蓝牙基带数据传输机理分析

蓝牙基带数据传输机理分析

摘要：对蓝牙协议体系中的基带数据传输机理进行分析，为进一步对蓝牙技术做全面深入的研究和开发应用奠定基础。在介绍了基本概念的基础上，重点对蓝牙设备连接、数据传输和安全机制等内容做了分析和讨论。

蓝牙（Bluetooth）是一种新型、开放、低成本、短距离的无线连接接技术，可取代短距离的电缆，实现话音和数据的无线传输。这种有效、廉价的无线连接技术可以方便地将计算机及外设、移动电话、掌上电脑、信息家电等设备连接起来，在它可达到的范围内使各种信息化移动便携设备都能实现无缝资源共享，还可通过无线局域网（Wireless LAN）与Internet连接，实现多媒体信息的无线传输。

蓝牙系统采用分散式（Scatter）结构，设备间以及从方式构成微微网（Piconet），支持点对点和点对多点通信。它采用GFSK调制，抗干扰性能好，通过快速跳频和短包技术来减少同频干扰，保证传输的可靠性。使用的频段为无需申请许可的2.4GHz的ISM频段。

蓝牙协议从协议来源大致分为四部分：核心协议、电缆替代协议（RECOMM）、电路控制协议和选用协议。其中核心协议是蓝牙专利协议，完全由蓝牙SIG开发，包括基带协议（BB）、连接管理协议（LMP）、逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）以及服务发现协议（SDP）。蓝牙协议从体系结构又可分为底层硬件模块、中间协议层和高端应用层三大部分，其中链路管理层（LM）、基带(BB)和射频层（RF）构成蓝牙的底层模块。由此可见，基带层是蓝牙协议的重要组成部分。本文主要对蓝牙技术中最重要的基带数据传输机理进行分析。

1 基带协议概述

图1给出蓝牙系统结构示意图。在蓝牙系统中，使用蓝牙技术将设备连接起来的网络称作微微网（Piconet），它由一个主节点（Master Unit）和多个从节点(Slave Unit)构成。主节点是微微网中用来同步其他节点的蓝牙设备，是连接过程的发起者，最多可与7个从节点同时维持连接。从节点是微微网中除主节点外的设备。两个或多个微微网可以连接组成散射网（Scatternet）。

图2给出蓝牙协议结构示意图。基带层位于蓝牙协议栈的蓝牙射频之上，并与射频层一起构成蓝牙的物理层。从本质上说，它作为一个链接控制器，描述了基带链路控制器的数字信号处理规范，并与链路管理器协同工作，负责执行象连接建立和功率控制等链路层的，如图3所示。基带收发器在跳频（频分）的同时将时间划分（时分），采用时分双工（TDD）工作方式（交替发送和接收），基带负责把数字信号写入并从收发器中读入数据。主要管理物理信道和链接，负责跳频选择和蓝牙数据及信息帧的传输、象误码纠错、数据白化、蓝牙安全等。基带也管理同步和异步链接，处理分组包，执行寻呼、查询来访及获取蓝牙设备等。

在蓝牙基带协议中规定，蓝牙设备可以使用4种类型的地址用于同场合和状态。其中，48位的蓝牙设备地址BD_ADDR（IEEE802标准），是蓝牙设备连接过程的唯一标准；3位的微微网激活节点地址AM_ADDR，用以标识微微网中激活成员，该地址3位全用作广播信息；8位的微微网休眠节点地址PM_ADDR，用以标识微微网中休眠的从节点。微微网接入地址AR_ADDR，分配给微微网中要启动唤醒过程的从节点。

当微微网主从节点通信时，彼此必须保持同步。同步所采用的时钟包括自身不调整也不关闭的本地设备时钟CLKN，微微网中主节点的系统时钟CLK以及为主节点时钟对从节点本地设备时钟进行周期更新以保持主从同步的补偿时钟CLKE。

与其它无线技术一样，蓝牙技术中微微网通过使用各种信道来实现数据的无线传输。其中，物理信道表示在79个或者23个射频信道上跳变的伪随机跳频序列，每个微微网的跳频序列是唯一的，并且由主节点的蓝牙设备地址决定；此外，蓝牙有5种传送不同类型信息的逻辑信道，它们分别为：

(1) LC信道：控制信道，用来传送链路层控制信息；

(2) LMC信道：链接管理信道，用在链路层传送链接管理信息；

(3) UA信道：用户信道，用来传送异步的用户信息；

(4) UI信道：用户信道，用来传送等时的用户信息；

(5) US信道：用户信道，用来传送同步的用户信息。

在蓝牙系统中，主从节点以时分双工（TDD）机制轮流进行数据传输。因此，在信道上又可划分为长度为625μs的时隙（Time Slot），并以微微网主节点时钟进行编号(0-2 27-1)，主从节点分别在奇、偶时隙进行数据发送。

2 蓝牙数据传输

蓝牙支持电路和分组交换，数据以分组形式在信道中传输，并使用流控制来避免分组丢失和拥塞。为确保分组包数据正确传输，还进行数据的白化和纠错，下面分别对这些传输机制进行分析。

2.1 蓝牙分组

分组包数据可以包含话音、数据或两者兼有。分组包可以占用多个时隙（多时隙分组）并且可以在下一个时隙继续发送，净荷(Payload)也带有16位的错误校验识别和校验（CRC）。有5种普通的分组类型，4个SCO分组包和7个ACL分组包。一般分组包格式如图4。

图3 基带层抽象

其中，接入码(Access code)用来定时同步、偏移补偿、寻呼和查询。蓝牙中有三种不同类型的接入码：

(1) 信道接入码（CAC）：用来标识一个微微网；

(2) 设备接入码（DAC）：用作设备寻呼和它的响应；

(3) 查询接入码（IAC）：用作设备查询目的。

分组头（Header）包含6个字段，用于链路控制。其中AM_ADDR是激活成员地址

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