基于蓝牙的无线自组网络的应用与研究.docx
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基于蓝牙的无线自组网络的应用与研究
基于蓝牙的无线自组网络的应用与研究
摘要
蓝牙是工作在2.4GHzISM频段的一种无线电技术，蓝牙设备以自组网络的方式进行连接组网。
移动Adhoc网络是一种特殊的无固定控制中心、不需要基础设施的无线多跳网络。
由于Adhoc网络的广泛应用，近年来成为移动通信领域的研究热点。
然而，由于蓝牙技术具有某些特殊限制与特性，要利用蓝牙技术组建Adhoc网络，还有很多具有挑战性的问题需要解决。
蓝牙协议是基于严格的主-从结点架构，即从结点设备间的通信必须借助主结点设备。
虽然这种主-从结点模式比较简单，但是这种模式加倍了主结点的带宽，增加了从结点设备间的时延。
为了解决这个问题，本文提出了动态频道分配（DSA）和划分微微网的方法。
在动态频道分配情况下，主结点动态地为从结点分配频道来实现不经过主结点，从结点间直接进行通信的目的，这个方法提高了服务质量。
为进一步拓宽动态频道分配方法的应用范围，又提出了服务质量自适应动态频道分配方法，这种方法又借助了了动态划分微微网的方法。
提出的这种方法在时延和最大吞吐量方面，极大的提高了蓝牙性能，降低了网络能量消耗。
关键词：
蓝牙；自组网络；微微网；服务质量
2蓝牙技术协议
2.1蓝牙技术概述
2.1.1蓝牙技术特点
随着计算机网络技术和无线通信技术的迅猛发展，人们对于通信的要求已经不仅仅满足于简单的实现异地的有线通信，而需要具有高灵活性和移动性的无线通信技术。
根据使用环境和特点的不同，相继出现了适用于大用户量、全球范围的移动语音和数据通信技术GPRS（GeneralPacketRadioService）、适用于办公室中长距离网络接入的IEEE802.11无线以太网技术、适用于个人超短距离通信的红外线技术。
但是一直都缺少适用于中短距离、低功耗、低成本、高互操作性的无线技术。
蓝牙技术就是在这样的背景下出现的。
蓝牙技术是一种中短距离无线射频通信技术，省去了各种数字便携设备之间需要经过复杂的有线介质连线和软件安装过程，使各种数字便携设备可以实现无缝连接，提高了不同便携设备的移动性。
蓝牙技术并且具有如下的特点:
蓝牙技术的开放性;中短距离通信;无线连接性;蓝牙产品的互操性和兼容性;传输语音和数字信息;安全无公害性;工作频段的免费性;信息的安全性。
2.1.2蓝牙协议体系结构
蓝牙核心系统覆盖了最低四层（射频层、基带层、链路管理层和L2CAP层）和与其相关的服务层协议。
核心系统架构如图2.1所示。
最底三层有时作为一个子系统蓝牙控制器。
通常在蓝牙控制器和L2CAP及其它应用层（即蓝牙主机）之间是一个标准的物理通信界面，而该物理通信界面一般是可选的。
该界面叫作主机控制界面（HCI）,HCI层以下的叫做主控制器，HCI层以上的叫主机。
蓝牙核心系统通过各种接入点来提供设备管理服务、传输控制服务和数据传输服务（图中的椭圆形即为接入点）。
下面对核心系统最低四层加以简单说明。
1）射频层:
射频块主要在物理信道上可靠地传送和接收符合要求的数据。
2）基带层:
对射频块的时间和频率进行控制，传输符合基带要求的数据流。
3）链路管理器层:
链路管理器主要对与物理信道、逻辑传输和逻辑连接上所
传输的相关数据载荷进行编码和解码。
4）逻辑链路控制与适配层:
逻辑链路控制和适配层主要是进行流量控制和接收缓冲分配。
2.1.3蓝牙普通数据包结构
通常蓝牙数据包由信道接入码、包头、有效载荷头、有效载荷和CRC组成。
有效载荷包括:
LMP信息、L2CAP信号、L2C”帧和其他用户数据;有效载荷头携带逻辑连接标示符;包头携带逻辑传输标示符;信道接入码携带物理信道接入码。
载荷头前面的保证时间和同步序列仅仅针对EDR增强数据速率的，用来在物理层选择调制方式。
2.1.4蓝牙拓扑结构
一个匹克网可以包括两个或多个具有同样物理信道（即具有同样的跳频序列和时钟）的设备。
不同匹克网具有不同的物理信道。
通过时分复用，一个蓝牙设备可以参与多个匹克网，但是它只能做一个匹克网的主设备，可以做多个匹克网的从设备。
多个匹克网互相连接之后组成散射网。
2.2蓝牙无线射频
