论文蓝牙跳频算法的改进与蓝牙家庭网络的研究.docx

论文蓝牙跳频算法的改进与蓝牙家庭网络的研究.docx

《论文蓝牙跳频算法的改进与蓝牙家庭网络的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论文蓝牙跳频算法的改进与蓝牙家庭网络的研究.docx（61页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

论文蓝牙跳频算法的改进与蓝牙家庭网络的研究

蓝牙跳频算法的改进

与蓝牙家庭网络的研究

摘要

随着个人计算机和因特网在家庭中的迅速普及，以及信息家电智能化程度的提高，家庭网络，特别是简单、灵活与可靠的家庭网络日益受到人们的关注。

作为一种开放性的短距离无线通信技术，蓝牙技术将是家庭网络低速率数据传输的最佳解决方案。

蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM（工业，科学，医学）频段，由于该频段对所有无线电子系统都开放，Bluetooth设备会受到相当严重的干扰。

为此Bluetooth采用了快速跳频技术，以确保最大限度的削减来自其他设备的射频干扰。

文章首先介绍了蓝牙跳频系统中跳频序列的产生算法，接着以此算法为基础，以躲避干扰为目的，从提高系统抗干扰能力的角度出发，提出了一种改进的自适应跳频方案来进一步改善系统的性能，最后基于C语言和MATLAB工具对原跳频系统和改进后系统分别进行了系统仿真和性能分析，并对两个系统性能进行了比较。

仿真和分析比较结果表明，本文提出的改进方案大大提高了系统的抗干扰能力。

论文还研究了基于蓝牙技术无线家庭网络的实现，阐述了如何通过蓝牙网关来实现对家庭蓝牙信息家电的远程监控，以及家庭内的个人PC机和笔记本电脑等如何通过蓝牙网关访问Internet。

本文详细介绍了蓝牙网关的实现，文章从实现蓝牙网关所需的蓝牙应用模型――局域网接入应用模型着手，论述了如何从软件上完成蓝牙协议和基于主机蓝牙上层应用程序的开发，直至最终实现局域网接入应用模型。

关键词：

蓝牙，家庭网络，蓝牙网关，局域网接入，跳频算法，自适应。

Abstract

WiththerapidpopularizationofPCandInternetinthehome,andimprovementoftheintelligentizeddegreeofinformationhouseholdappliances,HomeNet,especiallysimple,flexibleandrobustHomeNetisgettingmoreandmoreattention.Asashort-rangewirelesscommunicationtechnology,Bluetoothisoneofthebestsolutiontolow-ratewirelessHomeNetconnection.

Workingattheopening2.4GHzISMbandwhichisfreetobeaccessed,Bluetoothdeviceswillbeeasilyinterferedwithbyothersystems.ToinducetheRFinterferencefromothersystemsbythegreatestdegree,Bluetoothusesthefastfrequencyhoppingtechnology.Thehopselectionalgorithmisintroducedinthispaper.Andtoimprovetheperformanceofanti-interference,animprovedadaptivefrequencyhoppingschemeissuggestedonthebasisoforiginalalgorithm.Tocomparetheanti-interferenceperformancebetweentheoriginalandimprovedsystem,systememulationandperformanceanalysisisimplementedbyusingClanguageandMatlab.Theresultofemulationandanalysisshowsthattheimprovedschemeputforwardbythepapergreatlyenhancesthesystem’santi-interferenceperformance.

TheotherpartofthispaperdiscussestheresearchandrealizationoftheBluetooth-basedHomeNet,includinghowtorealizelong-distancecontroltotheinformationhouseholdappliancesthroughInternet,andhowthePCorportablecomputerintheHomeNetaccessesInternetthroughBluetoothgateway.TherealizationofBluetoothgatewayisemphasized.CommencingontheBluetoothapplicationprofile–LANAccessProfile,thepaperdiscussesuntiltheimplementofBluetoothprotocolsandhighlayerBluetoothapplicationprogrammingtothefinalrealizationofLANAccessProfileindetail.

Keywords:

Bluetooth,HomeNet,Bluetoothgateway,LANAccess,hoppingalgorithm,adaptive.

