无线个人网 PAN —— 蓝牙 (BlueTooth)

1. 物联网技术基础之 无线个人网PAN —— 蓝牙(BlueTooth)

2. 1 2 3 4 无线个人网 BlueTooth 主 要 技 术 总 结 内容目录

3. 无线个人网 • 无线个人网 （WPAN） • Wireless Personal Area Network • IEEE 802.15 • WPAN VS WLAN • 覆盖范围更小（大约10m） • 速率更低（大约1Mbps） • 只支持ad hoc 拓扑结构 • 功耗低（大约1mW），成本小 美国电气和电子工程师协会(IEEE)是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，是世界上最大的专业技术组织之一

4. 2 1 3 4 BlueTooth 无线个人网 主 要 技 术 总 结 内容目录

5. 1 2 3 4 概 述 历 史 应 用 主 要 技 术 BlueTooth

6. 概 述 • 距离短 （10 m） • 功耗低 • 2.4 GHz （使用ISM频段）Industrial Scientific Medical • 优势：世界范围内可用 • 劣势：与IEEE 802.11b产品相互干扰 • 声音和数据传输，总带宽为1Mbps • 成本低 • 低于US$5 / 蓝牙芯片

7. 概 述 • 数据和语音访问点 • 实时语音和数据传输 • 电缆替代 • 免除杂乱不便的电缆连接 • Ad hoc网络 • 在射频范围内，蓝牙设备之间可以互联

8. 2 1 3 4 历 史 概 述 应 用 主 要 技 术 BlueTooth

9. 历 史 1994 年 Ericsson开始初始研究 Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba和Intel 成立了特别兴趣小组，来开发蓝牙标准 1998 年 第一个规范颁布，被称为IEEE 802.15 无线个人网 1999 年 目 前 超过1000家公司加入到了SIG（special interest group)）

10. 为什么称为“BlueTooth”？ • Harald Blaatand • 在英语中翻译为 “Bluetooth” • A. D. 940-981 • 古代丹麦和挪威的国王，以统一了因宗教战争和领土争议而分裂的挪威与丹麦而闻名于世 • 这个典故也是蓝牙技术发起成员（Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba）的灵感所在 • 希望通过“蓝牙”来统一全球的WPAN标准

11. 3 1 2 4 应 用 概 述 历 史 主 要 技 术 BlueTooth

12. 应用—场景 • 电缆替代 • Ad hoc个人网（例如，在会议室范围内连接多个用户） • 蓝牙网关：使蓝牙设备能够接入数据和语音骨干网络

13. 无绳电话 • 对讲机电话 • 蜂窝电话 应用—模式 SQL Server 2005 文 件 传 输 Internet 桥 蓝牙网关 LAN 接 入 数 据 同 步 Socket 通讯 蓝牙语音网关 3 合 1 电 话 Symbian/S60 无线耳机 — 远程设备的语音接口

14. 4 1 2 3 主 要 技 术 概 述 历 史 应 用 BlueTooth

15. 主要技术—组网方式 • 微微网（Piconets） Piconets • 蓝牙网络的基本 模式 • 设备以ad hoc模 式连接的网络称 为Piconet • “暂停”设备不 计入7个从设 备范畴，不发 送数据，但与 主设备同步 • 每一个Piconet有 一个主设备和多达 7个从设备相连 • 主设备控制通信过 程，在某一时刻一 个主设备只能和一 个从设备通信 • 在连接之前， 设备处于“待命 ”（standby） 模式，每隔 1.28s接收1次消 息

16. 主要技术—组网方式 • 微微网结构图

17. 主要技术—组网方式 • 分散网（Scatternet） Scatternet • 通过共享主设 备或者从设备 可以实现多个 Piconet互联， 从而形成分散 网 • 允许多个 设备共享 同一区域 • 高效利用 带宽 • 一个蓝牙设备可 以在一个Piconet 中为主设备，而 在另一个Piconet 中为从设备 • 一个蓝牙设备不 能同时在两个 Piconet中作为主 设备

18. 主要技术—组网方式 • 分散网结构图 Piconets

19. 主要技术—协议结构 • 核心协议 • 射频 • 基带 • 链路管理协议(LMP) • 逻辑链路控制和适应协议(L2CAP) • 服务发现协议(SDP)

