基于蓝牙的WPAN连接技术

第２卷第４期　２００３年ｌ２月　南通工学院学报（自然科学版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｔｏｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａ］Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｖｏ１．２　Ｎｏ．４　

Ｄｅｃ．２０Ｄ３　

文章编号：１６７１～５３１４（２００３）０４—００７８—０４　

基于蓝牙的ＷＰＡＮ连接技术　杨永杰，章国安，冯　军　（南通工学院信息工程系，江苏南通　２２６００７）　摘要：介绍了基于蓝牙的无线个域网络（ｗＰＡＮ）连接技术，包括蓝牙技术、无线个域网络的连接协议、蓝牙无线个　域网的无线接入等，通过与其它相关技术比较，分析了蓝牙技术的优越性和广阔的发展前景。　关键词：ＷＰＡＮ；蓝牙技术；ＴＣＰ／ＩＰ；ＲＦＣＯＭＭ　中图分类号：ＴＮ９２５　．９３　文献标识码：Ａ　

Ａ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｃｏｎｎｅｃｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ＹＡＮＧ　Ｙｏｎｇ—ｊｉｅ，ＺＨＡＮＧ　Ｇｕｏ—ａｎ，ＦＥＮＧ　Ｊｕｎ　（Ｎａｎｔｏｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ￣，Ｎａｎｔｏｎｇ　２２６００７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｐｅｍｏｎａｌ　ａｌ＇ｅａ　ｎｅｔｗｏｒｋ（￣ＴＡＮ）ｃｏｎｎｅｃｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ．ａ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｏｆⅥ　ＡＮ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ｖｄｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｎｄ　ＣＯＩｌ－　ｅｌｕｄｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｅｒ　ｈａｓ　ａ　ｌｏｔ　ｍｏｒｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｉｓ　ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｃａｐａｂｌｅ　ｏｆ　ａ　ｂｒｏａｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：？ｔＴＡＮ；Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ；ＴＣＰ／ＩＰ；ＲＦＣＯＭＭ　

Ｏ　引言　目前，笔记本电脑、移动电话、ＰＤＡ等电子信息设备正逐步进入百姓的日常生活，虽然这些信息设备的　功能越来越强大，同时尺寸却越来越小，但是人们已不能仅仅满足于它们各自独立工作，而是迫切需要各种　设备之间能方便地进行信息的交互。因此，在小范围内能够将个人设备互联而组成的网络——无线个域网　（ＷＰＡＮ）便应运而生。　１９９８年５月，由爱立信（Ｅｒｉｃｓｓｏｎ）、国际商用机器（ＩＢＭ）、英特尔（Ｉｎｔｅ１）、诺基亚（Ｎｏｋｉａ）和东芝（Ｔｏｓｈｉｂａ）　等五家公司共同成立一个专门的研究小组，发展了一种能够简易使用且在各项通讯设备上都能畅行无阻的　新技术——蓝牙技术（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）“ｌ，其采取无偿向全球产业界转让该专利技术的策略，以实现全　球统一标准的目标，并已于１９９９年７月２６日推出了蓝牙技术标准１．０版本。蓝牙技术是基于ＷＰＡＮ的无线　网络连接技术，以短程无线电收发技术为固定与移动设备通信环境建立了一个短程无线电的特别连接。它　建立一个通用的无线电空中接口以及控制软件的公开标准，使无线通信技术和计算机技术紧密结合，使不　同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下在近距离范围内具有互用、互操作的性能，　代替固定与移动通讯设备之间的电缆。预估到２００５年，会有６、７亿部采用蓝牙技术的设备被消费者使用。　

ｌ　蓝牙技术　１．１　蓝牙系统的组成及模块分析　蓝牙系统由无线单元、链路控制单元、链路管理和软件功能单元组成【２］。从蓝牙系统软件和硬件来划　

基金项目：南通市科技创新计划资助项目（Ａ２０３５），南通工学院自然科学基金资助项目（２００２３７）　作者简介：杨永杰（１９６９一），男，江苏南通人，南通工学院信息工程系讲师，硕士，主要从事数字通信研究。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 杨永杰，等：基于蓝牙的ｗＰＡＮ连接技术　·７９·　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ＪＩＮＩ　ＳＤＰ　ＴＣＰＡＰ　ｌ　ＲＦＣＯＭＭ　

