利用蓝牙技术实现家庭无线网络系统

作者：天津大学精密仪器与光电子工程学院曾周末张志荣钱莹
　　
　　摘要：摘要利用蓝牙技术无需电缆就可以高速连接个人电脑、移动电话、PDA、数码相机、打印机、电视机、空调机、洗衣机等家用电器和办公设备，形成一个方便、实用的“无线微网”，为用户提供极大的方便，并可派生出新的服务功能。蓝牙网络技术使传统家庭信息化，并使之与信息高速公路——通信网络紧密结合。
　　
　　关键词：蓝牙微微网无线接入跳频扩谱协议栈
　　
　　引言
　　
　　　当今信息化的一个重要方面就是因特网(Internet)和移动通信(mobile communication)的迅猛发展。它使得人们的生活方式、工作方式以及思维方式都发生了巨大的变化，同时也刺激人们对电脑以外的各种数据源和网络服务的需求日益增长。智能家庭网络的出现和发展给信息社会注入了新的生机和活力，而蓝牙(Bluetooth)技术的日趋成熟无疑给这个新的浪潮起到了推波助澜的作用。
　　家庭网络是指在家庭和社会的信息网络相连之前，将家庭内部所有的信息设备连接起来而形成的网络。显然，连接家庭网络最理想的技术是无线通信技术，它用微波取代了传统网络中错综复杂的电缆。目前，关于该技术有不少产品和标准，如Butterfly, Diamond, Proxim, Shavewave等公司的产品，其中最具有代表性的是Bluetooth和HomeRF两种技术。Bluetooth的优势在于全球标准的统一，具有互操作性，以及能非常方便地实现快速、灵活、安全、低成本、低功耗的数据和语音通信，因此Bluetooth技术在家庭无线网络系统中的发展潜力巨大。
　　
　　系统设计
　　
　　　蓝牙的载波选用在全球公用的2.4GHz工科医学（ISM）频带，并采用跳频扩谱技术（FHSS）。跳频速率为1600次/s，以2.45GHz为中心频率最多可得到79个1MHz带宽的信道。蓝牙设备采用的是GFSK调制技术，其传输速率为1Mb/s，实际有效速率最高可达721Kb/s，传输距离为10m。语音传输采用连续可变斜率调制编码（CVSD）技术，通信协议则采用时分多址（TDMA）协议。遵循Bluetooth协议的各类数据和语音设备都能够以无线方式接入到公共网络系统中（如Internet, Intranet）。
　　　蓝牙系统以点到点PPP（Point-to-Point Protocol）连接为基础，用无线方式将若干蓝牙设备连接成1个微图1主从设备的拓扑结构图微网（Piconet）。每个Piconet的蓝牙装置组成为1个主设备（Master）和若干个从设备（Slave），主设备负责通信协议的运作。MAC地址用3位来表示，即在1个微微网内可寻址８个设备（互联的设备数量实际是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活８个，其中１个为主，７个为从）。图1给出了1个微微网中主从设备的拓扑结构图。此外，蓝牙系统还支持点到多点的通信构成分布式网络，即1个主设备可以是其他Piconet的从设备，每个从设备也可以是其他Piconet的主设备。
　　　
　　1 硬件组成
　　　图2从设备的硬件结构图3主设备的硬件结构本系统中的硬件主要包括：天线单元、2.45GHz功率放大模块、Bluetooth 模块、语音编译码器、嵌入式微处理器系统、接口电路以及一些辅助电路。此外，主设备还包括以太网接口和嵌入式Modem部分。图2、图3给出了系统的主、从设备硬件结构。系统的天线属于微带天线，因此天线部分可以做得体积小、质量轻。空中接口建立在天线电平为0dBm的基础上，遵循FCC(美国联邦通信委员会)有关电平为0dBm的ISM频段的标准。由于Bluetooth采用跳频扩谱技术，所以天线要求是宽带天线：起始频率为2.402GHz；终止频率为2.480GHz。为了抵抗多路径干扰，本系统设计成是多样化天线。系统的功率放大器工作在全球都可以使用的24GHz ISM频带上,功放的带宽为2400~24835MHz。系统设计的通信距离为10m（0dB）。如果发射功率增加到20dB（100mw），会使距离达到100m。主设备的微处理器系统采用嵌入式系统，它是系统中关键技术难点。从某种角度上说，主设备起了智能网关的作用。它是整个家庭无线网络系统的核心部分，要完成家庭无线网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，同时还负责对各个从设备的管理和控制。考虑到为普通家庭用户所能接受，微处理器采用非PC的廉价设备，主、从设备处理器都采用嵌入式Internet技术和高性能微处理器。Bluetooth模块主要完成基带部分协议的转换以及将数字语音处理电路送来的语音数据流和微处理器送来的数据进行整合，然后经编码、调制后送给功率放大器放大再无线发出。该模块主要包括两大单元。
　　　
　　图2 从设备到硬件结构
　　　
　　图3 主设备的硬件结构
　　
　　　（1）无线射频（RF）单元。蓝牙模块的射频单元功率也符合FCC关于ISM波段的要求，因此，在使用中都会遇到不可预测的干扰源。蓝牙模块特别设计了快速确认和跳频扩谱技术以确保链路稳定。在2.4GHz ISM频带上以伪随机方式，按1600次/s的速率，在总计79个频率上进行跳转（以2.4GHz为中心频率，最多可以得到79个1MHz带宽的信道），这样可以有效地防止信号干扰和减弱。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其他系统都更稳定。此外系统还采用了时分双工（TDD）方案被用来实现全双工传输。FEC（前向纠错）的使用抑制了长距离链路的随机噪声。
