物联网通信技术PPT课件

3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
（5）TDMA结构
蓝牙的数据传输率为1Mbit/s，采用数据包的形 式按时隙传送，每时隙。
蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异 步不定向联接，分别为SCO（Synchronous Connection Oriented Link）链路和ACL （Asynchronous Connectionless Link）链路。
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
（1）拓扑结构
蓝牙技术支持点对点或点对多点的话音、数据业务， 采用一种灵活的无基站的组网方式。
一个蓝牙设备可同时与多个蓝牙设备相连，在有效 通信范围内所有设备的地位都是平等的，具有相同 的权限。
首先提出通信要求的设备称为主设备（master）， 被动进行通信的设备称为从设备（slave）。
3.3.3 Bluetooth的应用及产品
➢ 蓝牙应用模型
串口应用模型SPP协议体系结构
应用程序
串口仿真实体
RFCOMM SDP
LMP
L2CAP
基带
设备A
应用程序
串口仿真实体
SDP RFCOMM
L2CAP
LMP
基带
设备B
3.3.3 Bluetooth的应用及产品
➢ 蓝牙应用模型
设备A建立链路和设置虚拟串口连接的实现步骤：
Bluetooth协议体系结构
➢ 协议体系结构
蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙指定协议组成，而 其他协议则根据应用的需要而定。下面主要介绍 蓝牙核心协议。
（1）基带协议
基带协议为两个或多个蓝牙单元之间建立物理射 频连接。
➢ 协议体系结构
（2）链路管理协议（LMP）
链路管理协议管理基带层内主从网络的运行，负 责两个或多个设备之间的链路设置和控制,包括传 递验证和加密，管理链路密钥。
使用服务发现协议得到远端设备上应用的RFCOMM服务器信 道号；
作为可选项，远端设备可以要求进行自我鉴权，也可以采 用加密；
请求与远端RFCOMM实体建立一条新的L2CAP信道； 在该L2CAP信道上启动一个RFCOMM会话进程； 使用前面得到的RFCOMM服务器信道号在会话上建立新的数
据链路连接。
在建立链路时则提高为3200跳/秒。
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
（4）跳频技术
2．4 GHz频段中还有802．11b，HomeRF及微波炉、 无绳电话等电子设备，为了与这些设备兼容，蓝 牙采用了AFH（Adaptive Frequency Hopping）， LBT（Listen Before Talk）、功率控制等一系列 独特的措施克服干扰，避免冲突。
根据通信协议，各蓝牙设备在任何地方都可以通 过人工或自动查询来发现其他蓝牙设备。
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
（7）纠错技术
蓝牙系统的纠错机制分为前向纠错编码（FEC） 和包重发（ARQ），支持1/3率和2/3率FEC编码。
FEC编码方式的目的在于减少数据重发次数，但 在无差错环境下，FEC方式会降低数据吞吐量。
接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器， 此外，还使用了单独调谐元件。 链路控制器负责处理基带协议和其他一些底层常 规协议。
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
链路管理（LM）软件模块实现链路的建立、认证 及链路硬件配置等。
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。
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
（5）TDMA结构
TDMA（Time Division Multiple Access），即 时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)每 一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在 满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时 隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时， 基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在给 定的时隙中传输，各移动终端只要在相应的时隙 内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区 分并接收下来。
前者主要传送话音等实时性强的信息，后者则以 数据为主。
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
（6）软件的层次结构
蓝牙的通信协议采用层次结构，其程序写在一个 9mm×9mm的微芯片中。
底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有 所不同，层次结构具有很大的通用性和灵活性。
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的来源
蓝牙技术能够有效地简化掌上电脑、笔记本电 脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的 通信，以及这些设备与因特网Internet之间的 通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间 的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓 宽道路。
蓝牙技术是实现语音和数据无线传输的开放性 规范，蓝牙收发器的一般有效通信范围为10米， 强的可以达到100米左右。
LM提供的服务有： 发送和接收数据、请求名称、链路地址查询、 建立连接、鉴权、链路模式协商和建立、决定帧 的类型等。
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
（3）射频特性
蓝牙设备的工作频段选在全球通用的的ISM（工业、 科学、医学）频段，用户可以在2400-2500MHz范 围内选用适当的蓝牙无线电收发频段。
Bluetooth协议体系结构
➢ 协议体系结构
（2）替代电缆协议层
串口仿真协议（RFCOMM）
（3）电话控制协议层
二进制电话控制规范（TCS Binary） AT指令（AT command）
Bluetooth协议体系结构
➢ 协议体系结构
（4）可选协议