蓝牙无线射频是蓝牙中的最低层次，属于蓝牙技术的硬件接口，实现蓝牙技术的空中物理接口，该层主要规定了蓝牙射频信号的规格和参数，包括射频信道的划分、射频的频段分布、信号的调制方式等，这部分协议主要是由蓝牙专用硬件电路来实现。
2.2.1射频频段和物理信道
蓝牙射频工作在免费的2.4GHzISM频段，这个频段分布在2400MHz-2483.50MHz。
在这个频段划出79个跳频信道，每个信道带宽为1MHz。
蓝牙底层收发器使用自适应跳频技术，高斯频移键控（GFSK）和相移键控（PSK）调制方式。
采用GFSK调制方式时，蓝牙的传输速率可达到1M/s，使用PSK调制方式蓝牙的最大传输速率可达到3M/s。
由于蓝牙EDR用相移键控（PSK）调制方式取代标准传输率的高斯频移键控（GFSK），当采用zr/4-DQPSK进行调制时，数据速率可以提高到2M/s，当采用8DPSK进行调制时，数据速率可以提高到3M/s，从而实现了更高的数据传输速率。
这样在无线电链路上发送数据时，数据包有效载荷的每一种符号能够传输更多的位元。
传输速率的增加意味着如果资料量不变，那么EDR无线电发送数据的时间将减少为原来的1/2或者1/3，因而降低了功耗，也就增加了产品电池的使用时间。
蓝牙射频系统使用了时分双工（TDD）工作方式，这样信道从时间上被划分为很多时隙。
蓝牙微微网中的设备分为主设备和从设备，其中，发起通信的设备称为主设备，其他设备都是从设备。
主设备在偶时隙发送，从设备在奇时隙发送。
蓝牙射频的跳频频率是1600Oh/秒，每个时隙的宽度是625uS（1/1600秒），蓝牙射频在指定时隙中其工作频率是不变的，所有微网中的蓝牙设备都与主设备的跳频序列相同，如图2.4所示。
通常分组的传输是在一个时隙中完成，如果在一个时隙中无法完成全部数据的传输，也可以在3个时隙中完成传输，最多可以扩展到5个时隙，此时频率保持不变，与第一个时隙的频率相同。
2.2.2射频发射功率
蓝牙技术作为一种使用在便携式设备上的无线通信技术，应用要求实际的电能消耗要尽可能低，还要可以根据实际通信环境动态调整功率消耗。
蓝牙的发射机提供了三个不同的功率等级:
Class1:
1mW（odBm）-100mW（2odBm）
Class2:
0.25mW（-6dBm）-2.5mW（4dBm）
Class3:
1mW（OdBm）
2.3基带层协议
蓝牙系统提供点对点和点对多点连接，在点对点连接中两个设备共用同一个物理信道，在点对多点连接中，几个蓝牙设备共用一个物理信道。
每一个匹克网中最多只能有七个处于激活态的从设备，其他的则只能处于休眠状态，但是必须和主设备保持同步。
有共同设备的匹克网叫做散射网。
每个匹克网不应该同步，有各自的跳频序列。
每个蓝牙设备之间在空中以数据包的形式进行数据传输，而传输的数据包可以分为两种:
基本数据包和EDR数据包。
其中，基本数据包包括三个部分:
识别码、包头和有效载荷。
EDR数据包包括识别码、包头、保护周期、同步序列、有效载荷和尾。
每个蓝牙设备都有一个全球唯一的48位地址，称为蓝牙设备地址（BDADDR）。
该地址是固化在蓝牙物理硬件中的，蓝牙设备地址分为3个段:
24位低地址段（LAP）,16位高地址段（UAP）和4位未定义段。
蓝牙设备地址除可以唯一表示一个蓝牙设备外，它与微网标示、分组头错误检测、鉴权和加密字的产生有着密切的关系。
另外每个蓝牙设备应该有一个本地蓝牙时钟以便和其他蓝牙设备同步。
2.3.1物理信道及物理链路
蓝牙物理信道就是一些随机的蓝牙跳频序列的联合。
每个匹克网通过自适应跳频技术选择出自己的跳频序列，每个匹克网之间具有不同的频率，从而避免相互之间的干扰。
一个物理链路表现为两个设备之间的基带连接，物理链路和物理信道是相关联的，物理链路主要特性为:
功率控制、链接管理、加密、以及数据传输速率的改变。
2.3.2逻辑传输
在主设备和从设备之间可以有五种传输类型:
SCO（SynchronousConnection-Oriented）逻辑传输;
eSCO（ExtendedSynchronousConnection-Oriented）逻辑传输;
ACL（AsynchronousConnectionLess）逻辑传输;
ASB（ActiveSlaveBroadcast）逻辑传输;
PSB（ParkedSlaveBroadcast）逻辑传输.
