無線藍芽技術(Bluetooth) B90901143 電機四 盧彥廷

大綱 起源與特色 應用層面 核心技術 與其他無線網路比較

藍芽的起源 一種無線通訊協定 歐洲中世紀丹麥國王名字 象徵與各規格技術互相協調溝通 1.同時支援circuit-switch的聲音跟packet-switch的數據 2.操作在ISM 2.4GHz上, 為避免與其他通訊系統干擾, 採頻率跳躍技術 3.10.2 x 14 x 1.6 mm, 功率1mW, 發射範圍10m 4.可同時連接另外7個Bluetooth設備, 週邊最多有255個設備standby

藍芽的特色 同時傳送語音與數據 操作在世界共通的頻段 低功率與低成本模組 聲音的Circuit switch, 資料的Packet switch 操作在世界共通的頻段 2.4GHz 低功率與低成本模組 1個chip 10 U.S. 1mW 可傳送範圍 10m 最大傳輸速率1M(有效傳輸速率721Kb/s)

藍芽的特色 優點: 價格便宜 操作容易 功率較低 缺點: 距離較短 速率較慢

藍芽的特色 支援多個藍芽設備互相連接 Piconet, Scatternet Piconet Scatternet Slave Slave Master Master Slave Scatternet

藍芽的特色 支援多個藍芽設備互相連接 1個Master, 7個Slave, 255個Park

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藍芽的應用 藍芽 Hi Fi 連線組 藍芽USB接收器 藍芽印表機接收器 藍芽耳機

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整體架構 最底層為偏重實體的電波發射層, 更高的階層分別為基層協定, LMP協定, L2CAP協定等等, 完整的藍芽通訊協定 架構可視為專門為藍芽設計的協定, 如定義新的LMP和L2CAP, 和既有的TCP/UDP協定互相組合而成

Radio階層協定 制定在ISM通用頻段上 發射功率 調變方式與技術 2.4000GHz~2.4835的整個83.5MHz 100mW, 2.5mW, 1mW 調變方式與技術 數位調變 1.ISM(Industry, Science, Medical), Bluetooth工作範圍在2.4000GHz~2.4835的整個83.5MHz 2.一般功率1mW, 傳輸距離10cm~10m, 100mW傳輸距離可以到100m 3.為增加信號傳輸效能以及減少傳輸後衰減, 低頻訊號跟高頻訊號結合, 這個高頻的無線電波內的相位, 頻率變化 隱含來源信號的內容, 稱為調變(Modulation), 原本的低頻信號稱為基頻(baseband), 與之結合的高頻信號稱為 載波(Carrier), Bluetooth內載波頻率為2.4GHz

數位調變 抗干擾能力強 支援多工(Multiplex)訊息傳輸 可進行編碼加密及壓縮 Bluetooth使用GFSK f1 為 0 1.數位調變評估方法:1.低SNR時可以有較低的BER 2.多重反射及衰減嚴重環境可正常運作 3.佔用少的頻寬 4.硬體設備價格便宜 2.GFSK是以頻率的正偏移來表示1, 負偏移表示0 f1 為 0 f2 為 1

Baseband階層協定 設備位址 BD_ADDR AM_ADDR PM_ADDR LAP UAP NAP 3bit 8bit MSB LSB Non-significant Address Part 16 bits Upper Address Part 8 bits Lower Address Part 24 bits AM_ADDR 3bit NAP UAP LAP 1.BD_ADDR如同網路卡的MAC, 為每個Bluetooth產品專有的硬體序號, 此為藍芽技術的運算核心 裡面包含跳頻序列,加密鑰匙等訊息 2.計算Channel Access Code時常用到 LAP數值, 因其是最為獨特的部分, 常用來代表整個BD_ADDR 3.AM_ADDR由三個位元組成, Master為000, 最多有七個Slave 4.PM_ADDR由八個位元組成, 最多可以容納256個Park Bluetooth設備 5.AR_ADDR是當Slave要從Park轉成Active時, 將此位址向Master要求可傳送的時槽 PM_ADDR 8bit