点到点协议（PPP）、用户数据报协议/传输控制 协议/互联网协议（UDP/TCP/IP）、对象交换协议 （OBEX）、无线应用协议（WAP）、无线应用环境 （WAE）、电子名片（vCard/vCal）、红外移动通 信（IrMC）
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
（8）编码安全
在全球范围内，蓝牙可应用于任意的小范围通信， 每一蓝牙设备，都可根据IEEE 802标准得到一个 唯一的48位的BD-ADDR地址码。
在BD-ADDR基础上，使用一些性能良好的算法可 获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码 （ID）在全球的唯一性
➢ 协议体系结构
（3）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）
位于基带协议之上，为低层的数据服务，向上层 提供面向连接和无连接的数据服务。
➢ 协议体系结构
（4）服务发现协议（SDP）
使用SDP，可以查询到设备和服务类型，从而在蓝 牙设备间建立相应的连接。
3.3.3 Bluetooth的应用及产品
➢ 蓝牙应用模型
1Mbit/s 非对称连接为721kbit/s、57.6kbit/s，对称连接为432.6kbit/s， 2.0+EDR规范支持更高的速率 64kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率 美国FCC要求小于0dBm（1mW），其他国家可扩展为100mW 79个频点/MHz 1600跳/秒 PARK/HOLD/SNIFF 面向连接业务（SCO），无连接业务（ACL） 1/3 FEC、2/3 FEC、ARQ等 采用0位、40位和60位密钥 一般可达10cm～10m，增加功率的情况下可达100m
蓝牙SIG中定义了多种应用模型，包括通用接入应 用模型、业务发现模型、无绳电话应用模型、对 讲系统模型、串口应用模型、耳机应用模型、拨 号网络应用模型、传真应用模型、局域网接入应 用模型、通用对象交换应用模型、对象推出应用 模型、文件传送应用模型、同步应用模型、高质 量音频视频无线传输应用模型、免提应用模型、 基本静态图像应用模型等。
3.3.3 Bluetooth的应用及产品
➢ 蓝牙应用模型
串口应用模型（Serial Port Profile，SPP）
定义了蓝牙设备如何使用RFCOMM来模拟一个串行电 缆连接，包括建立仿真串行链路的过程以及与串行 仿真协议（RFCOMM）、逻辑链路控制与适配协议 （L2CAP）、服务发现协议（SDP）、链路管理器协 议（LMP）和链路控制层的互操作性要求。
频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz，采用 时分双工方式。
蓝 牙 的 无 线 发 射 机 采 用 FM （ frequency modulation）调制方式，即以载波的瞬时频率变 化来表示信息,从而能降低设备的复杂性。
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
蓝牙设备的最大发射功率分3个等级，100mW （20dBm），（4dBm），1mW（0dBm)。
蓝牙设备之间的有效通信距离大约为10～100m。
（4）跳频技术
跳频（FH，Frequency Hopping）是指在接收 或发送一分组数据后，即跳至另一频点。
对于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒。 对于多时隙包，蓝牙的跳频速率有所下降，但
两个以上的piconet之间存在着设备间的通信则构 成了散射网（scatternet）。
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
多个 蓝牙设备组成的微微网
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
多个微微网组成的散射网
3.3.1 Bluetooth技术概述
蓝牙规范公布的主要技术指标和系统参数
Bluetooth协议体系结构
蓝牙协议栈
Bluetooth协议体系结构
➢ 协议体系结构
蓝牙的协议体系分为四层：核心协议层、替代电 缆协议层、电话控制协议层和可选协议。
（1）核心协议层
基带（Baseband）、链路管理协议（Link Manag er Protocol，LMP）、逻辑链路控制和适配协议 （Logical Link Control and Adaptation Proto col， L2CAP）、服务发现协议（Service Disco very Protocol，SDP）
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
（1）拓扑结构
利用时分多址（TDMA，Time Division Multiaccess ），一个master最多可以同时与7个slave 进行通信。
一个master与一个以上的slave构成的网络成为主 从网络（piconet），又称微微网。
➢ Bluetooth的特点
（2）系统组成
蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（硬件）、 链路管理（软件）和蓝牙软件（协议）等4个功能 模块组成，如图所示。
蓝牙系统的组成
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的特点
天线部分体积小巧，属于微带天线。 链路控制器（LC）的单元包括3个集成芯片：连
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3.3.3 Bluetooth的应用及产品
➢ 蓝牙应用模型
设备B接受链路和设置虚拟串口连接的实现步骤：
如果远端设备要求鉴权和加密，就要参与鉴权和加密过程； 接受请求建立L2CAP新信道； 在新建立的信道上建立RFCOMM会话； 在该RFCOMM进程上接受一个新的数据链路的连接。
3.3 Bluetooth技术
3.3.1 Bluetooth技术概述 3.3.2 Bluetooth协议体系结构 3.3.3 Bluetooth应用及产品
3.3.1 Bluetooth技术概述
➢ Bluetooth的来源
1998年5月爱立信、IBM、Intel、Nokia和东芝 五家公司于联合成立了Bluetooth（蓝牙）特别兴 趣小组（Bluetooth Special Interest Group， BSIG），并制订了短距离无线通信技术标准—蓝 牙技术。 蓝牙（Bluetooth）技术是一种短距离无线电技 术。蓝牙技术利用短距离、低成本的无线连接替 代了电缆连接，从而为现存的数据网络和小型的 外围设备提供了统一的连接。
蓝牙技术在物理层、链路层、业务层3个层次上 提供安全措施，充分保证通信的保密性。
指标类型 工作频段 双工方式 业务类型 数据速率 异步信道速率
同步信道速率 功率 跳频频率数 跳频速率 工作模式 数据连接方式 纠错方式 信道加密 发射距离
系统参数 ISM频段，2.402～2.480GHz 全双工，TDD时分双工 支持电路交换和分组交换业务