同步面向连接逻辑传输是在主从设备之间进行的点对点逻辑传输，它支持典型的时间有限制的信息，如语音和普通的同步数据，SCO链路是在物理信道中的保留时隙上实现的。
另外eSCO逻辑传输可以进行重发。
ACL也是在主设备和从设备之间进行的点对点传输，在非SCO链路保留时隙上工作的无连接链路。
它是主从设备之间的分组交换式连接，ACL链路主要用来传输数据信息。
在一对主从设备之间最多只能支持一条ACL链路，ACL链路支持一个设备对多个设备的广播。
因为ACL链路使用的无连接链路无法保证通信的可靠性，所以它支持重发分组的机制。
ASB逻辑传输被主设备用来和处于激活态的从设备进行沟通。
PSB被主设备用来和处于休眠状态的从设备进行沟通。
2.3.2.1逻辑传输地址（LT_ADDR）
在一个微微网中，主设备为每个活动从设备都分配一个3位的逻辑传输地址（LTADDR），所以一个微微网中最多可以有7个活动从设备，其中全0的活动成员地址用于进行广播通信。
当微网主设备与从设备进行通信时就在分组中使用该地址来标示从设备。
2.3.2.2休眠成员地址（PM_ADDR）
当微微网中的从设备进入休眠状态时，主设备给该从设备分配一个8位的休眠地址（PMADDR），主设备就是通过该地址来区别休眠的从设备的，在一个微网中最多可以有256个休眠的从设备。
2.3.2.3访问请求地址（AR_ADDR）
当从设备要从休眠状态转为活动状态时，从设备使用访问请求地址
（ARADDR）来确定从一主时隙和主设备保持同步。
不同的从设备可以使用相同
的访问请求地址。
2.3.3逻辑链接
总共定义了五种逻辑链接:
LC（LinkControl），该逻辑链接携带低级别的控制信息，如ARQ、流控制和载荷描述等;
ACL-C（ACLControl），该逻辑链接携带主设备和从设备链接管理器之间的交换控制信息;
ACL-U（UserAsynchronous/Isochronous），该逻辑链接携带L2CAP异步和同步用户数据;
SCO-S（UserSynchronous），该逻辑链接携带同步用户数据;
eSCO-S（UserExtendedSynchronous），该逻辑链接携带扩展同步用户数据
2.3.4蓝牙设备操作状态及转换
蓝牙操作状态包括三种主状态:
连接状态（ConnectedState）、待机状态（StandbyState）和休眠状态。
还有7种子状态:
呼叫（（Page）、呼叫扫描（（PageScan）、查询（Inquiry）、查询扫描（InquiryScan）、主设备应答（MasterResponse）、从设备应答（SlaveResponse）,·查询响应（InquiryResponse）。
主从设备的状态转换需要链路管理命令和链路管理器内部信令的控制。
图2.7显示了各状态之间的转换关系。
从待机状态到连接状态，中间需要经过查询和呼叫状态。
在查询状态下，主设备在其通信范围之内搜索其他设备的标识，而从设备必须处于扫描状态监听和响应查询:
在呼叫状态下，主设备对其通信范围内的指定设备进行呼叫操作，从设备必须处于呼叫扫描状态。
如果主设备己经获得了从设备的蓝牙设备地址，主设备可以直接越过查询状态而直接进行呼叫操作。
当一个从设备不需要参与匹克网信道时，就进入休眠状态。
这时它就放弃了LT_ADDR接收主设备分配给它的PMADDR。
所有处于休眠状态的从设备隔一定的时间间隔去监听主设备信道及广播信息从而保持同步或被唤醒进入链接状态。
当从设备要从休眠状态转为连接状态时，从设备使用访问请求地址（ARADDR）来确定从一主时隙和主设备保持同步。
2.4蓝牙链路管理器协议LMP
链路管理器协议是用来对链路进行设置和控制，‘包括对逻辑传输、逻辑连接和物理连接的控制，它和其他的协议层没有直接的层次关系，如图2.8所示。
