蓝牙基带数据传输机理分析

蓝牙基带数据传输机理分析

ZDNET网络频道时间：2008-01-05作者： | cww

本文关键词：蓝牙无线网络

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（WirelessLAN）和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、中间协议层和高端使用层三大部分，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（MasterUnit）和多个从

节点(SlaveUnit)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，最多可和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，并和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，并和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。

和其它无线技术一样，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（TimeSlot），并以微微网主节点时钟进行编号(0-227-1)，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。

其中，接入码(Accesscode)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，TYPE指明分组类型，FLOW用于ACL流量控制位，ARQN是分

组包确认标识，SEQN用于分组重排的分组编号，HEC对分组头进行验。蓝牙

使用快速、不编号的分组包确认方式，通过设置合适的ARQN值来区别确定是

否接收到数据分组包。如果超时，则忽略这个分组包，继续发送下一个。

2.2链接及流控制

蓝牙定义了两种链路类型，即面向连接的同步链路（SCO）和面向无连接

的异步链路（ACL）。SCO链接是一个对称的主从节点之间点对点的同步链接，在预留的时间里发送SCO分组，属于电路交换，主要携带话音信息。主节点

可同时支持3个SCO链接，从节点可同时支持2～3个链接SCO，SCO分组

包不支持重传。SCO链路通过主节点LMP发送一个SCO建立消息来建立，该消息包含定时参数（Tsco和Dsco）。

ACL链接是为匹克网主节点在没有为SCO链接保留的时隙中，提供可以

和任何从节点进行异步或同步数据交换的机制。一对主从节点只可以维持一个ACL链接。使用多个ACL分组时，蓝牙采用分组包重发机制来保证数据的完整性。ACL分组不指定确定从节点时，被认为是广播分组，每个从节点都接收这

个分组。

蓝牙建议使用FIFO（先进先出）队列来实现ACL和SCO链接的发送和

接收，链接管理器负责填充这些队列，而链接控制器负责自动清空队列。接收FIFO队列已满时则使用流控制来避免分组丢失和拥塞。如果不能接收到数据，接收者的链接控制器发送一个STOP指令，并插入到返回的分组头（Header）中，并且FLOW位置1。当发送者接收到STOP指示，就冻结它的FIFO队列

停止发送。如果接收器已准备好，发送一个GO分组给发送方重新恢复数据传输，FLOW位置0。

2.3数据同步、扰码和纠错

由于蓝牙设备发送器采用时分双工（TDD）工作机制，它必须以一种同步

的方式来交替发送和接收数据。微微网通过主节点的系统时钟来实现同步，并

决定其跳频序列中的相位。在微微网建立时，主节点的时钟传送给从节点，每

个从点节给自己的本地时钟加上一个偏移量，实现和主节点的同步。在微微同

生存期内，主节点不会调整自己的系统时钟。为了和主节点的时钟匹配，从节

点会偏移量进行周期的更新。蓝牙时钟应该至少具有312μs的分首辨率。主

节点分组发送的平均定时和理想的625ms时隙相比，偏移不不能超过20ppm，抖动（Jitter）应该少于1ms。