目录

摘要I

AbstractII

第一章前言1

1.1引言1

1.2家庭网络连接技术1

1.2.1有线家庭网络连接技术1

1.2.2无线家庭网络连接技术2

1.3基于蓝牙技术的无线家庭网络3

1.4本论文研究的主要内容3

第二章蓝牙有关协议5

2.1蓝牙协议体系及应用模型5

2.2蓝牙协议和PPP协议7

2.2.1蓝牙协议7

2.2.2PPP协议15

2.3小结17

第三章蓝牙跳频算法的分析与改进18

3.1蓝牙系统对跳频伪随机序列的要求18

3.2蓝牙系统跳频序列算法18

3.3系统改进方案20

3.4系统仿真及性能分析22

3.4.1跳频序列均匀特性分析22

3.4.2系统抗干扰性能分析23

3.5小结28

第四章蓝牙家庭网络的设计和实现29

4.1家庭网络的远程控制方案29

4.2蓝牙PC机的Internet接入30

4.2.1实现蓝牙网关所需应用模型——局域网接入31

4.2.2LAP（蓝牙网关）的实现设计33

4.2.3蓝牙软件开发环境35

4.2.4蓝牙协议的实现37

4.2.5蓝牙RFCOMM连接的软件实现39

4.2.6蓝牙局域网接入应用规范的最终实现44

4.3小结45

结束语46

参考文献47

作者攻读学位期间公开发表的文章50

致谢51

第一章前言

1.1引言

网络技术正以前所未有的速度渗入普通家庭，无处不在的网，无处不在的计算（Everythingconnecting,Everythingcomputing）成为当今计算机技术的潮流，同时也带来了家居环境的变革，PC、PDA以及数字相机、蜂窝电话、数字电视开始涌入家庭；具有信息访问功能的微波炉、冰箱及空调等各种数字化消费电子产品也将出现在人们的视野。

Internet带来了无限的信息流通、快速便利的信息交换以及远端信息存取控制等好处，浩瀚的网络信息使人们把Internet访问、电子邮件、个人商务以及网上购物等作为购买电脑的主要目的。

为了在家中更方便地获取信息、通信或娱乐，人们开始将所有这些信息家电（InternetInformationAppliance）连接成无线或有线的网络；通信、计算机与消费电子（3C的结合）的进一步融合，必将带来数字化、智能化、网络化的信息家电的更快发展。

家庭网络开始在生活中扮演越来越重要的角色，一场由家庭网络引发的新的革命悄然兴起。

家庭网络是指将个人电脑、信息家电、三表（水表、电度表、煤气表）、照明系统及安全报警系统连接在一起而构成的网络。

它在家庭内部能够实现各信息家电联网，对外部能够接入智能小区网络和Internet。

人们所关注的最后一公里的问题，实际上仅仅解决了一半，家庭网络才是宽带连接最后一百码需要完成的任务。

1.2家庭网络连接技术

家庭网络的连接技术有四类，它们分别是：

传统局域网络、电话线网络、电力线网络和家庭无线网络。

也可将其划分为有线和无线两大类。

1.2.1有线家庭网络连接技术

传统局域网连接建立在IEEE802.3标准的基础上，使用以太网的形式，通过双绞线或同轴电缆传输信号，速度从10Mbps到100Mbps不等，具有较高可靠性，广泛地应用于商业企业中。

但是成本太高，安装维护困难，家庭网络中很少采用这种方案。

基于电话线的家庭网络具有廉价、简单、成熟的特点，发展最为迅速。

其遵循的协议是HomePNA（HomePhonelineNetworkingAlliance）标准。

HomePNA2.0版本已经于1999年下半年发布，其速率是10Mbps。

HomePNA规范与现存Internet访问技术兼容，如V.90、ADSL或CableModem。

电源线网络的最大好处是用户无须为组建家庭网络重新布线投资，居室内随处可见的电源插座都可以用来连接任何一台信息电器设备，可以节约大量的人力、物力和财力。

随着HomePlug标准的建立，电源线网络将有统一的技术规范进一步消除来自电力系统的低频噪音干扰，将有着十分诱人的发展前景。

1.2.2无线家庭网络连接技术

无线家庭网络的最大优点是可移动性，可以省去各种专用的连接电缆，为可移动设备接入家庭网络提供了很大便利，网络中设备的位置更加灵活。

目前主要的无线网络技术有IrDA、HomeRF、IEEE802.11b和Bluetooth（蓝牙）。

IrDA（InfraredDataAssociation）工作距离1米，速度为115Kbps，传输角度只有30度，超过这个角度在传送数据时两个接口必须正对，各设备之间不可以有固体障碍。