链路管理器则位于链路控制器之上，在两个连接的设备之间传递链接管理器协议消息。
在不同设备之间的链路管理器之间交换的链接管理器协议消息称为链路管理器协议数据单元（LMTPDU）。
链路管理器消息的优先级要比用户数据的优先级高。
2.4.1链路管理器协议单元格式
LMP-PDU的格式如图2.9所示。
它由三部分组成:
7位或15位的操作码，表示不同类型的LMP-PDU:
1位事务ID字段表示该LMP-PDU是由主设备还是从设备发出的。
事务ID为0表示它是由主设备发出的，事务ID为1表示它是由从设备发出的:
不定长的内容字段包含了LMP-PDU的具体参数。
根据操作码的不同，蓝牙LMP-PDU的分组类型有很多，整体上蓝牙分组可以分为两种类型:
第一种类型要求发送方链路管理器发送请求消息初始化通信，而接收方链路管理器接受消息后，可以接受请求执行要求的操作，或者拒绝消息请求并发送LMP-not-accepted分组，或者发送自己的请求消息进行协调;
第二种类型要求发送方链路管理器发送请求消息，接受方链路管理器必须接受请求，并按请求操作。
2.4.2LMP建立连接的进程
LMP层发出协议指令后，由基带层内ACL-C链路包内的有效载荷负责运送传递，当接收的基带层收到这些包后，解析有效载荷包头的L_CH。
如果L_CH=11,代表包传递的是LMP数据，传递LMP数据包比传递L2CAP包有更高的优先权，通常以LMP为开头的信号指令表示该包是LMP发送的指令。
蓝牙系统中建立LMP连接的过程如图2.10所示，从图中可以看出，当主从单元各送出ID包与FHS包完成时序的同步后，进入连接状态，接着继续由LMP层建立连接，其过程是由主单元发出LMPhostconnectrequest，若从单元上的LMP层接收则响应LMP一ccepted;若从单元上的LMP层拒绝主单元的请求则响应LMP_NotAccepted。
发出响应的从单元，询问主单元是否需要进行主从角色切换，再交换一些额外信号（AdditionalTranscation），最后建立LMP层的连接（LMP_SetupComplete）。
此时主从单元双方都不知道彼此提供的服务，直到双方打开SDP协议后才能各自发现各自提供的服务种类。
2.4.3链路管理器完成的主要功能
2.4.3.1安全管理
安全性主要由基带来保证。
基带定义了一套数据加密和设备鉴权的算法以及相应的硬件装置。
设备之间的链路配置也和安全密切相关，链路的连接在配置过程中都涉及到安全问题。
链路的配置主要由链路管理器来完成。
设备鉴权是强制性的，所有蓝牙设备都要支持鉴权过程，而加密则是可选的。
2.4.3.2操作模式管理
因为蓝牙设备一般都是低功耗的便携设备，所以蓝牙协议应该具有良好的功率管理功能。
而蓝牙的不同操作模式正是解决功率消耗问题的最佳途径。
蓝牙的操作模式可以分为3种：
1）保持模式（HoldMode）:
当主从设备在一段时间没有ACL数据要发送时，主设备可以要求从设备进入此模式，从设备将关闭收发机，并定时激活链路。
2）呼吸模式（SniffMode）:
处于呼吸模式下的从设备，降低从微微网监听消息的速率，呼吸间隔可以根据应用做动态调整。
3）休眠模式（（ParkMode）:
当从设备不需要进入传输信道，但还要保持跳频同步时，可以将这个从设备设置为休眠模式，在这种模式下蓝牙设备将放弃活动成员地址（LMADDR）。
2.4.3.3带宽控制
蓝牙链路控制器可以使用不同的方式来管理设备之间的带宽分配，SCO链路是高优先级的链路，可以提供电话级的语音通信服务，为了提高传输线路的利用率，提高ACL链路上所支持的带宽，不同的通信设备可以协商对基带数据分组的使用，通过LMP-PDU可以设置通信双方的参数。
