藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理分析

摘要：對藍(lán)牙協(xié)議體系中的基帶數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理進(jìn)行分析，為進(jìn)一步對藍(lán)牙技術(shù)做全面深入的研究和開發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在介紹了基本概念的基礎(chǔ)上，重點對藍(lán)牙設(shè)備連接、數(shù)據(jù)傳輸和安全機(jī)制等內(nèi)容做了分析和討論。

藍(lán)牙（Bluetooth）是一種新型、開放、低成本、短距離的無線連接接技術(shù)，可取代短距離的電纜，實現(xiàn)話音和數(shù)據(jù)的無線傳輸。這種有效、廉價的無線連接技術(shù)可以方便地將計算機(jī)及外設(shè)、移動電話、掌上電腦、信息家電等設(shè)備連接起來，在它可達(dá)到的范圍內(nèi)使各種信息化移動便攜設(shè)備都能實現(xiàn)無縫資源共享，還可通過無線局域網(wǎng)（Wireless LAN）與Internet連接，實現(xiàn)多媒體信息的無線傳輸。

藍(lán)牙系統(tǒng)采用分散式（Scatter）結(jié)構(gòu)，設(shè)備間以及從方式構(gòu)成微微網(wǎng)（Piconet），支持點對點和點對多點通信。它采用GFSK調(diào)制，抗干擾性能好，通過快速跳頻和短包技術(shù)來減少同頻干擾，保證傳輸?shù)目煽啃浴Ｊ褂玫念l段為無需申請許可的2.4GHz的ISM頻段。

藍(lán)牙協(xié)議從協(xié)議來源大致分為四部分：核心協(xié)議、電纜替代協(xié)議（RECOMM）、電路控制協(xié)議和選用協(xié)議。其中核心協(xié)議是藍(lán)牙專利協(xié)議，完全由藍(lán)牙SIG開發(fā)，包括基帶協(xié)議（BB）、連接管理協(xié)議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）以及服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）。藍(lán)牙協(xié)議從體系結(jié)構(gòu)又可分為底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應(yīng)用層三大部分，其中鏈路管理層（LM）、基帶(BB)和射頻層（RF）構(gòu)成藍(lán)牙的底層模塊。由此可見，基帶層是藍(lán)牙協(xié)議的重要組成部分。本文主要對藍(lán)牙技術(shù)中最重要的基帶數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理進(jìn)行分析。

1 基帶協(xié)議概述

圖1給出藍(lán)牙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在藍(lán)牙系統(tǒng)中，使用藍(lán)牙技術(shù)將設(shè)備連接起來的網(wǎng)絡(luò)稱作微微網(wǎng)（Piconet），它由一個主節(jié)點（Master Unit）和多個從節(jié)點(Slave Unit)構(gòu)成。主節(jié)點是微微網(wǎng)中用來同步其他節(jié)點的藍(lán)牙設(shè)備，是連接過程的發(fā)起者，最多可與7個從節(jié)點同時維持連接。從節(jié)點是微微網(wǎng)中除主節(jié)點外的設(shè)備。兩個或多個微微網(wǎng)可以連接組成散射網(wǎng)（Scatternet）。

圖2給出藍(lán)牙協(xié)議結(jié)構(gòu)示意圖。基帶層位于藍(lán)牙協(xié)議棧的藍(lán)牙射頻之上，并與射頻層一起構(gòu)成藍(lán)牙的物理層。從本質(zhì)上說，它作為一個鏈接控制器，描述了基帶鏈路控制器的數(shù)字信號處理規(guī)范，并與鏈路管理器協(xié)同工作，負(fù)責(zé)執(zhí)行象連接建立和功率控制等鏈路層的，如圖3所示。基帶收發(fā)器在跳頻（頻分）的同時將時間劃分（時分），采用時分雙工（TDD）工作方式（交替發(fā)送和接收），基帶負(fù)責(zé)把數(shù)字信號寫入并從收發(fā)器中讀入數(shù)據(jù)。主要管理物理信道和鏈接，負(fù)責(zé)跳頻選擇和藍(lán)牙數(shù)據(jù)及信息幀的傳輸、象誤碼糾錯、數(shù)據(jù)白化、藍(lán)牙安全等?；鶐б补芾硗胶彤惒芥溄樱幚矸纸M包，執(zhí)行尋呼、查詢來訪及獲取藍(lán)牙設(shè)備等。