20. 主要技术—蓝牙协议栈模型 • 链路管理（LMP）负责蓝牙组件间连接的建立。通过连接的发起、交换、 核实，进行身份鉴权和加密等安全方面的任务；通过协商确定基带数据分组 大小。 • 逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）位于基带协议层之上，属于数据链路 层，是一个为高层传输和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议。其完成数据 的拆装、基带与高协议间的适配，它允许高层协议和应用接收或发送长过64K字节的L2CAP数据包。 • 服务发现协议（SDP）是极其重要的部分，它是所使用模式的基础。通过 查询设备信息，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的连接。

21. 主要技术— 物理链路 • 在主/从设备间可以建立两种链路--面向连接的同步(SCO) 面向连接的同步(SCO) • 用于时延敏感 业务，例如声 音 • 主设备可以同时 支持3个SCO • 在固定的时间间 隔预定时隙

22. 主要技术— 物理链路 • 在主/从设备间可以建立两种链路--异步无连接(ACL)链路 异步无连接(ACL)链路 • 在一个 Piconet中 只能有一 条ACL链 路 • 提供尽力服务 ，用于数据传 输 • 使用可变包大小，支持非对称数据速率

23. 主要技术—连接管理：建立连接 • 备用 (Standby) • 设备没有连入Piconet状态 • 查询 • 设备向通信范围内的其他设备发送查询信息 • 该设备变为主设备 • 其他设备的定时和 ID信息发送给主设备 • 这些设备变为从设备 • 寻呼 • 主设备通过寻呼信息向从设备发送其定时和ID信息 • Piconet建立，通信会话开始

24. 主要技术—连接管理：电源节省模式 • 保持（Hold）模式 • 在保持模式下不能进行数据传输 • 在一个Piconet内的保持模式时间内，该设备可以与其他Piconet 相连 • 适合应用于可以预测或控制下一次数据传输时间的应用 • 呼吸（Sniff）模式 • 设备降低监听Piconet的频率（有规律），可以维护SCO链路 • 暂停（Park）模式 • 设备放弃其成员地址资格（不能维护已建立的SCO链路），但仍 与Piconet保持同步 • 不再参与Piconet通信，但仍然检查Piconet广播消息

25. 主要技术—网络建立 GIAC或DIAC GIAC：General Inquire Access Code DIAC: Dedicated Inquire Access Code FHS: Frequency Hopping Synchronization FHS数据包 从DAC (Device Access Code) DAC FHS数据包

26. 主要技术—网络建立的过程 • 首先，主设备使用接入码（GIAC /DIAC）查询一定范围内蓝牙设备。 • 附近的蓝牙设备正在侦听这些查询，它就会通过发送自己的地址和时钟信息（FHS数据包）给主设备,来响应主设备。 • 发送这些信息之后，从设备就可是侦听来自主设备的寻呼消息。 • 主设备在发现范围内的蓝牙设备之后可以寻呼这些设备以建立连接。 • 处于寻呼扫描状态的从设备如果被该主设备寻呼到，则从设备可以立即用自己的设备访问码（DAC）作为响应。 • 主设备接收到来自从设备的响应之后即可传送主设备的实时时钟、BD_ADDR、BCH奇偶位以及设备类别（FHS数据包）作为响应。从设备收到该FHS数据包后，主设备和从设备即进入连接状态。 两台蓝牙设备之间的连接过程：

27. 主要技术—网络建立的过程 • 连接进程由主设备初始化。如果一个设备的地址已知，就采用寻呼 信息(Page message) 建立连接；如果地址未知，就采用查询信息（Inquiry message）建立连接。查询信息主要用来查询地址未知的设备（如公用打印机、传真机等），它与寻呼信息类似，但需要附加一个周期来收集所有的应答。 • 在寻呼状态（Page state），主设备在16个跳频频率上发送一串相同的寻呼信息给从设备，如果没有收到应答，主设备就在另外的16个跳频频率上发送该信息。主设备到从设备的最大时延为两个唤醒周期（2.56秒），平均时延为半个唤醒周期（0.64秒）。

28. 几种无线网络的比较 参数802.16a 802.11 802.15 (WiMAX)(WLAN)(Bluetooth) 频宽 2-11GHZ 2.4GHZ 2.4GHZ 范围 ~ 31miles ~100meters ~10 meters 数据传输率 70Mbps 11Mbps - 1Mbps 55Mbps 用户数量 数千人 几十人 几十人

29. THE END