2.4.3.4链路控制器管理
链路管理器可以实现对通信双方的链路控制器和基带的工作参数的协商和设置。
包括对呼叫参数的设置、主从设备之间角色的切换、工作时钟和时间信息的交换、特性信息的交换，高层逻辑连接的建立和断开（并非底层物理连接的建立）。
2.5逻辑链路控制和适配协议L2CAP
2.5.1L2CAP概述
逻辑链路控制和适配协议（L2CAP,LogicalLinkControlandAdaptionProtocol）基于基带协议，位于数据链路层。
L2CAP通过协议多路复用、分段重组操作和组概念，为高层提供面向连接和无连接的数据服务。
L2C”使用基带协议中的ACL链路，并由基带协议来保证传输数据的完整性。
L2CAP允许高层协议和应用传输接受长达64KB的L2CAP数据分组。
2.5.2L2CAP特征功能
1）协议复用
因为L2CAP要向不同的高层应用协议提供服务，而基带协议不支持任何“类型”字段，无法区分高层协议。
所以它必须支持协议复用，进行上层数据传输的路由。
2）分段重组
基带协议所能传输的分组的长度是有限的，而高层协议所要传输的数据长度可能要很长，所以L2CAP必须把高层协议的长数据分段为较小的基带分组来发送，而接受方的L2CAP层也相应的要将基带层提供的小分组重组还原为原来较大的高层分组。
3）信道流控
L2CAP对上层应用提供流控服务，而这种流控是基于窗口机制的。
当几个数据流在同一个L2CAP逻辑连接上传输时，它们使用各自的L2CAP信道，每个信道可以要求单独的流控制。
4）组管理
在蓝牙的高层和底层协议中都支持组的概念，为了将高层组映射到底层的组，L2CAP提供了对于组的管理。
5）错误控制和重传
有些应用要求比基带提供的更低的REA（残余错误率），L2CAP包括可选的L2CAPPDU错误校核和重传机制。
基带错误校核失败之后，L2CAP再次进行错误校核，从而降低了数据传输的错误率。
而重传则对校核出错和丢失的数据包进行重新传输，增加了数据的安全性。
6）服务质量
L2CAP连接建立过程，允许交换有关两个蓝牙单元之间服务质量的信息。
每个L2CAP设备必须监视由协议使用的资源并保证服务质量的完整实现。
2.5.3状态机
蓝牙协议中为不同层次的协议规定了不同的状态、引起状态改变的事件和响应事件的动作，这样就形成了状态机，这种状态机只用来描述面向连接双向信道。
状态机中事件和动作的命名规则为:
垂直方向协议层之间的接口使用为高层提供服务的低层服务协议的前缀，例如“L2CA";水平方向上的相同层次的实体之间的接口使用协议作为前缀，例如“L2CAP"。
在垂直方向上，从上层传来的事件称为请求（Req），相应的低层返回的应答称为确认（Cfin）;从低层传来的事件称为指示（hid），相应的应答称为响应（Rsp），进一步处理过程的应答称为中间应答（Pnd）;如果要表示否定应答，可以在前述的事件后加否定后缀（Neq）。
图2.11使用报文序列图（MSC）来解释了L2CAP事件的正常序列。
两条外部直线表示发起方和接受方之间的L2CA接口。
L2CA接口的请求指令将导致发出协议定义的请求。
当协议向接受者传递请求时，远程L2CA实体将向上层协议发送指令。
当接受方的上层协议应答时，应答将由协议打包并发回发起方。
最后再用确认报文把结果发回发起方的上层协议[4]。
2.5.4L2CAP分组格式
L2CAP支持面向连接、无连接信道和信令信道，它们使用不同的分组格式。
2.5.4.1面向连接信道
L2CAP面向连接的信道是双向的。
1）长度字段:
16位，指示有效载荷的长度;
2）CID信道标识符字段:
16位，指示分组的目的CID;
3）有效载荷:
