淺析藍牙技術的基帶層分組協(xié)議

一、引言




　　現(xiàn)代通信技術的趨勢走向網(wǎng)絡核心技術分組化、窄帶接入技術無線化。在無線接入領域，早期采用電路型傳輸方式，但是現(xiàn)在也開始出現(xiàn)了分組傳輸技術，如CDPD、GPRS、EDGE等；除了這些無線運營數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之外，最近由Ericsson、Intel、Nokia、Toshiba、IBM五家公司組成的藍牙特殊利益集團SIG（SPecial Interest GrouP）聯(lián)手推出的藍牙計劃致力于解決SoHo無線組網(wǎng)，倍受網(wǎng)絡界的矚目。


　　雖然藍牙還沒有正式成為國際標準，但是有越來越多的組織正在吸納這種技術。藍牙技術的目標是采用無線接口技術來取代傳統(tǒng)各種有線連接。雖然藍牙主要用來解決電話、數(shù)據(jù)終端等的連接組網(wǎng)問題，但是SIG也想將該技術應用到家電上去：家庭通過這種方式組成小型無線數(shù)據(jù)網(wǎng)，實現(xiàn)智能控制與管理。藍牙技術的關鍵是很小的藍牙芯片（即無線電收發(fā)信機），可以裝在各種設備上，如手機、冰箱等等。藍牙的應用非常廣泛，例如手機與微機之間通過藍牙無線連接，這種無束縛的接收和發(fā)送信息很有可能改變?nèi)藗兊纳�活方式；藍牙與 WAP的結合也會創(chuàng)造出新的電子商務模式。



二、藍牙的協(xié)議體系結構




　　藍牙協(xié)議體系結構同樣采用分層方式，包括藍牙專用協(xié)議和一些通用協(xié)議。專用協(xié)議位于協(xié)議棧的底部，從底到上依次是藍牙無線層（Bluetooth Radio）、基帶層（Baseband）、LMP層（Link ManagerProtocol）、L2CAP層（Logical link Control andAdaptation Protocol）、SDP層（Service DiscoveryProtocol）。另外RFCOMM層以ETSI TS07.10為基礎，目的是取代電纜連接；TCS（Telephony Control Protocol SPecification）以ITU－T的Q.931為基礎，目的是進行呼叫控制。在藍牙專用協(xié)議之上可以承載PPP、TCP／IP、UDP／IP、WAP等 通用高層協(xié)議。


　　無線層規(guī)范物理層無線傳輸技術。藍牙工作在2.4GHz的ISM頻段，大部分國家采用2400～2483.5NHZ，f＝2402＋kMHZ，k=0～78：即將該頻段劃分為79個帶寬為1MHz的信道；在低頻端留有2MHz的保護帶，在高頻端留有3.5MHz的保護帶。調(diào)制方式采用GFSK，BT=0.5，正頻偏表示“1”，負頻偏表示“0”。系統(tǒng)采用跳頻擴頻技術，抗干擾能力強、保密性好。


　　LMP負責藍牙設備之間的鏈路建立，包括鑒權、加密等安全技術及基帶層分組大小的控制和協(xié)商。它還控制無線設備的功率以及藍牙節(jié)點的連接狀態(tài)。L2CAP在高層和基帶層之間作適配，它與LMP是并列的，區(qū)別在于L2CAP向高層提供負載的傳送，而LMP不能。L2CAP向高層提供面向連接的和無連接的數(shù)據(jù)服務，具備多協(xié)議復用功能和拆／裝適配功能。SDP是藍牙體系中非常關鍵的部分，只有通過SDP了解通信雙方的設備信息、業(yè)務類型、業(yè)務特征，然后才能在藍牙設備之間建立通信連接。



三、基帶層




　　1．物理信道與物理鏈路




　　藍牙技術的特點體現(xiàn)在底層技術，而基帶層是底層中的關鍵技術之一。注意藍牙基于微微小區(qū)機制，需具備強壯性、低復雜度、低功率、低成本的特點，而這在基帶層技術中有所體現(xiàn)。


　　前面說過藍牙采用挑頻擴頻技術，每秒1600跳，從時間域看即每個時隙長度是625μs，即每個時隙從79個信道中選擇一個。時隙編號0～ 2的27次方－1，即以2的27個次方雙工方式采用TDD。藍牙既支持電路型數(shù)據(jù)，也支持分組型數(shù)據(jù)；既支持點對點連接，也支持點對多點連接。在一個微微網(wǎng)絡（Pieconet）中，一個單元作為主節(jié)點，其他作為從節(jié)點，最多可以有7個從節(jié)點；但是允許有更多從節(jié)點與主節(jié)點保持在Park狀態(tài)。從節(jié)點對信道的接入由主節(jié)點控制。微微網(wǎng)絡在覆蓋上可以有重疊：每個網(wǎng)絡有各自的跳頻方案，一個網(wǎng)絡的主節(jié) 點可以同時作為另一個網(wǎng)絡的從節(jié)點；一個從節(jié)點可以屬于多個網(wǎng)絡。


