蓝牙技术讲座第2讲蓝牙系统结构

!"
! "#$%
&%’ %
! ( ) ) *$#! %’ #( $+ ,-.
/00/ $1 2 /
技术讲座
其后，则识别码长度为 $!%&’，否则识别码长度 为
在有效载荷里，有两个数据段应作区分： （ 同 步）话音段和 （ 异步）数据段。 -+2 分组只有数据 段， 而 *5 分组则兼有两种数 0+1 分组只有话音段， 据段。 话音段是一个定长的数据段。 对于 65 分组， 话 音段长度是 !4"%&’；对于 *5 分组，话音段长度是
C2 物理链路
在主单元和从单元之间， 可以建立不同类型的 链路， 链路类型决定了哪种分组模式能在特定的链 路上使用， 蓝牙基带技术支持两种链路类型： 即同 步面向链接类型 +!( （ 主要用于语音）和异步无链 接类型 %!D （ 主要用于分组数据） 。同步面向链接 （ +!(） 的目的是在匹克网中的主单元和从单元之 间实现点到点链接， 主单元通过在规则间隔上使用 保留时隙保持 +!( 链接。而 %!D 链接时主单元与 共存于匹克网中的所有从单元之间实现一对多的 主单元可以 链接方式。在非 +!( 链接保留时隙上， 识 别 码 和 头 是 一 个 固 定 值 ， 分 别 用 I/J3B 和 有效载荷长度范围为 0M/ILKJ3B 。 分组具 KLJ3B 表示。 有几种不同的类型格式，如分组可由识别码组成 （ 压缩格式） ， 也可以用识别码和头组成， 或识别码、 头和有效载荷分组组成。 （ /） 识别码 每个分组都是用识别码开始的，若头信息紧随
(# 鉴权和加密
蓝牙技术提供短距离的对等通信， 它在应用层
中 国 数 据 通 信
!""! # !
!"
技术讲座
和链路层上都采取了保密措施以保证通信的安全 性， 所有蓝牙设备都采用了相同的认证和加密方式。 在链路层， 使用四个参数来加强通信的安全性， 即蓝 牙设备地址 .&3%&&4、 认证私钥、 加密私钥和随机 码 4%$&。 蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息 保密机制。 鉴权基于 “ 请求—响应” 运算法则。 鉴权 是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝 牙设备建立一个信任域，比如只允许主人自己的笔 记本电脑通过主人自己的移动电话通信。加密被用 来保护连接的个人信息。 密钥由程序的高层来管理。 网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强 的安全机制。
蓝牙系统结构一般可分为四层：无线与基带 链路控制器及逻辑控制与 （ $%&’( ) *%+, *%-& ）层； 自适应协议 （ .’-/ 0%-%1,2 ) .!345）层 ； 主机控制 器接口 （ 6(+7 3(-72(88,2 9-7,2:%;, ）层 和 应 用 框 架 与 支持 （ 4<<8’;%7’(- =2%>,?(2/ ) @A<<(27 ）层。无线与 基带层主要规定硬件设备的功能， 负责射频处理和 基频调制的功能。链路管理器及逻辑链路控制与自 适 应 协 议 层 主 要 完 成 底 层 通 信 协 议（ 如 物 理 层 、 链路管理器主要负责基带连接的 043 层）的功能， 设定及管理， 逻辑链路控制与自适应协议 （ .!345） 负责基带数据的分段及重组、 多路复用和服务质量 （ B(@ ） 等功能。主机控制接口提供蓝牙与主机设备 之间连接接口的控制指令。应用和支持层主要为各 种应用 （ 如语音、 数 据 等 ）提 供 应 用 软 件 所 需 要 的 通 信 协 议 与 应 用 程 序 接 口 ， 如 C35 D 95、 =$3E00 等。蓝牙系统组成如图 F 所示。
以时隙为单位建立到任何其他从单元的 %!D 链接， 且连接的从单元包括已处于 +!( 链接方式 中 的 从 单元。 （ C） +!( 链接
+!( 链 接 是 在 主 单 元 与 指 定 的 从 单 元 之 间 实 现的对称、 点到点链接。 +!( 链接方式采用保留时