HomeRF[3]主要针对家庭网络进行设计，旨在降低语音数据成本，它制定了一种共享无线访问协议（SWAP）。

HomeRF工作在2.4G频段，支持数据和语音，其数据通信采用简化的IEEE802.11b协议标准，进行语音通信时采用DECT（DigitalEnhancedCordlessTelecommunication）标准，使用TDMA的时分多址技术。

HomeRF采用跳频扩频（FHSS）技术，跳频速率为50跳/秒，共划分了75个带宽为1MHz的跳频信道。

调制方式分为2FSK和4FSK两种，采用2FSK时传输速率为1Mbps，采用4FSK时最大速率可达到2Mbps。

每个网络支持27个设备联网，发射功率为100mW，并且提供了与TCP/IP良好的集成。

HomeRF最大的缺点是开放性不够好，技术标准没有公开，而且技术本身的抗干扰性也比较差。

IEEE802.11b[4]协议集中在ISO模型的物理层和MAC层上，工作在2.4GHz频段，采用补偿码键控制调制技术（CCK），发射功率最高为100mW（20dBm）。

它的最高速率可以达到11Mbps，当射频情况变差时，数据传输速率将降低到5.5Mbps、2Mbps和1Mbps。

802.11b在MAC层采用碰撞避免的载波检测多路访问（CSMA/CA）或分布式协调功能（DCF）。

该标准的设计目标决定了它比较适合于在布线代价较高的企业内部构建无线网络，而不适合家庭网络的组建。

蓝牙技术[1]使用2.4GHz全球通用的ISM（工业、科研和医疗）频段，为了减少干扰，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定、抑制干扰和防止衰落。

蓝牙采用跳频技术，以每秒1600跳的频率在79个跳频通路内跳频，使干扰可能的影响变成很小。

另外，它还使用FEC（ForwardErrorCorrection，前向纠错）来抑制了长距离链路的随机噪音。

蓝牙的数据传输总速率为1Mbps，以时分多路制式实现双工通信。

蓝牙发射时，无线输出功率为0dBm，通信距离可达10m，若加上放大器，通信距离可达100m。

接收机的灵敏度不可低于－70dBm。

1.3基于蓝牙技术的无线家庭网络

家庭网络发展的方向必将是无线网络，和其它三种无线连接技术相比，蓝牙是家庭网络低速率数据传输的最佳解决方案，它本身具有的系统健壮性、低复杂性、低性能、低成本等优点使得该技术适合于不同的场合；而且由于蓝牙技术标准的开放性，显示了更大的优越性。

为此，对基于蓝牙技术的无线家庭网络进行研究具有极大的理论和实际意义，必将极大的推动信息产业的发展。

本文主要对基于蓝牙技术的无线家庭网络进行研究，图1.1所示即为基于蓝牙技术的HomeNet的组成方案。

图1.1基于蓝牙技术的HomeNet组成方案

由图1.1我们可以看出蓝牙家庭网络主要由蓝牙网关和蓝牙终端设备组成。

蓝牙终端设备可以分为三类：

蓝牙家庭安保类设备（摄像机等），蓝牙信息家电（蓝牙微波炉、蓝牙空调等），蓝牙PC机及其外围设备。

蓝牙网关是家庭网络中的核心，同时也是和外部公用网络互联的接口。

它具体实现两个功能：

一、蓝牙网关是家庭网络的组织者，它利用蓝牙技术将家庭中的信息设备组成一个Piconet网；二、蓝牙网关是蓝牙家庭网络访问外部公共网络的接入点，是蓝牙协议与LAN协议转换的接口。

家庭网络可以通过网关与户外的各种网络互连，这种连接可以采用有线或无线方式，有线方式有传统的Modem，和最新的Cablemodem、ADSL技术、数据广播技术等，无线的方式有WAP，LDMS等。

1.4本论文研究的主要内容

本课题是上海市科委2001年度重大课题“无线接入技术”的子课题“蓝牙技术应用研究”，主要针对基于蓝牙技术的无线HomeNet进行研究。

蓝牙工作在2.4GMHzISM公用频段，时常会遇到不可预测的干扰，为此蓝牙采用了快速跳频技术。

论文研究了蓝牙系统的跳频产生算法，并以此算法为基础，从提高系统抗干扰能力的角度出发，提出一种改进的自适应跳频方案来进一步改善系统的性能，接着基于C语言和MATLAB工具对原跳频系统和改进后的跳频系统分别进行了系统仿真和性能分析，并对两个系统的抗干扰性能进行了比较。

