个人局域网的一种实现技术--蓝牙技术

【摘　要】简单介绍了最近发展起来的个人局域网，详细论述了蓝牙技术的特点、功能单元及其协议体系，最后对其发展前景进行了展望。
   关键词：个人局域网 蓝牙技术 功能单元 协议体系
　
1　个人局域网（PAN）简介
 　随着网络通信技术的发展，一种新的小型无线局域网络正在悄然兴起，这就是业界称之为个人局域网（PersonalArea Network）的一种特殊的小型局域网。PAN的基本思想是：以无线方式实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的家用或办公用信息网络。
　 PAN主要用于家庭及小型办工场合，可以实现语音通信、数据通信、信息家电和办公用具的互连及信息的自动交换、Internet接入服务等功能，是构建未来信息化家居和办公环境的新兴技术。随着网络技术的飞速发展，以及信息家电的发展，其发展前景广阔。
　 PAN主要适用于室内短距离通信，相对应地，PAN具有其自身的一些特点，例如设备体积小、便于携带、收发功率小、工作频段较高、通信环境相对稳定、可低成本实现较高的QoS等。
　 PAN的实现技术有多种，主要有Bluetooth、IrDA、Home RF及UWB（Ultra－Wideband Radio）这四种技术。其中蓝牙技术作为主流技术之一，得到了象Ericsson、Nokia、Intel、IBM等厂商的支持，其发展势头强劲，成为PAN技术苑中一朵绚丽的奇葩。鉴于此 ，下面将对其作初步介绍。
2　蓝牙技术的发展概况及特点
　 蓝牙（Bluetooth）技术是一种实现语音和数据短距离无线传输的新兴技术，支持点到点、点到多点的通信。该技术由Ericsson、Nokia、Intel、IBM和Toshiba等公司提出并推广。自1998年以来，先后有Bluetooth1．0A和Bluetooth1．0B标准被相继推出，Bluetooth2. 0标准也即将推出。这极大地推动了PAN技术的发展，IEEE专门成立了IEEE 802．15小组负责研究基于蓝牙技术的PAN技术。蓝牙技术具有以下几个特点：
　（1）将设备无线互联组成小型PAN，并可为其提供接入数据网的功能，能够实现与Interne t互联。　　
  （2）工作于2．4GHz的ISM频段，无需申请频率许可证。
　（3）采用1600hop／s的快速跳频技术，提供了一定程度的物理层安全保证。
　（4）采用正向纠错编码（FEC）技术降低了误码率，保证通信质量。
  （5）采用FM调制方式，设备简单。
　（6）支持点到多点通信，具有自动查询设备及服务类型的功能。
　（7）协议体系完备，充分支持现有高层协议，具有多种工作模式。
  （8）支持多通道传输，可实现非对称连接。
  （9）支持电路交换和分组交换两种交换形式。 
  （10）设备体积小，便于携带或移动，成本低廉。
3　蓝牙系统的构成及其拓扑结构
　 支持蓝牙技术的设备以特定的方式构成一个网络，我们将其称之为微微网(Piconet)。微微网最多由八个设备组成，所有蓝牙设备都是对等的，以同样的方式工作。但当微微网建立时，只有一台设备的时钟和跳频序列用来使其他设备同步，该设备称为主设备(Master unit)，其他被同步的设备称为从设备（Slave unit）。微微网中的设备具有唯一的MAC地址（MACadress），用于相互区分和标识，该地址以3个bit表示。微微网中的设备可处于休眠状态（Parketstate）、监听（Sniffstate）状态或保持（Hodestate）状态 ，当处于休眠状态时设备无MAC地址。由若干独立的非同步的微微网构成分布式网络(Scatter Network)，PAN因而可认为是一个分布式网络。图1示出了其网络拓扑结构。
                      
4　蓝牙功能单元
4．1　无线射频单元
　 蓝牙系统采用全向天线，支持点到多点的通信，使得多台蓝牙设备可以分享LAN资源；支持终端的移动性，更容易查询和发现设备。信号传输不受视距的影响，易于组网。天线的发射功率按0dBm设计，符合FCC关于ISM波段的要求。发射功率可达100mW，系统在2．402GHz到2．480GHz之间，采用79个1MHz的频点进行跳频。其设计通信距离为10厘米到10米，增大发射功率可以达到100米。