在藍(lán)牙基帶協(xié)議中規(guī)定，藍(lán)牙設(shè)備可以使用4種類型的地址用于同場合和狀態(tài)。其中，48位的藍(lán)牙設(shè)備地址BD_ADDR（IEEE802標(biāo)準(zhǔn)），是藍(lán)牙設(shè)備連接過程的唯一標(biāo)準(zhǔn)；3位的微微網(wǎng)激活節(jié)點地址AM_ADDR，用以標(biāo)識微微網(wǎng)中激活成員，該地址3位全用作廣播信息；8位的微微網(wǎng)休眠節(jié)點地址PM_ADDR，用以標(biāo)識微微網(wǎng)中休眠的從節(jié)點。微微網(wǎng)接入地址AR_ADDR，分配給微微網(wǎng)中要啟動喚醒過程的從節(jié)點。

當(dāng)微微網(wǎng)主從節(jié)點通信時，彼此必須保持同步。同步所采用的時鐘包括自身不調(diào)整也不關(guān)閉的本地設(shè)備時鐘CLKN，微微網(wǎng)中主節(jié)點的系統(tǒng)時鐘CLK以及為主節(jié)點時鐘對從節(jié)點本地設(shè)備時鐘進(jìn)行周期更新以保持主從同步的補(bǔ)償時鐘CLKE。

    與其它無線技術(shù)一樣，藍(lán)牙技術(shù)中微微網(wǎng)通過使用各種信道來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。其中，物理信道表示在79個或者23個射頻信道上跳變的偽隨機(jī)跳頻序列，每個微微網(wǎng)的跳頻序列是唯一的，并且由主節(jié)點的藍(lán)牙設(shè)備地址決定；此外，藍(lán)牙有5種傳送不同類型信息的邏輯信道，它們分別為：

(1) LC信道：控制信道，用來傳送鏈路層控制信息；

(2) LMC信道：鏈接管理信道，用在鏈路層傳送鏈接管理信息；

(3) UA信道：用戶信道，用來傳送異步的用戶信息；

(4) UI信道：用戶信道，用來傳送等時的用戶信息；

(5) US信道：用戶信道，用來傳送同步的用戶信息。

在藍(lán)牙系統(tǒng)中，主從節(jié)點以時分雙工（TDD）機(jī)制輪流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，在信道上又可劃分為長度為625μs的時隙（Time Slot），并以微微網(wǎng)主節(jié)點時鐘進(jìn)行編號(0-2 27-1)，主從節(jié)點分別在奇、偶時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

2 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸

藍(lán)牙支持電路和分組交換，數(shù)據(jù)以分組形式在信道中傳輸，并使用流控制來避免分組丟失和擁塞。為確保分組包數(shù)據(jù)正確傳輸，還進(jìn)行數(shù)據(jù)的白化和糾錯，下面分別對這些傳輸機(jī)制進(jìn)行分析。

2.1 藍(lán)牙分組

分組包數(shù)據(jù)可以包含話音、數(shù)據(jù)或兩者兼有。分組包可以占用多個時隙（多時隙分組）并且可以在下一個時隙繼續(xù)發(fā)送，凈荷(Payload)也帶有16位的錯誤校驗識別和校驗（CRC）。有5種普通的分組類型，4個SCO分組包和7個ACL分組包。一般分組包格式如圖4。

圖3 基帶層抽象

    其中，接入碼(Access code)用來定時同步、偏移補(bǔ)償、尋呼和查詢。藍(lán)牙中有三種不同類型的接入碼：

(1) 信道接入碼（CAC）：用來標(biāo)識一個微微網(wǎng)；

(2) 設(shè)備接入碼（DAC）：用作設(shè)備尋呼和它的響應(yīng)；

(3) 查詢接入碼（IAC）：用作設(shè)備查詢目的。

分組頭（Header）包含6個字段，用于鏈路控制。其中AM_ADDR是激活成員地址，TYPE指明分組類型，F(xiàn)LOW用于ACL流量控制位，ARQN是分組包確認(rèn)標(biāo)識，SEQN用于分組重排的分組編號，HEC對分組頭進(jìn)行驗。藍(lán)牙使用快速、不編號的分組包確認(rèn)方式，通過設(shè)置合適的ARQN值來區(qū)別確定是否接收到數(shù)據(jù)分組包。如果超時，則忽略這個分組包，繼續(xù)發(fā)送下一個。