Ｌ２ＣＡＰ　Ｌｉｎｋ　Ｍａｎａｇｅｒ　ＡＣＬ　ＳＣＯ　Ｂａｓｅｂａｎｄ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　Ｒａｄｉｏ　图１　蓝牙的协议栈模型　

分，蓝牙协议体系结构可分为底层硬件模块、中间协议层（软件模　块）和高端应用层三大部分。链路管理层（ＬＭ）、基带层（ＢＢ）和射　频层（ＲＦ）属于蓝牙的硬件模块；中间协议层包括逻辑链路控制和　适配协议（Ｌ２ＣＡＰ），服务发现协议（ＳＤＰ），串口仿真协议　（ＲＦＣＯＭＭ）和电话通信协议（ＴＣＳ）；蓝牙协议栈的最上部是高端　应用层，它对应于各种应用模型框架。具体协议栈结构见图１。　主控制器接口ＨＣＩ（Ｈｏｓｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）是蓝牙协议中软　硬件之间的接口，它提供一个调用下层基带、链路控制层、状态和　控制寄存器等统一的命令接口。ＨＣＩ以上的协议软件实体运行在　主机上，而ＨＣＩ以下的功能由蓝牙设备来完成，两者之间通过传输层进行交互，以及对硬件状态和控制注　册成员的访问。该接口还提供对蓝牙基带的统一访问模式。在ＥＢＤＫ硬件结构中，Ｒａｄｉｏ模块是蓝牙硬件的　射频模拟部分，包括射频发射器和射频接收器，以跳频技术实现频率扩展，进行ＩＳＭ（即工业、科学、医学）频　段频率信号的发送和接收。基带模块则对物理信道进行管理，链路控制模块进行通信链路的建立、鉴权。　中间协议层分为两部分：运行在主ＰＣ上的主机软件和在蓝牙基带设备上运行的ＲＯＭ程序。ＥＢＤＫ主　机软件在ｗｉｎ９８、ＮＴ的ＰＣ上运行，通过ＲＳ一２３２或ＵＳＢ连接到ＥＢＤＫ。主机软件有两个主线程，一个执行主　应用程序和传输数据包，另一个处理接收界面信息。　１．２蓝牙的核心技术　蓝牙技术工作频段与１ＥＥＥ　８０２．１　１无线局域网相同，都为２．４　ＧＨｚ。在技术上，它是应用跳频扩展频谱　新技术解决干扰的问题。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（ｈｏｐ　ｃｈａｎｎｅ１），在一次连接中，无线电收发　器按一定的码序列不断地从一个信道”跳”到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其它　干扰不可能按同样的规律进行干扰。如ＦＣＣ（Ｆｅｄｅｒａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ美国通信委员会）规定，在　４０Ｏ　Ｉｎｓ的时间内至少有７５个频率被使用，假如有一个频率被干涉，那么数据将被重新传输，并从一个频率　跳到另一个频率。因为信号是在一个恒定频率带宽里跳，很少发生一个传输被噪音或其它信号干扰而中断　的现象。跳频技术即使在某一特定频带上受到噪声干扰导致发包失败，但这不影响在其他”干净”频带上发　送数据ｂ】。因此，网络速率虽然会下降，但这个技术的特点除了无线电收发器是窄带、低功率、成本低廉外，　更重要的是能使其克服特定频点的噪声干扰，使它具有很强的抗干扰能力。使用蓝牙的无线设备最高可以　有异步的７２１　ｋｂｐｓ（非对称数据）和４３２　ｋｂｐｓ（对称数据）的数据传输速率，或者是３个６４　ｋｂｐｓ的声音信道。　在同一个微微蜂窝小区，可以同时最多支持８个电子设备。而且，其中任何一个都可以起到ＧＳＭ蜂窝网中　的基站作用，并通过它联接到互联网上。所以，蓝牙技术的最大优点是除了能够为与人类打交道的各种电　器设备提供附加的通信能力外，更使之具有接人Ｉｎｔｅｍｅｔ和其它互联网的能力。　１．３蓝牙的数据通信　ＥＢＤＫ主机软件结构为分层模块化形式，每一层都进行了封装，其他层只有通过接口才能访问。如果　用户应用程序发送了一序列数据，数据在到达ＲＳ一２３２之前，首先会进行包的组装，生成通信协议格式的　数据包，在发送数据包之前还必须检测指令完成状态机。指令完成状态机指示从发送前一条指令之后系　统是否仍在等待指令完成事件。如果状态是空闲（ＩＤＬＬ）则发送数据包，如果状态是等待指令完成　（ＷＡＩＴＩＮＧＦＯＲＣＭＤＣＯＭＦ）用户程序则被通知稍候再试。在接收方向上，执行的操作与之相反。接收来的　