论文还研究了基于蓝牙技术无线家庭网络的实现，阐述了如何通过蓝牙网关来实现对家庭蓝牙信息家电的远程监控，以及家庭内的个人PC机和笔记本电脑等如何通过蓝牙网关访问Internet。

其中重点研究了蓝牙网关的实现技术，论文从实现蓝牙网关所需的蓝牙应用模型――局域网接入应用模型着手，论述了如何从软件上完成蓝牙协议和基于主机蓝牙上层应用程序的开发以及协议的转换，直至最终实现局域网接入应用模型。

论文的章节编排如下：

第一章简要讲述了基于蓝牙技术无线家庭网络的组成以及本论文的主要研究内容。

第二章介绍了蓝牙有关协议。

第三章分析了蓝牙系统跳频序列的产生算法，并在原跳频算法的基础上，提出了一种改进的自适应跳频方案来进一步提高系统的抗干扰能力，接着基于C语言和MATLAB工具对原跳频系统和改进后的系统进行了系统仿真和性能分析。

仿真和分析比较的结果表明，改进后的跳频系统大大提高了系统的抗干扰能力。

第四章详细阐述了基于蓝牙技术家庭网络的设计和实现方案，其中重点分析了蓝牙网关的实现。

第二章蓝牙有关协议

2.1蓝牙协议体系及应用模型[6][7]

蓝牙协议的目标是允许遵循协议的应用可以进行互操作，整个协议栈包括蓝牙指定协议和非蓝牙指定协议（应用层协议），设计协议和协议栈的主要原则是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议和蓝牙协议之间的互通性。

蓝牙协议的开放性保证了设备制造商可自由地选用其专利协议和公共协议，在蓝牙协议的基础上开发新的应用。

完整的蓝牙协议栈结构如图2.1所示。

图2.1蓝牙协议栈

整个蓝牙协议体系结构可分成三大部分：

底层硬件模块、中间协议层和高层应用层。

底层硬件模块包括射频层RF（RadioFrequency）、基带BB（Baseband）部分和链路管理协议LMP（LinkManagerProtocol）。

中间协议层包括逻辑链路控制和适应协议L2CAP（LogicalLinkControlandAdaptationProtocol）、服务发现协议SDP（ServiceDiscoveryProtocol）、电缆替代协议协议RFCOMM和二元电话控制协议TCSBIN（TelephonyControlProtocol）。

高层应用层都是一些现成的协议，包括PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP等。

除了上述协议层以外，蓝牙协议还定义了主机控制接口HCI，它为基带控制器、链路管理器、硬件状态和控制寄存器提供接口命令。

不是任何应用都必须使用全部协议，但是除了语音之外的所有应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。

在后面的章节中，我们将介绍协议栈中的一部分协议。

蓝牙协议栈的最上部显示了各种应用模型。

蓝牙SIG定义了几种基本的应用模型，包括：

文件传输、因特网网桥、局域网接入、同步、三合一电话和终极耳机。

为了保证蓝牙设备之间的互操作性，蓝牙SIG定义了13种应用规范（Profile），应用规范阐述了为了实现一个特定的应用模型，各层协议间的运转协同机制。

每种Profile都从协议栈中选取不同的协议组合来完成特定的功能，每一种应用模型对应一个或多个应用规范。

图2.2给出了蓝牙应用规范结构和相依性。

图2.2应用规范结构

如图所示，通用访问应用规范是其他所有应用规范的基础，位于应用规范结构的最低层，它和串口应用规范，业务发现应用规范及通用对象交换应用规范一起构成了蓝牙各种应用模型的基础，称为通用应用规范。

其它的则称为特定应用规范，都直接或间接的依赖于通用应用规范，如局域网接入应用规范（LANAccessProfile）就建立在串口应用规范（SerialPortProfile）的基础上。

其中无绳电话应用规范和对讲机应用规范又被称为电话管理协议二进制应用规范，直接依赖于通用访问应用规范。

2.2蓝牙协议和PPP协议

这一小节我们对局域网接入应用规范协议栈中所用到的蓝牙协议和PPP协议作一个详细的说明。

2.2.1蓝牙协议[1][6][7]

一、基带协议（BaseBand）

基带部分和射频部分一起工作，控制数据分组在指定的时隙和指定频率上发送。

蓝牙的射频系统是一个跳频系统，分组在指定时隙、指定频率上发送，使用查询和寻呼进程实现不同蓝牙组件的发送频率和时钟的同步，为数据分组提供两种连接方式：

面向连接（SCO）和无连接（ASL），并完成前向纠错（FEC）、循环冗余校验（CRC）和数据加密。

蓝牙基带协议是电路交换和分组交换的融合，因此既适合传送实时话音也适合传输数据，话音通道可支持64kb/s的同步连接，异步通道可支持不对称连接，一个方向的速率可高达721kb/s，而另一个方向速率允许为57.6kb/s。