2.2 鏈接及流控制

藍(lán)牙定義了兩種鏈路類型，即面向連接的同步鏈路（SCO）和面向無連接的異步鏈路（ACL）。SCO鏈接是一個對稱的主從節(jié)點之間點對點的同步鏈接，在預(yù)留的時間里發(fā)送SCO分組，屬于電路交換，主要攜帶話音信息。主節(jié)點可同時支持3個SCO鏈接，從節(jié)點可同時支持2～3個鏈接SCO，SCO分組包不支持重傳。SCO鏈路通過主節(jié)點LMP發(fā)送一個SCO建立消息來建立，該消息包含定時參數(shù)（Tsco和Dsco）。

ACL鏈接是為匹克網(wǎng)主節(jié)點在沒有為SCO鏈接保留的時隙中，提供可以與任何從節(jié)點進(jìn)行異步或同步數(shù)據(jù)交換的機(jī)制。一對主從節(jié)點只可以維持一個ACL鏈接。使用多個ACL分組時，藍(lán)牙采用分組包重發(fā)機(jī)制來保證數(shù)據(jù)的完整性。ACL分組不指定確定從節(jié)點時，被認(rèn)為是廣播分組，每個從節(jié)點都接收這個分組。

藍(lán)牙建議使用FIFO（先進(jìn)先出）隊列來實現(xiàn)ACL和SCO鏈接的發(fā)送和接收，鏈接管理器負(fù)責(zé)填充這些隊列，而鏈接控制器負(fù)責(zé)自動清空隊列。接收FIFO隊列已滿時則使用流控制來避免分組丟失和擁塞。如果不能接收到數(shù)據(jù)，接收者的鏈接控制器發(fā)送一個STOP指令，并插入到返回的分組頭（Header）中，并且FLOW位置1。當(dāng)發(fā)送者接收到STOP指示，就凍結(jié)它的FIFO隊列停止發(fā)送。如果接收器已準(zhǔn)備好，發(fā)送一個GO分組給發(fā)送方重新恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)LOW位置0。

2.3 數(shù)據(jù)同步、擾碼和糾錯

由于藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送器采用時分雙工（TDD）工作機(jī)制，它必須以一種同步的方式來交替發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。微微網(wǎng)通過主節(jié)點的系統(tǒng)時鐘來實現(xiàn)同步，并決定其跳頻序列中的相位。在微微網(wǎng)建立時，主節(jié)點的時鐘傳送給從節(jié)點，每個從點節(jié)給自己的本地時鐘加上一個偏移量，實現(xiàn)與主節(jié)點的同步。在微微同生存期內(nèi)，主節(jié)點不會調(diào)整自己的系統(tǒng)時鐘。為了與主節(jié)點的時鐘匹配，從節(jié)點會偏移量進(jìn)行周期的更新。藍(lán)牙時鐘應(yīng)該至少具有312μs的分首辨率。主節(jié)點分組發(fā)送的平均定時與理想的625ms時隙相比，偏移不不能超過20ppm，抖動（Jitter）應(yīng)該少于1ms。

在分組數(shù)據(jù)送出去并且在FEC編碼之前，分組頭和凈荷要進(jìn)行擾碼，使分組包隨機(jī)化。接收數(shù)據(jù)分組包時，使用盯同的白化字進(jìn)行去擾處理。

為了提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性及系統(tǒng)抗干擾性，藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制采用三種糾錯方式：1/3率FEC編碼方式（即每一數(shù)據(jù)位重復(fù)3次）、冗余2/3率FEC編碼方式（即用一個多項式發(fā)生器把10位碼編碼成15位碼）以及數(shù)據(jù)自動請求重發(fā)方式（即發(fā)送方在收到接收方確認(rèn)消息之前一直重發(fā)數(shù)據(jù)包，直到超時）。

