tǒng)還支持點(diǎn)到多點(diǎn)的通信構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)，即1個(gè)主設(shè)備可以是其他Piconet的從設(shè)備，每個(gè)從設(shè)備也可以是其他Piconet的主設(shè)備。



1�� 硬件組成

　　圖2從設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)圖3主設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)中的硬件主要包括：天線單元、2.45GHz功率放大模塊、Bluetooth 模塊、語(yǔ)音編譯碼器、嵌入式微處理器系統(tǒng)、接口電路以及一些輔助電路。此外，主設(shè)備還包括以太網(wǎng)接口和嵌入式Modem部分。圖2、圖3給出了系統(tǒng)的主、從設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的天線屬于微帶天線，因此天線部分可以做得體積小、質(zhì)量輕�？罩薪涌诮�立在天線電平為0dBm的基礎(chǔ)上，遵循FCC(美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì))有關(guān)電平為0dBm的ISM頻段的標(biāo)準(zhǔn)。由于Bluetooth采用跳頻擴(kuò)譜技術(shù)，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(tǒng)設(shè)計(jì)成是多樣化天線。系統(tǒng)的功率放大器工作在全球都可以使用的2��4GHz ISM頻帶上,功放的帶寬為2400~2483��5MHz。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信距離為10m（0dB）。如果發(fā)射功率增加到20dB（100mw），會(huì)使距離達(dá)到100m。主設(shè)備的微處理器系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)，它是系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。從某種角度上說(shuō)，主設(shè)備起了智能網(wǎng)關(guān)的作用。它是整個(gè)家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心部分，要完成家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享，以及同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時(shí)還負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)從設(shè)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(jià)設(shè)備，主、從設(shè)備處理器都采用嵌入式Internet技術(shù)和高性能微處理器。Bluetooth模塊主要完成基帶部分協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及將數(shù)字語(yǔ)音處理電路送來(lái)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)流和微處理器送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后經(jīng)編碼、調(diào)制后送給功率放大器放大再無(wú)線發(fā)出。該模塊主要包括兩大單元。


圖2 從設(shè)備到硬件結(jié)構(gòu)　

　　（1） 無(wú)線射頻（RF）單元。藍(lán)牙模塊的射頻單元功率也符合FCC關(guān)于ISM波段的要求，因此，在使用中都會(huì)遇到不可預(yù)測(cè)的干擾源。藍(lán)牙模塊特別設(shè)計(jì)了快速確認(rèn)和跳頻擴(kuò)譜技術(shù)以確保鏈路穩(wěn)定。在2.4GHz ISM頻帶上以偽隨機(jī)方式，按1600次/s的速率，在總計(jì)79個(gè)頻率上進(jìn)行跳轉(zhuǎn)（以2.4GHz為中心頻率，最多可以得到79個(gè)1MHz帶寬的信道），這樣可以有效地防止信號(hào)干擾和減弱。與其他工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍(lán)牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍(lán)牙比其他系統(tǒng)都更穩(wěn)定。此外系統(tǒng)還采用了時(shí)分雙工（TDD）方案被用來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。FEC（前向糾錯(cuò)）的使用抑制了長(zhǎng)距離鏈路的隨機(jī)噪聲。

　�。�2） 基帶（baseband,BB）和鏈路管理（linkmanager,LM）單元。BB負(fù)責(zé)跳頻和藍(lán)牙數(shù)據(jù)及信息幀的傳輸；LM負(fù)責(zé)連接的建立和拆除。它們實(shí)現(xiàn)的功能包括：對(duì)SCO和ACL連接方式的支持；差錯(cuò)控制，可以采用多種檢糾錯(cuò)方式，其中包括前向糾錯(cuò)編碼(FEC)；物理層的認(rèn)證與加密；鏈路管理。數(shù)字語(yǔ)音處理電路包括語(yǔ)音編譯碼器和語(yǔ)音接口電路兩部分。語(yǔ)音編譯碼器采用CVSD編碼方式。CVSD（Continuous Variable Slope Delta Modulation）即連續(xù)可變斜率增量調(diào)制。它是一種自適應(yīng)增量調(diào)制技術(shù)，它不重發(fā)語(yǔ)音數(shù)據(jù)包也能夠獲得高質(zhì)量傳輸?shù)囊纛l編碼。CVSD編碼擅長(zhǎng)處理丟失和被損壞的語(yǔ)音采樣，即使比特錯(cuò)誤率達(dá)到4%，CVSD編碼的語(yǔ)音還是可聽(tīng)的。語(yǔ)音接口電路包括標(biāo)準(zhǔn)音頻輸入和輸出以及必要的音頻放大部分。系統(tǒng)的接口部分設(shè)置了RS232、USB、UART、I2C接口以及電話線接口，另外主設(shè)備還有以太網(wǎng)接口和ADSL插孔。其中RS232、USB和UART與計(jì)算機(jī)、智能耳機(jī)、PDA以及智能家電設(shè)備相連，完成信息的交換。主設(shè)備中的RS232串口還用于現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)置和程序的升級(jí)。嵌入式Modem是系統(tǒng)與外部通信網(wǎng)絡(luò)（Internet網(wǎng)和公共電話網(wǎng)）的物理接口。嵌入式Modem采用了簡(jiǎn)單、靈活的實(shí)現(xiàn)方式，以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性和降低一般家庭用戶對(duì)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(fù)責(zé)將家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入到外部通信網(wǎng)絡(luò)中。根據(jù)Modem的發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)的Modem采用了ADSL高速M(fèi)odem標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)以太網(wǎng)接口可以直接接到LAN（局域網(wǎng)）中。系統(tǒng)可以經(jīng)過(guò)內(nèi)部高速數(shù)據(jù)通道和嵌入式Modem連接到DSL上，經(jīng)過(guò)ADSL Modem的信號(hào)分離器，其輸出通過(guò)接到家庭電話線（或通過(guò)ISDN接入方式）來(lái)登陸到Internet上，這樣就可以享受ISP服務(wù)商提供的各種信息和服務(wù)。輔助電路包括液晶顯示電路、鍵盤(pán)控制電路和電源管理電路。