4．2　基带控制单元
　 蓝牙基带控制单元实现基带协议和其他底层连接协议，具体完成三方面功能：网络建立、差错控制、验证和加密。
　（1）网络建立微 微网建立之前，所有蓝牙设备均处于等待状态，在此状态下设备每隔1.28s监听一次信息，设备一旦被唤醒将在预先设定的32个跳频频率上监听信息。连接进程由主设备初始化，若一个设备的MAC已知，就用寻呼信息建立连接；若MAC未知，则用寻呼查询信息建立连接。在初始寻呼状态，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，若未收到应答，主设备就在其他的16个跳频频率上发送寻呼信息。当所需从设备应答后即建立连接，网络便建立起来了。蓝牙基带技术支持两种连接方式：
　 ·面向连接（SCO）的同步传输方式：主要用于话音传输。
　 ·面向无连接（ACL）的异步传输方式：主要用于分组数据的传输。
　 应当说明的是在同一微微网中，不同的主从设备可以采用不同的连接方式，而且在一次通信中，连接方式可以改变。每一连接方式支持16种不同的分组类型，其中控制分组四种，为SCO和ACL通用的分组。两种连接方式均采用时分双工（TDD）通信。SCO为对称连接，支持实时语音传输，主从设备无需轮询即可发送数据。SCO的分组既可以是语音也可以是数据。当发生中断时，只有数据部分需要重传。ACL是面向分组的连接，支持对称和非对称两种传输流量，同时还支持广播信息。在ACL方式下，主设备控制链路带宽并负责从设备带宽的分配，从设备按轮询发送数据。
  （2）差错控制　基带控制器采用三种纠错方式：1／3正向纠错编码（FEC）、2／3正向纠错编码、和自动请求重传（ARQ）。采用FEC编码的目的是减少数据重发的次数，但在无差错环境下，FEC校验位失去作用而且降低了数据吞吐量，因此业务数据是否加FEC校验应视具体情况而定。对于含有重要连接信息和纠错信息的分组报头应始终采用1／3FEC校验码进行保护传输。对于需在发送后的下一时隙给出确认的数据传输，使用ARQ方式。回送ACK意味着头信息校验及CRC校验均正确；否则，回送NACK。
　（3）验证与加密　物理层提供验证与加密服务，验证与加密采用口令／应答方式，在连接过程中，可能需要一次验证或两次验证，也可能无需验证。验证对蓝牙系统而言是一个重要的组成部分，它允许用户自行添加可信任的蓝牙设备。蓝牙系统采用流密码加密技术，便于硬件实现，密钥长度可以是0、40、64、128位，蓝牙设备在每次建立链路时都要核对密钥，通信时该密钥用于鉴权和加密。密钥由高层软件管理。蓝牙验证与加密的目的是提供适当级别的保护，如果用户有更高级别的保密要求，需使用传输层和应用层安全机制。
4．3　链路管理单元
　 链路管理单元实现通信链路的建立、验证、链路配置、及其他协议。链路管理器可发现其他链路管理器，并通过链路管理协议（LMP）建立通信联系，链路管理器利用链路控制器（LC ）提供的服务实现上述功能。LC实现的功能有：接收和发送数据、设备号请求、链路地址查询、建立连接、验证、协商建立连接的方式、确定分组的帧类型、设置设备的工作方式（监听、休眠或保持）。
4．4　软件功能单元
 　蓝牙计划的目的是确保任何蓝牙设备实现互通，因此蓝牙设备必须能够彼此识别，并通过安装合适的软件识别出彼此支持的高层功能。互通性要求采用相同的应用层协议。软件的互通性指链路级协议的多路传输、设备和服务的发现以及分组的分段和重组。这些功能由蓝牙手机、手持设备、及笔记本电脑来完成。蓝牙软件结构单元利用现有规范，像OBEX、vCard／ vCalendar、HID、WAP、PPP及TCP／IP等协议规范，而不去开发新的协议。软件单元主要实现的功能有：蓝牙设备的发现、与外围设备的通信、音频通信及呼叫控制、交换名片和电话号码等。
5　蓝牙技术的协议体系
　 蓝牙协议栈如图2所示。完整的蓝牙协议包括蓝牙专用协议（如LMP和L2CAP）和非专用协议（如对象交换协议OBEX和传输控制协议TCP）。协议和协议栈的设计原则是充分利用现有的高层协议，保证现有协议与蓝牙技术相融合及各种应用之间的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。
                  