　　主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)只能占用偶時隙，反之從節(jié)點只能在奇時隙才能向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。一個分組（Packet，實際上更習慣的說法是幀，因為在基帶層其地位類似于OSI的第2層、部分涉及物理層，分組的確切用法在第3層，但是藍牙基帶層規(guī)范中采用Packet術語）的傳送最多可以占用5個時隙，在一個分組的傳送期內(nèi)，維持初始時隙所占用的信道而不再跳頻。


　　在主從節(jié)點之間，有兩種不同類型的鏈路，即同步面向連接SCO（Synchronous Connection-Oriented）鏈路和異步無連接ACL（Asynchronous Connection－Less）鍵路。SCO是點到點鏈路，立節(jié)點在周期性的保留時隙上維持SCO；ACL是點到多點鏈路。主節(jié)點可以利用SCO本占用的時隙建立ACL鏈路，從節(jié)點可以同時參與SCO和ACL。


　　SCO具備雙向?qū)ΨQ性，可以看作電路型連接，通常用于支持語音等實時業(yè)務。主節(jié)點可與一個或多個從節(jié)點建立多達3個的SCO鏈路；一個從節(jié)點也與多個主節(jié)點建立SCO鏈路（最多3條）。SCO分組不采用重傳機制。SCO鏈路的建立通過主節(jié)點發(fā)送LMP的SCOsetup消息，該消息中包含了Tsco和Dsco等參數(shù)。Dsco用于標識SCO開始的時隙相對數(shù)，而Tsco用于表示時隙的重復周期。


　　未被SCO占用的時隙可用于ACL，在一對主從節(jié)點之間只有一條ACL。ACL的分組傳送來用重傳機制以確保正確性。只有主節(jié)點在發(fā)往從節(jié)點的分組中以某種方式允許某從節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，該從節(jié)點才能在規(guī)定時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。ACL支持廣播。



　　2．分組組成




　　每個分組由3部分組成，即接入碼（AccessCode）、頭（Header）、負載（Payload）。其中接入碼和頭字段為固定長度，分別為72比特和54比特；負載是可變長度，從0～2745比特。一個分組可以僅包含接入碼字段（此時為縮短的68比特），或者包含接入碼與頭字段，或者包含全部3個字段。


　　接入碼有三種類型：Channel Access Code（CAC）、Device Access Code（DAC）和Inquiry Access Code（IAC）。CAC用于標識一個Piconet，所有在該Piconet中傳送的分組都包含CAC；DAC用于特殊的信令過程，如尋呼和響應尋呼；IAC又分為General（GIAC）和Dedicated（DIAC）兩類：GIAC對該區(qū)域內(nèi)所有設備都是一樣的，用于發(fā)現(xiàn)其它的藍牙單元；DIAC用于根據(jù)某種特性劃分特定用戶群。


　　分組頭包含鏈路控制信息，由6個字段組成：3比特的AM－ADDR、4比特的TYPE、1比特的FLOW、1比特的ARQN、1比特的SEQN、8比特的HEC，一共18個比特；再加速率為1／3的FEC，編碼保護后一共是54比特。在主節(jié)點與從節(jié)點通信時，需要區(qū)分不同的從節(jié)點，用AM－ADDR來表示激活的從節(jié)點地址。全“0”地址用于廣播，顯然3比特的編碼最多可以支持的激活從節(jié)點數(shù)為7（扣除全0）。4比特的TYPE字段可以區(qū)分16種不同類型的分組，詳細情況見本節(jié)第3點。FLOW字段用于ACL鏈路上的流量控制：如果接收端緩存滿，則FLOW＝0指示發(fā)端停止發(fā)送數(shù)據(jù)；如果緩存清空，則FLOW=1指示發(fā)端繼續(xù)發(fā)送。ARQN＝0時表示NAK；ARQN＝1時表示ACK，用于對負載傳送正確性的確認。SEQN比特在每發(fā)送一個新的分組時翻轉一次，因為藍牙采用無編號ARQ機制，所以SEQN對于重傳是必需的，這樣可以避免由于 ACK的去失而造成分組重復接收。分組頭用8比特的校驗碼以檢查分組頭的正確性。



　　3．分組類型




　　在16種分組中，有4種是公共的；另外12種根據(jù)SCO和ACL不同鏈路而不同。



　�。�1）公共分組


　　ID分組：由DAC或IAC組成，長度固定為68比特，用于尋呼、探詢、響應。


　　NULL分組：僅包含 CAC和分組頭，沒有負載，長度固定為126比特。NULL分組用于通過ARQN、FLOW等字段將鏈路信息返回給發(fā)送端。NULL分組無需確認。


　　POLL分組：POLL分組與NULL分組類似，也沒有負載字段，但是需要接收端的確認。當從節(jié)點收到POLL分組后，必須響應，即使當時沒有數(shù)據(jù)信息需要發(fā)送。