圖4 藍(lán)牙分組包格式

3 藍(lán)牙設(shè)備連接

藍(lán)牙鏈接控制器工作在兩種主要狀態(tài)：待令（Standby）和連接（Connection）。在藍(lán)牙設(shè)備中，Standby是缺省的低功率狀態(tài)，只運行本地時鐘且不與任何其他設(shè)備交互。在連接狀態(tài)，主節(jié)點和從節(jié)點能交換分組包進(jìn)行通信，所以要實現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備之間的互相，彼此必須先建立連接。由于藍(lán)牙使用的ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，會遇到各種各樣的干擾源，所以藍(lán)牙采用分組包快速確認(rèn)技術(shù)和跳頻方案來確保鏈路和信道的穩(wěn)定。在建立連接和通信過程中使用跳頻序列作為物理信道，跳頻選擇就是選擇通信的信道。

3.1 跳頻選擇

跳頻技術(shù)把頻帶分成若干個跳頻信道（Hop Channel）。無線電收發(fā)器按一定的碼序列（以產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方式）不斷地從一個信道跳到另一個信道，并且收發(fā)雙方都按這個規(guī)律才能通信并同步。跳頻的瞬時帶寬很窄，通過擴(kuò)頻技術(shù)展成寬頻帶，使干擾的影響最小。當(dāng)一個設(shè)備被激活時，該設(shè)備被分配32個跳頻頻點，以后該設(shè)備就在這些跳頻點上接收和發(fā)送信息。通用跳頻選擇方案由兩部分組成，即選擇一個序列并在跳頻頻點上映射該序列。對于每一情況，都需要從-主和主-從兩種跳頻序列。藍(lán)牙系統(tǒng)中使用的跳頻序列有如下幾種：

(1) 呼叫跳頻序列：在呼叫（Page）狀態(tài)使用；

(2) 呼叫應(yīng)答序列：在呼叫應(yīng)答（Page Response）狀態(tài)使用；

(3) 查詢序列：在查詢（Inquiry）狀態(tài)使用；

(4) 查詢應(yīng)答序列：在查詢應(yīng)答（Inquiry Response）狀態(tài)使用；

(5) 信道跳頻序列：在連接（Connection）狀態(tài)使用。

3.2 藍(lán)牙連接建立

從待令狀態(tài)到連接狀態(tài)的過程就是連接建立過程。通常來講，兩個設(shè)備的連接建立過程如下：

首先，主節(jié)點使用GIAC和DIAC來查詢范圍內(nèi)的藍(lán)牙設(shè)備（查詢狀態(tài)）。如果任何附近的藍(lán)牙設(shè)備正在監(jiān)聽這些查詢（查詢掃描狀態(tài)），就發(fā)送它的地址和時鐘信息后，從節(jié)點可以開始監(jiān)聽來自主節(jié)點的尋呼消息（尋呼掃描），主節(jié)點在發(fā)現(xiàn)附近的設(shè)備之間可以尋呼這些設(shè)備（尋呼狀態(tài)），建立鏈接。在尋呼掃描的從設(shè)備被這個主節(jié)點尋呼后，就會以DAC（設(shè)備訪問碼）來響應(yīng)（Slave response substate）。主節(jié)點在接收到從節(jié)點的響應(yīng)后，便可以以送主節(jié)點的實時時鐘、BD_ADDR、BCH奇偶位和設(shè)備類（FHS分組包），最后在從節(jié)點已經(jīng)接收到這個FHS分組之后，進(jìn)入連接狀態(tài)。具體過程如圖5。

由圖5可見，在藍(lán)牙連接建立的呼個不同階段，主節(jié)點和從節(jié)點分別處于不同的狀態(tài)，這些狀態(tài)包括：

查詢（Inquiry）：查詢是主節(jié)點用來查找可監(jiān)視區(qū)域中的藍(lán)牙設(shè)備，以便通過收集來自從節(jié)點響應(yīng)查詢消息中得到該節(jié)點的設(shè)備地址和時鐘，查詢過程使用IAC；

查詢掃描（Inquiry Scan）：藍(lán)牙設(shè)備周期地監(jiān)聽來自其他設(shè)備的查詢消息，以便自己能被發(fā)現(xiàn)。掃描過程中，設(shè)備可以監(jiān)聽普通查詢接入碼（GIAC）和特定查詢接入碼（DIAC）；