数据首先经过包组装器，组装成标准的数据包格式，然后解开包，抽取包中的数据，进行指令解码，获得数　据中包含的指令。在指令被发送到指令处理器之前，仍然要检测指令完成事件，以确定前一条指令是否已　经被处理，之后，才被指令处理器处理，处理的结果反馈到应用程序进行界面的修改或通信状态的改变处理。　

２　无线个域网络的连接协议　目前为家庭网络而设计的行业规范主要有：ＨｏｍｅＰＮＡ（家庭电话网络联盟），Ｈｏｍｅｅｌｕｇ（家庭电力线联　网），Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ，ＨｏｍｅＲＦ，ＩｒＤＡ等。前两者都是利用已有的有线资源进行家庭内联网，后三者是ＷＰＡＮ的连接　

维普资讯 http://www.cqvip.com ８Ｏ·　南通工学院学报（自然科学版）　２００３正　协议，比较有线技术而言，无线家庭网络能够提供有线网络的所有功能，并为可移动设备联人家庭网络提　供了便利，且设备的位置相对灵活，改动网络结构或布局时，不需要对网络进行重新设置。　Ｂ１ｕｅｔｏｏｔｈ能同时支持数据和话音业务，当工作在１类发射功率（１００　ｍｗ）时，通信距离可扩展到１００　Ｉｌｌ，　能覆盖整个家庭区域。但它的速率限制了它在宽带网络中的应用。蓝牙点对点传输时，对称的最大有效速　率为４２３．６　ｋｂｐｓ，不对称最大有效速率为７２１　ｋｂｐｓ，反向为５７．６　ｋｂｐｓ。　蓝牙在家庭网络中处于相当重要的地位。首先，以ＨｏｍｅＲＦ为代表的无线技术实现家庭骨干网因其昂　贵，进入普通家庭还需时日。其次，家庭网络与其它网络的最大不同就是设备的复杂性，各式各样的电器设　备其接口和控制远比其它数据网络复杂，统一组网标准有待时日。因此，家庭网络的实现将是多种网络技　术的共存，如果用有线技术组建家庭宽带网，再辅以无线技术提供可移动设备的灵活接人，不仅降低成本，　同时又不失其灵活性。蓝牙以其灵活的组网方式和低成本、低功耗的设计宗旨必然会走人千家万户。　

３　蓝牙无线个域网的无线接入　３．１　协议栈　家庭网关作为蓝牙设备的接人点，为便携式设备的接人提供了便利。接人点和接人家庭网络的蓝牙设　备必须具备蓝牙ＬＡＮ接人点应用框架中规定的协议栈，如家庭网络环境中的终端设备可以是Ｐｃ机、笔记　本电脑或ＰＤＡ，接人点可以采用基于主机的应用方案或嵌入式应用方案。这样设备可以通过接人点接人家　庭网络，在速率允许的情况下，享有家庭网络中的所有服务。因此，蓝牙局域网无线接入网关是蓝牙的一个　重要运用，它使大量的蓝牙终端设备随时随地都能方便地进入局域网或Ｉｎｔｅｍｅｔ网，获取想要的资料。　蓝牙局域网无线接入网关利用蓝牙协　议栈中的ＲＦＣＯＭＭ协议层提供模拟的串　口，在这层模拟的ＣＯＭ口上叠加ＰＰＰ（点到　点协议）和ＴＣＰ／ＩＰ等网络层协议。完整的　网络协议层次如图２所示。在蓝牙局域网　无线接人协议层次中的ＴＣＰ／ＩＰ是通用的　网络层协议，利用它能很方便地接人各种　现存的网络。ＰＰＰ协议是一种点到点数据　链路层的协议，用来建立作为拨号上网的