　　　（2）基带（baseband,BB）和链路管理（linkmanager,LM）单元。BB负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输；LM负责连接的建立和拆除。它们实现的功能包括：对SCO和ACL连接方式的支持；差错控制，可以采用多种检纠错方式，其中包括前向纠错编码(FEC)；物理层的认证与加密；链路管理。数字语音处理电路包括语音编译码器和语音接口电路两部分。语音编译码器采用CVSD编码方式。CVSD（Continuous Variable Slope Delta Modulation）即连续可变斜率增量调制。它是一种自适应增量调制技术，它不重发语音数据包也能够获得高质量传输的音频编码。CVSD编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样，即使比特错误率达到4%，CVSD编码的语音还是可听的。语音接口电路包括标准音频输入和输出以及必要的音频放大部分。系统的接口部分设置了RS232、USB、UART、I2C接口以及电话线接口，另外主设备还有以太网接口和ADSL插孔。其中RS232、USB和UART与计算机、智能耳机、PDA以及智能家电设备相连，完成信息的交换。主设备中的RS232串口还用于现场参数设置和程序的升级。嵌入式Modem是系统与外部通信网络（Internet网和公共电话网）的物理接口。嵌入式Modem采用了简单、灵活的实现方式，以减小系统的复杂性和降低一般家庭用户对Modem基本操作技能的依赖性；嵌入式Modem需要完成Modem的基本功能，负责将家庭无线网络接入到外部通信网络中。根据Modem的发展现状，系统的Modem采用了ADSL高速Modem标准。通过以太网接口可以直接接到LAN（局域网）中。系统可以经过内部高速数据通道和嵌入式Modem连接到DSL上，经过ADSL Modem的信号分离器，其输出通过接到家庭电话线（或通过ISDN接入方式）来登陆到Internet上，这样就可以享受ISP服务商提供的各种信息和服务。辅助电路包括液晶显示电路、键盘控制电路和电源管理电路。
　　2 软件协议栈
　　　系统的软件（协议栈）单元是一个独立的操作部分，不与任何操作系统捆绑。它符合已经制定好的蓝牙规范。系统的协议栈采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量、协议的复用和分用等功能。主从设备的协议栈略有不同，如图4、图5所示，但大致都分为3个层次：底层协议、中间协议和高层协议。
　　
　　（1）底层协议。该层包括基带BB和链路管理（LM）。这部分协议已经固化在Bluetooth模块之中。底层协议对应用而言是十分透明的，负责在蓝牙单元之间建立物理射频链路，构成微微网。LM还要完成像鉴权和加密等安全方面的任务，包括生成和交换加密键、链路检查、基带数据包大小的控制、蓝牙无线设备的电源模式和时钟周期、微微网内蓝牙单元的连接状态等。
　　　（2）中间协议。这是系统中需要开发的协议部分。包括逻辑链路控制与适应协议L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）、业务搜寻协议SDP（Service Discovery Protocol）、串口仿真协议RFCOMM和电话控制协议TCS（仅在主设备协议栈中）和PPP协议。逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）完成基带与高层协议间的适配，并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务和分类提取。它允许高层协议和应用接收或发送长达64000个字节的L2CAP数据包。业务搜寻协议（SDP）是极其重要的部分，是所有使用模式的基础。它为上层应用程序提供一种机制，来发现网络中可用的服务及其特性。由SDP可查询设备信息、业务及其特征，并在查询之后建立2个或多个蓝牙设备间的连接。SDP支持３种查询方式：按业务类别搜寻、按业务属性搜寻和业务浏览（browsing）。串口仿真协议RFCOMM也位于L2CAP之上，它通过在蓝牙的基带上仿真RS232的控制和数据信号，为那些将串行线用作传输机制的高级业务（如对象交换OBEX协议）提供传输能力。该协议由蓝牙特别兴趣小组BSIG基于ETSI标准TS07.10上开发而成的。电话控制协议包括电话控制规范二进制（TCS BIN）协议和一套电话控制命令（AT/|commands）。其中，TCS BIN定义了在蓝牙设备间建立语音和数据呼叫所需的呼叫控制信令；AT/|commands则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它也是由BSIG在ITU/|T Q.931的基础上开发而成。
　　　（3）高层协议。设计高层协议的总原则就是尽量吸收现有成熟的协议。系统采纳的协议为PPP和UDP/TCP/IP。PPP运行与串口仿真协议RFCOMM之上，用于实现点到点的

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