065535字节可变长，承载上层发送到下层或下层发送到上层的数据。
2.5.4.2无连接信道
L2CAP无连接信道是单向的，提供到组的逻辑连接，其分组格式如图2.13所
1）长度字段:
16位，指示PSM字段和有效载荷长度之和;
2）CID信道字段:
16位，指示分组的目的CID;
3）协切复用PSM字段:
最小16位，分为2部分，
4）有效载荷:
065535字节可变长，承载上层数据。
2.5.4.3信令信道
L2CAP的信令信道是为了在不同设备的L2CAP层传输信令。
它们是发送到
CIDOx00001的双向通道。
在一个信令信道分组中可以传送多个指令，分组格式如
图2.14所示。
1）长度字段:
16位，指示所有指令的长度之和。
2）CID信道标识符字段:
16位，指示信令信道CID，必须为00001
3）代码字段:
8位，用于指示指令类型。
4）标识符:
8位，用于请求与响应的匹配，请求设备设置，响应设备在回复中使用相同的值表示响应。
5）指令长度:
16位，表示指令数据字段的长度。
6）指令数据:
变长，根据代码段的类型来决定具体的数据内容。
2．6服务发现协议
服务发现（（ServiceDiscovery）是对网络中的设备或服务进行定位，获得使用设备或服务所必要的信息。
在蓝牙微微网环境下服务发现与传统固定网络环境下的服务发现有很大的不同，传统固定网络环境下，服务信息比较集中地存放在中央信息设备上，同时服务的信息基本没有变化。
而蓝牙微微网环境下，设备有很强的移动性，服务的参数也在不断地变化，这就要求设备服务信息应该是分布式地存放在不同的设备上，任何需要服务的设备可以从不固定的位置获得其需要的服务信息。
SDP协议工作在L2CAP层之上，它使用L2CAP提供的连接服务，同时为上层其他高层应用提供服务，但是SDP与其他高层应用没有直接的层次应用。
2.6.1服务发现协议概述
蓝牙服务发现协议（ServiceDiscoveryProtocol）采用客户/服务器模式工作。
SDP工作模式包含SDP客户机和SDP服务器。
SDP客户机可以从SDP服务器上获得服务的属性信息如图2.15所示。
SDP服务器维护着描述服务属性的服务记录，这些服务记录组成服务注册表。
一条服务记录可以包含多个服务属性。
一个蓝牙设备最多可以有一个SDP服务器，但是可以同时有多个服务，如果一个蓝牙设备只充当客户的话，那么该蓝牙设备将不需要建立SDP服务器。
单个蓝牙设备可以既是SDP客户机，又是SDP服务器。
2.6.2服务记录和服务属性
在一个SDP服务器上存在一个服务注册表[[51，在该服务注册表中，SDP服务器为每个运行在本地蓝牙设备上的服务维护一条服务记录，服务记录包括了该服务的所有信息。
一条服务记录由多个服务属性ID/服务属性值对组成。
SDP服务器可以保证在保持L2CAP连接过程中，所有的服务记录都保持不变。
服务记录句柄是一个专门用来唯一标示SDP服务器内每一服务记录的32位的值。
当向SDP服务器增加或删除服务记录时，服务发现协议并不提供通知客户的机制。
当与服务器建立一条L2CAP连接时，从服务器获取的服务记录句柄将保持有效，除非它所代表的服务记录被删除。
SDP服务器应确保在保持L2CAP连接期间，不会重用任何服务记录句柄。
服务属性用于描述某一服务的一个特征。
SDP定义了一些标准服务属性，用户也可以定义自己的服务属性。
服务注册表中的每条服务记录可以由多个服务属性组成，每个服务属性都由一个服务属性ID和相应的服务属性值组成。
如图2.16所示。
服务属性ID是一个16位的无符号整数，服务属性
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