　　FHS分組：是一種特殊的控制分組，它宣告發(fā)端的設備地址和時鐘信息，以實現(xiàn)跳頻同步。負載字段包含144個信息比特加16比特的CRC校驗碼，然后用速率為2／3的FEC保護，最終長度為240比特。FHC的結構比較復雜，限于篇幅不作介紹。


　　DM1分組：DM代表Data Medium rate，該分組僅攜帶數(shù)據(jù)信息，負載包含18個信息字節(jié)和16比特的CRC校驗碼，然后用速率為2／3的FEC保護（即每10個信息比特附加5個校驗比特）。



　�。�2）SCO分組


　　SCO分組在SCO鏈路上傳送，分組不采用CRC校驗和重傳機制�，F(xiàn)在定義了3種SCO分組，SCO分組通常用于64kbit／s的語音傳送。


　　HV1分組：HV代表High quality Voice，該分組攜帶10個字節(jié)的信息，用1／3速率的FEC保護，編碼后負載長度為240比特。一個HV1分組可以攜帶1.25ms的64kbit／s的語音，每兩個時隙HV1分組必須發(fā)送一次，即sco=2。


　　HV2分組：HV2分組攜帶20個字節(jié)的信息，采用速率為2／3的FEC，編碼后負載長度也為240比特。一個HV2分組可以攜帶2.5ms的64kbit／s的語音，每四個時隙HV2分組必須發(fā)送一次，即Tsco=4。


　　HV3分組：HV3分組攜帶30個字節(jié)的信息，沒有采用FEC，負載長度也為240比特。一個HV3分組可以攜帶3.75ms的64kbit／s的語音，每六個時隙HV3分組必須發(fā)送一次，即Tsco=6。


　　DV分組：DV分組是數(shù)據(jù)和語音的混合，負載由80比特的語音字段和最多150比特的數(shù)據(jù)字段組成。語音字段沒有 FEC保護，數(shù)據(jù)字段有10字節(jié)信息，加16比特的CRC校驗碼，然后用2／3FEC保護。語音處理和數(shù)據(jù)處理是獨立的。



　�。�3）ACL分組


　　ACL分組在ACL錯路上傳送，承載的信息可以是控制信息或用戶數(shù)據(jù)。如果包含DM1，則一共有7種ACL分組，除了AUX1外其它6種ACL分組采用CRC校驗及重傳機制。


　　DH1分組：與DM1分組類似，但是負載數(shù)據(jù)不經(jīng)過FEC。DH1分組攜帶28字節(jié)信息加16比特的CRC校驗碼。DH代表Data-High rate。


　　DM3分組：與DM1類似，但DM3可以占用3個時隙，負載可包含123個信息字節(jié)加16比特的CRC校驗碼。


　　DH3分組：與DM3類似，但負載不采用FEC。DH3可以攜帶185字節(jié)的信息加16比特的CRC校驗碼。


　　DM5分組：DM5分組可以占用5個時隙，負載可包含226個信息字節(jié)加16比特的CRC校驗碼。


　　DH5分組；與DM5類似，但負載不采用FEC。DH5可以攜帶341字節(jié)的信息加16比特的CRC校驗碼。


　　AUX1分組：與DH1類似，但沒有CRC校驗碼。AUX1分組可以攜帶30個信息字節(jié)。



4．負載格式




　　在負載中要區(qū)分語音（同步）字段和數(shù)據(jù)（異步）字段：ACL分組僅包含數(shù)據(jù)字段，SCO分組僅包含語音字段，DV比較特殊同時包含兩種字段。語音字段長度固定為240比特，DV分組中語音字段為80比特，不存在負載頭字段。數(shù)據(jù)字段包含3部分：負載頭、負載體和CRC校驗碼（AUX1例外）。


　　負載頭為1或2個字節(jié)。負載頭規(guī)定了邏輯信道、邏輯信道上的流量控制及負載長度指示。用2個比特的L－CH字段來代表邏輯信道，其中11表示LM信道（傳送LMP消息），10表示 UA／UI（L2CAP消息開始），01表示UA／UI（L2CAP消息繼續(xù)）， 00保留。


　　在藍牙基帶層中定義了5種邏輯信道，即LC（Link Control）控制信道、LM（Link Manager）控制信道、UA（User Asynchronous）用戶信道、UI（UserIsochronous）用戶信道、US（User Synchronous）用戶信道。控制信道用于鏈路控制和鏈路管理，用戶信道用于運載用戶數(shù)據(jù)。LC信道在分組頭中，其它信道在分組負載中。LM、UA、UI用負載頭中的L－CH字段來區(qū)分，US信道僅在SCO鏈路中，UA和UI通常由ACL承載，但也可由SCO的DV分組來承載。 LM信道SCO和ACL都可承載。



摘自《中國通信網(wǎng)》