   蓝牙协议体系可分为两大类：核心协议和应用协议。核心协议包括基带协议（Baseband）链路管理协议（LMP）、逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）和服务发现协议（SDP）。
5．1　核心协议
  （1）基带协议（Baseband）
　 基带协议在网络建立之初发现蓝牙设备，并同链路控制层一起保证微微网内各设备单元之间建立无线连接。语音编码数据直接通过基带协议传输，呼叫控制命令（TCS BIN和AT Commands）建立在虚拟串口协议RFCOMM基础上，通过L2CP处理后进入基带传输。
  （2）链路管理协议（LMP）
　 链路管理协议负责蓝牙设备间无线连接的建立与控制。通过连接的发起、交换、核实，进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组的大小；控制无线设备的电源模式和工作周期，以及微微网中设备单元的连接状态。
  （3）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）　
 　当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务，L2CAP采用了多路技术、分割和重组技术、群提取技术，允许高层协议以64K字节收发数据分组。不过L2CAP仅支持ACL连接。
  （4）服务发现协议（SDP）
　 服务发现是所有用户模式的基础，使用SDP可以提供设备的信息和服务类型，从而在蓝牙设备间建立连接。 
5．2　应用协议
　 蓝牙的应用包括基于OBEX的对象交换、基于PPP的互联网应用和话音通信应用三种。相应的应用协议有：
　 ·电缆替代协议  在蓝牙基带协议上仿真RS－232控制数据信号，为使用串行线传送数据的上层协议提供服务。
　 ·二元电话控制协议和AT命令集电话控制协议  定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制命令及控制多用户模式下移动电话、调制解调器等的命令集。
　 ·基于OBEX的对象交换协议  类似于HTTP协议，采用客户机－服务器模式和独立于传输机制和传输应用程序的接口，完成电子名片交换（vCard）、电子日历及其交换（vCal）、电子笔记本（vNot e）、电子信息（vMessage）等。
　 可选用的应用协议TCP／UDP／IP用于完成蓝牙设备与Internet进行互联通信。WAP将互联网信息和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话或其他无线终端上。建立在L2CAP基础上，采用不同的协议栈组构成相应的协议栈可实现不同的用户模式，如文件传输模式、同步模式、局域网访问模式、一机三用电话模式、互联网网桥模式等。
6　结束语
　 回顾网络技术的发展可以看出，局域网的发展是网络发展的基础和中坚。就网络覆盖范围而言，广域网将无数计算机终端连接成为包含极其丰富信息资源的信息网，使整个地球正在逐渐变成名副其实的地球村，极大地改变了人们的生活方式。传统广域网的组网、传输等技术已较为成熟，其研究热点正转向全光网的研究，以提高传输速率，消除带宽的瓶颈。与此同时，局域网也正向微型化方向发展，这便是所谓的个人局域网。个人局域网的发展采用了无线技术，将个人的家居设备或办公设备互连，形成小型的局域网，实现了设备网络化并作为一个整体接入互联网，使网络真正深入家庭或办公室，进一步扩大了网络的覆盖范围。
　 蓝牙技术是个人局域网的主流技术，虽然其数据传输速率相对较低，而且还有其他一些应用上的技术问题如硬件兼容性、相同设备的识别等有待解决，但其优点十分突出，并且很多厂商生产的设备支持蓝牙技术，因此蓝牙技术的发展前景十分广阔，相信其会占据未来个人网络市场的主导地位。因此，我们必须充分重视这项新兴技术，加强研究与开发工作，推动个人网络技术的发展。

　　参考文献