查詢響應(yīng)（Inquiry response）：從節(jié)點以FHS分組響應(yīng)查詢消息，它攜帶從節(jié)點的DAC、本地時鐘等信息；

尋呼（Page）：主節(jié)點通過在不同的跳頻序列發(fā)送消息，來激活一個從節(jié)點并建立連接，尋呼過程使用DAC；

尋呼掃描（Page Scan）：從節(jié)點周期性地在掃描窗間隔時間內(nèi)喚醒自己，并監(jiān)聽自己的DAC，從節(jié)點每隔1.28s在這個掃描窗上根據(jù)尋呼跳頻序列選擇一個掃描頻率；

從節(jié)點響應(yīng)（Slave Response）：從節(jié)點在尋呼掃描狀態(tài)收到主節(jié)點對自己的尋呼消息即進(jìn)入響應(yīng)狀態(tài)，響應(yīng)主設(shè)備的尋呼消息；

主節(jié)點響應(yīng)（Master Response）：主節(jié)點在接收到從節(jié)點對它的尋呼消息的響應(yīng)后，主節(jié)點發(fā)送一個FHS分組給從節(jié)點，如果從節(jié)點響應(yīng)回答，主節(jié)點就進(jìn)入連接狀態(tài)。

3.3 連接狀態(tài)

連接（connection）狀態(tài)以主節(jié)點發(fā)送一個POLL分組開始，表示連接已經(jīng)建立，此時分組包可以在主從節(jié)點之間來回發(fā)送。連接兩端即主從節(jié)點都使用主節(jié)點的接入碼和時鐘，并且使用的跳頻為信道跳頻序列。即在連接建立后，主節(jié)點的藍(lán)牙設(shè)備地址（BD_ADDR）決定跳頻序列和信道接入碼。在連接狀態(tài)的藍(lán)牙設(shè)備，可以有以下幾個子狀態(tài)：

Active:在這個模式下，主從節(jié)點都分別在信道通過監(jiān)聽，發(fā)送和接收分組包，并彼此保持同步；

Sniff:在這個模式下，從節(jié)點可以暫時不支持ACL分組，也就是ACL鏈路進(jìn)入低能源sleep模式，空出資源，使得象尋呼、掃描等活動、信道仍可用；

Park：當(dāng)從節(jié)點不必介入微微網(wǎng)信道，但仍想與信道維持同步，它能進(jìn)入park（休眠）模式，此時具有很少的活動而處于低耗模式，從節(jié)點放棄AM_ADDR，而使用PM_ADDR。

4 藍(lán)牙完全機(jī)制

如果允許利用藍(lán)牙技術(shù)來實現(xiàn)無鎖門或者在超市自動買單，則藍(lán)牙完全性非常重要。藍(lán)牙協(xié)議為用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸提供了一套可靠的安全機(jī)制。首先，藍(lán)牙基帶部分在物理層為用戶提供保護(hù)和信息加密機(jī)制，而在鏈路層通過同等鑒權(quán)并對用戶信息進(jìn)行加密。藍(lán)牙設(shè)備在連接過程中采用查詢/應(yīng)答方式進(jìn)行鑒權(quán)。一個設(shè)備發(fā)送一個口令或查詢，而從設(shè)備則響應(yīng)這個口令，這樣可以防止盜用和誤用。信息加密機(jī)制是在藍(lán)牙設(shè)備連接建立后，采用序列密碼加密算法對用戶數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行加密，從而增加系統(tǒng)安全性。鏈路層共有四種參數(shù)來保證通信的安全，分別是藍(lán)牙設(shè)備地址BD_ADDR、認(rèn)證私鑰、加密私鑰和隨機(jī)碼RAND。如果用戶有更高級別的保密要求，則可采用更為有效的傳輸層和應(yīng)用層完全機(jī)制?？傊?，藍(lán)牙完全機(jī)制的目的在于提供適當(dāng)級別的完全保護(hù)。由于藍(lán)牙完全是藍(lán)牙一個非常復(fù)雜的問題，限于篇幅在此不做進(jìn)一步的討論。

本文主要對藍(lán)牙技術(shù)中最基礎(chǔ)和最重要的基帶層進(jìn)行了分析和討論，為進(jìn)一步對藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行全面深入的研究和開發(fā)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用于小范圍的家庭和辦公室信息傳輸系統(tǒng)和信息家電，因此對藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實意義。尤其我國人口密集，具有廣闊的應(yīng)用前景，并將對我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生重大影響。