1、物理信道和物理链路

蓝牙技术的特点体现在底层技术，而基带层是底层中的关键技术之一。

注意蓝牙基于微微小区机制，需具备强壮性、低复杂度、低功率、低成本的特点，而这在基带层技术中有所体现。

蓝牙采用跳频技术，每秒1600跳，从时间域看即每个时隙长度是625μs，即每个时隙从79个信道中选择一个。

时隙编号0～（227－1），即跳频序列以227进行循环（有关蓝牙跳频的算法将在后面章节进行详细讨论研究），分组传输采用时分双工（TDD）交替传输方式。

蓝牙既支持电路型数据，也支持分组型数据；既支持点对点连接，也支持点对多点连接。

在一个微微网络（Pieconet）中，一个单元作为主设备（Master）单元，其他作为从设备（Slave）单元，最多可以有7个从设备；但是允许有更多从设备与主设备保持在Park状态。

从设备对信道的接入由主设备控制。

微微网络在覆盖上可以有重叠：

每个网络有各自的跳频方案，一个网络的主设备可以同时作为另一个网络的从设备；一个从设备可以属于多个网络。

主设备向从设备发送数据只能占用偶时隙，反之从设备只能在奇时隙才能向主设备发送数据。

分组起始位置与时隙起始点相吻合。

一个分组（Packet，实际上更习惯的说法是帧，因为在基带层其地位类似于OSI的第二层、部分涉及物理层，分组的确切用法在第三层，但是蓝牙基带层规范中采用Packet术语）的传送最多可以占用5个时隙，在一个分组的传送期内，维持初始时隙所占用的信道而不再跳频。

TDD和定时工作方式如图2.3所示：

图2.3主从单元传输分组时序图

在主从设备之间，有两种不同类型的链路，即同步面向连接SCO（SynchronousConnection-Oriented）链路和异步无连接ACL（AsynchronousConnection－Less）链路。

SCO是点到点链路，主设备在周期性的保留时隙上维持SCO；ACL是点到多点链路。

主设备可以利用SCO未占用的时隙建立ACL链路，从设备可以同时参与SCO和ACL。

SCO具备双向对称性，可以看作电路型连接，通常用于支持语音等实时业务。

主设备可与一个或多个从设备建立多达3个的SCO链路；一个从设备也与多个主设备建立SCO链路（最多3条）。

SCO分组不采用重传机制。

SCO链路的建立通过主设备发送LMP的SCOsetup消息，该消息中包含了Tsco和Dsco等参数。

Dsco用于标识SCO开始的时隙相对数，而Tsco用于表示时隙的重复周期。

未被SCO占用的时隙可用于ACL，在一对主从设备之间只有一条ACL。

ACL的分组传送用重传机制以确保正确性。

只有当主设备在发往从设备的分组中以某种方式允许某从设备发送数据时，该从设备才能在规定时隙发送数据。

ACL支持广播。

2、分组组成和分组类型

蓝牙基带层每个分组由3部分组成，即接入码（ACCESSCODE）、头（HEADER）、负载（PAYLOAD）。

如图2.4所示：

图2.4蓝牙标准分组格式

其中接入码和头字段为固定长度，分别为72比特和54比特；负载是可变长度，从0～2745比特不等。

一个分组可以仅包含接入码字段（此时为缩短的68比特），或者包含接入码与头字段，或者包含全部3个字段。

接入码有三种类型：

ChannelAccessCode（CAC）、DeviceAccessCode（DAC）和InquiryAccessCode（IAC）。

CAC用于标识一个Piconet，所有在该Piconet中传送的分组都包含CAC；DAC用于特殊的信令过程，如寻呼和响应寻呼；IAC又分为General（GIAC）和Dedicated（DIAC）两类：

GIAC对该区域内所有设备都是一样的，用于发现其它的蓝牙单元；DIAC用于根据某种特性划分特定用户群。

分组头包含链路控制信息，由6个字段组成：

AM－ADDR、TYPE、FLOW、ARQN、SEQN和HEC，共18个比特，采用1/3比例的FEC（前向纠错码）进行保护，编码保护后一共是54比特。

在主