隙来传输分组，因此该方式可以看作是主单元和从 单元之间实现的电路交换链接。+!( 链接主要用于 支持类似于像话音这类时限信息。 从主单元方面看， 它可以支持多达 G 路的指向相同从单元或不同从单 元的 +!( 链接。而从从单元方面看， 针对同一主单 元可以支持多达 G 路 +!( 链接。 若链接来自于不同 的主单元， 此时从单元只能支持 / 路 +!( 链接。 （ /） %!D 链接 主单元可以时隙为 在非 +!( 链接保留时隙里， 单位与任何从单元交换分组。%!D 链接提供在主单 元与所有在匹克网中活动从单元的分组交换链接， 并可采用异步和等时两种服务方式。在一个主单元 和一个从单元之间， 只能存在一个 %!D 链接。对于 大多数 %!D 分组， 分组重传的目的在于确保数据的 完整性。
C2/
基带部分 基 带 部 分 描 述 了 硬 件 —基 —— 带 链 路 控 制 器 的
数字信号处理规范。基带链路控制器负责处理基带 协议和其他一些低层常规协议。 基带和链路控制层确保匹克网内各蓝牙设备 之间由射频构成物理连接。蓝牙的射频系统是一个 跳频系统， 其任一分组在指定时隙、 指定频率上发 送， 它使用查询和寻呼进程来使不同设备间的发送 频率和时钟同步。基带数据分组提供两种物理连接 方式： 同步面向链接 （ +!(）和异步无链接 （ %!D） ， 而且在同一射频上可实现多路数据传送。%!D 适用 于数据分组， +!( 适用于话音及数据 E 话音的组合， 所有话音与数据分组都附有不同级别的前向纠错 或循环冗余校验 （ !F! ） ， 而且可进行加密。 （ ,-! ） 基带描述了设备的数字信号处理部分， 即蓝牙 链路控制器， 它完成基带协议和其他底层的链路规 程。主要包括以下几个方面：
()%&’。识别码主要用于同步、 *+ 补偿平衡和识别。
识别码识别所有在匹克网信道上交换的分组。在同 一匹克网中发送的所有分组都先于同一信道识别 码。在蓝牙单元接收机中， 当超过门限电平时被激 发， 该激发信号被用于确定接收定时。识别码也可 用于呼出和查询过程。在这种情况下， 识别码自身 就被当做一个信令消息，而不必给出头和有效载 荷。 识别码由头、 同步字组成， 有时也包括尾， 如图 , 所示。
)"%&’。不需带有效载荷头。
数据段由三个部分组成： 有效载荷头、 有效载 荷主体和 +7+ 码。
,# 纠错
基带控制器采用三种纠错方式： 3 8 , 速率前向 纠错编码（ 9:+ ） 、 （ 9:+ ） 、 ! 8 , 速率前向纠错编码 对数据的自动请求重传 （ -7;） 。 （ 前向纠错）方案的目的是为了减少 数 据 9:+ 重发的次数， 降低数据传输负载。但是， 要实现数据
F
天线与基带层
F#F 天线单元
中 国 数 据 通 信
!""! # !
!"
技术讲座
的规律， 技术上叫做 “ 伪随机码” ， 就是 “ 假 ”的 随 机码）不断地从一个信道 “ 跳”到另一个信道， 只有 收发双方是按这个规律进行通信的， 而其他的干扰 不可能按同样的规律进行干扰； 跳频的瞬时带宽是 很窄的， 但通过扩展频谱技术使这个窄带成百倍地 扩展成宽频带，使干扰可能造成的影响变得很小。 时分双工 （ ’345 &3637318 &9:;5< ， ’&&）方 案 被 用 来 实现全双工传输。与其他工作在相同频段的系统相 比， 蓝牙的跳频更快， 数据包更短， 这使蓝牙比其他 系统都更稳定。 ,-! （ ,1=>?=@ -==1= !1==5AB318 ， 前向 纠错）的使用抑制了长距离链路的随机噪音； 应用 了二进制调频 （ ,)）技术的跳频收发器被用来抑制 干扰和防止衰落。
2+ 和 2< 控制信道分 别 用 于 链 路 控 制 层 次 和 链路管理层次。 =-、 =. 和 =0 用户信道分别用于传 输异步、 等时和同步用户信息。 2+ 信道在分组头携
带， 而其他信道则在分组有效载荷中携带。
># 数据加噪
在传输之前， 头和有效载荷使用数据噪声字加 扰，其目的是使来自较高冗余模式的数据随机化。 这种加扰过程先于 9:+ 编码完成。在接收端， 接收 数据使用与发送端相同的噪声字发生器进行解扰。 解扰过程在 9:+ 解码后完成。
的无差错传输， 9:+ 就必须要生成一些不必要的冗 余比特， 从而降低了数据的传输效率。因为， 准确率 与效率总是 成 反 比 的 。 在 包 头 总 有 占 3 8 , 比 例 的
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