2�� 軟件協(xié)議棧

　　系統(tǒng)的軟件（協(xié)議棧）單元是一個(gè)獨(dú)立的操作部分，不與任何操作系統(tǒng)捆綁。它符合已經(jīng)制定好的藍(lán)牙規(guī)范。系統(tǒng)的協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)，分別完成數(shù)據(jù)流的過(guò)濾和傳輸、跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數(shù)據(jù)的拆裝、業(yè)務(wù)質(zhì)量、協(xié)議的復(fù)用和分用等功能。主從設(shè)備的協(xié)議棧略有不同，如圖4、圖5所示，但大致都分為3個(gè)層次：底層協(xié)議、中間協(xié)議和高層協(xié)議。

　�。�1） 底層協(xié)議。該層包括基帶BB和鏈路管理（LM）。這部分協(xié)議已經(jīng)固化在Bluetooth模塊之中。底層協(xié)議對(duì)應(yīng)用而言是十分透明的，負(fù)責(zé)在藍(lán)牙單元之間建立物理射頻鏈路，構(gòu)成微微網(wǎng)。LM還要完成像鑒權(quán)和加密等安全方面的任務(wù)，包括生成和交換加密鍵、鏈路檢查、基帶數(shù)據(jù)包大小的控制、藍(lán)牙無(wú)線設(shè)備的電源模式和時(shí)鐘周期、微微網(wǎng)內(nèi)藍(lán)牙單元的連接狀態(tài)等。

　�。�2） 中間協(xié)議。這是系統(tǒng)中需要開(kāi)發(fā)的協(xié)議部分。包括邏輯鏈路控制與適應(yīng)協(xié)議L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）、業(yè)務(wù)搜尋協(xié)議SDP（Service Discovery Protocol）、串口仿真協(xié)議RFCOMM和電話控制協(xié)議TCS（僅在主設(shè)備協(xié)議棧中）和PPP協(xié)議。邏輯鏈路控制與適應(yīng)協(xié)議（L2CAP）完成基帶與高層協(xié)議間的適配，并通過(guò)協(xié)議復(fù)用、分用及重組操作為高層提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和分類提取。它允許高層協(xié)議和應(yīng)用接收或發(fā)送長(zhǎng)達(dá)64000個(gè)字節(jié)的L2CAP數(shù)據(jù)包。業(yè)務(wù)搜尋協(xié)議（SDP）是極其重要的部分，是所有使用模式的基礎(chǔ)。它為上層應(yīng)用程序提供一種機(jī)制，來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可用的服務(wù)及其特性。由SDP可查詢?cè)O(shè)備信息、業(yè)務(wù)及其特征，并在查詢之后建立2個(gè)或多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間的連接。SDP支持３種查詢方式：按業(yè)務(wù)類別搜尋、按業(yè)務(wù)屬性搜尋和業(yè)務(wù)瀏覽（browsing）。串口仿真協(xié)議RFCOMM也位于L2CAP之上，它通過(guò)在藍(lán)牙的基帶上仿真RS232的控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，為那些將串行線用作傳輸機(jī)制的高級(jí)業(yè)務(wù)（如對(duì)象交換OBEX協(xié)議）提供傳輸能力。該協(xié)議由藍(lán)牙特別興趣小組BSIG基于ETSI標(biāo)準(zhǔn)TS07.10上開(kāi)發(fā)而成的。電話控制協(xié)議包括電話控制規(guī)范二進(jìn)制（TCS BIN）協(xié)議和一套電話控制命令（AT\|commands）。其中，TCS BIN定義了在藍(lán)牙設(shè)備間建立語(yǔ)音和數(shù)據(jù)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(dòng)電話和調(diào)制解調(diào)器的命令，它也是由BSIG在ITU\|T Q.931的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而成。

　�。�3） 高層協(xié)議。設(shè)計(jì)高層協(xié)議的總原則就是盡量吸收現(xiàn)有成熟的協(xié)議。系統(tǒng)采納的協(xié)議為PPP和UDP/TCP/IP。