9:+ 码 起 保 护 作 用 ， 其 中 包 含 了 有 用 的 链 路 信 息
等。 在自动请求重发方案中， 在一个时隙中， 传送 的数据必须在下一个时隙得到确认。数据只有在收 端通过了包头错误监测和循环冗余校验（ +7+ ）无 误后， 收端才向发端回送确认信息。否则， 则返回一 个错误消息。
蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、重量轻， 因此， 蓝牙天线属于微带天线。蓝牙空中接口是建 立在天线电平为 "&*> 的基础上的。空中接口遵循 （ =33 ， 美国联邦 =,&,2%8 3(>>A-’;%7’(- 3(>>’++’(通 信 委 员 会 ） 有 关 电 平 为 "&*> 的 9@0 频 段 的 标 准。如果全球电平达到 F"">G 以上， 可以使用扩展 频谱功能来增加一些补充业务。频谱扩展功能是通 过起始频率为 !#H"!I6J， 终止频率为 !#HK"I6J， 间 隔为 F06J 的 LM 个跳频频点来实现的。 出于某些本 地规定的考虑， 日本、 法国和西班牙都缩减了带宽， 在该频段里设立了 !N 个射频跳频点，其带宽仍以 最大的跳频速率为 FO"" 跳 D 秒。 理想 F06J 为间隔。 的连接范围为 F"">>PF">， 但是通过增大发送电平 可以将距离延长至 F"">。蓝牙工作在全球通用的 （ 即工业、 科学、 医学） 频段。 蓝牙的数据 !#HI6J 9@0 速率为 F0Q’7 D +。 9@0 频带是对所有无线电系统都开 放的频带， 因此使用其中的某个频段都会遇到不可 预测的干扰源。例如某些家电、 无绳电话、 汽车房开 门器、 微波炉等等， 都可能是干扰。为此， 蓝牙特别 设计了快速确认和跳频方案以确 保链路稳定。跳频技术是把频带 分 成 若 干 个 跳 频 信 道 （ R(< 在一次连接中， 无线电 ;R%--,8 ）， 收发器按一定的码序列（ 即一定
/2 数据分组及其类型
匹克网信道中的数据都将被分组打包 （ :?=H ） ， 在基带里定义分组和消息时，制定了编码序列必须 遵循的规则。 （ C） 标准分组格式 匹克网信道中的数据以分组形式传输，各数据 段在基带内部生成， 每一分组由三个部分组成： 识别 码、 头和有效载荷， 标准格式如图 / 所示。
4# 逻辑信道
在蓝牙系统中定义了五种逻辑信道： 链路控制 器 （ 2+）控制信道、 链路管理器 （ 2< ）控制信道、 =用户信道、 =. 用户信道、 =0 用户信道。
0+1 和 -+2 两种链接方式。每种链接方式都有 3!
种不同类型的分组能被使用， 另有四种控制分组为 所有链接模式公用， 他们的类型码是唯一的且与用 什么链接类型方式无关。分组类型用四位类型码的 不同组合来表示， 并将分组类分成四个段。第一段 为四个控制分组公用所有物理链接类； 第二段为占 有单时隙的分组， 有六种分组类型； 第三段为占有 三时隙的分组， 有两种分组类型； 第四段为占有五 时隙的分组， 有两种分组类型。 （ 4） 有效载荷格式
技术讲座
蓝牙技术讲座
第!讲 蓝牙系统结构
马秀芳
西安 LF"F"O）
时和平
（ 解放军西安通信学院
摘
要
本文介绍了蓝牙的系统结构组成； 并对蓝牙系统结构中的天线与基带层、 链路控制器及逻辑 蓝牙 系统结构 协议栈 链路管理与控制
控制与自适应协议层、 主机控制器接口层和应用框架与支持层的基本概况作了较详细的论述。 关键词
共有三种不同类型的识别码： ・信道识别码 （ +-+） ； ・设备识别码 （ *-+） ； ・查询识别码 （ .-+ ） 。 各识别码类型用于处于不同操作模式的蓝牙 单元中。信道识别码标识一个匹克网， 代码包含在 匹克网信道上所有交换的分组中。设备识别码用作 一个指定信令过程， 如呼出或呼出应答过程。对于 查询识别码， 存在两个变量： 一个称为通用查询识 别码 （ /.-+） ， 为所有设备通用， 可用来检测在指定 范围内有否其他蓝牙单元； 另一个称为专用查询识 别码 （ *.-+） ， 该查询识别码为 在 蓝 牙 系 统 中 具 有 公共属性的专用设备组使用， 可以用于发现在指定 范围中符合条件的专用蓝牙单元。 （ ,） 分组类型 分组类型与使用的物理链接方式有关， 主要是