跳頻 輸入跳頻序列 跳頻速率每秒1600次 減少干擾 防止監聽 Channel 1 Channel 6 Channel 15 把很多資料不斷的從一個頻道跳到下一個頻道, 好處是即使在某個頻道受到干擾, 由於很快轉換頻道 所以所受到干擾有限, 而在不同的piconet, 由於用不同的序列所以不容易跳到一樣的頻道互相影響 Channel 15 減少干擾 Channel 45 防止監聽

錯誤控制 1/3FEC(Forward Error Correction) 2/3FEC(Forward Error Correction) 資料位元重複三次 2/3FEC(Forward Error Correction) 十個資料位元轉成十五個 ARQ(Automatic Repeat Request) ACK, NAK 1/3FEC是將每個資料位元在封包內重複三次, 編碼後位元數為原本三倍, 2/3FEC是將十個資料位元 經過多項式運算之後, 產生出15位元. FEC使得傳輸量增加, 有效資訊比例下降, 因此會針對不同連線 有不同的傳輸方法, SCO:1/3FEC, ACL:2/3FEC ARQ針對封包內的Payload進行保護, 其會檢查Header的HEC以及Payload的CRC看看有無錯誤, 檢查無誤傳回ACK, 有錯誤傳回NAK

高層通訊協定 L2CAP AT-command TCS Binary OBEX RFCOMM 聯絡Baseband 行動電話 傳統電話 紅外線 1.LMP協定:發出協定指令之後, 由Baseband內ACL連線上封包內的Payload負責傳遞 主要工作是建立與管理LMP連線:功能如下 Piconet Management: 管理Baseband內Piconet運作, 例如連接, 中斷, SCO與ACL連線建立與管理 Link configuration: 設定系統運作時的一些參數 Security functions: 傳遞驗證與編碼的訊號, 以及管理連結鑰匙 2.HCI介面位於LMP與L2CAP階層之間, 其介面的標準主要是定義主機控制Bluetooth模組的各個指令意義 3.L2CAP: 接收Baseband訊息並把資訊傳到上層(SDP, RFCOMM, TCS) 功能: 協商通道參數: 取得兩方設備都同意的通道參數 分段和重組 協定多工 3.RFCOMM主要是模擬傳統RS232的控制和資料信號, 凡是使用RS232介面的應用軟體, 也能操作在RFCOMM上 4.SDP市應用程式發現網路上有可用的服務以及這些服務特性的一種機制 5.TCS Binary用途在於使Bluetooth設備能與傳統的電話設備緊密結合 6.AT-command定義了控制行動電話和數據機的指令結合 7.OBEX: 支援紅外線協定 RFCOMM 支援RS232

安全保護機制 安全保護機制分三種模式 1: Non-secure 2: Service level enforced security 3: Link level enforced security 1.模式一代表沒有加入保護機制, 模式二是從高層的應用層來建立保護機制, 模式三是由連結層來建立 2.在應用層設定權限, 設定安全等級, 嘗試連線次數等 3.連結層包含驗證與編碼, 使用者自行設定Pin碼, 使用者在連線的兩個設備輸入各自的Pin碼後, Claimant與Verifier各自產生一組Private Link Key避免資料Pin碼外洩 開始重要訊息 Service level Link level

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與其他無線技術比較 Bluetooth vs HomeRF 由HomeRF Working Group在1998年提出 資訊家電 標準 藍芽 傳輸速率 1Mbit/s for 2FSK 2Mbit/s for 4FSK 1/Mbit/s 通道數目 同時支援6個 同時支援3個 傳輸距離 50m 10m 節點數目 128 8 1.無線網路距離遠, 傳輸速率快, Bluetooth則是適用將週遭電子設備互相連接 2.802.11b適合封包傳輸, 而Bluetooth擇同時定義Circuit以及Packet switch的傳輸方式 3.Bluetooth在未來可以壓縮的很小的體積, 價錢可望降低. 802.11b產品多為個人電腦及PDA 與Bluetooth取向不太一樣 4.HomeRF的構想也是為了將家中各種設備以無線電波連結起來

無線通訊標準應用場合 802.11b適用於辦公室內區域網路環境 HomeRF應用於各種家電連結 Bluetooth廣泛適用無線代替有線傳輸

三種技術整體比較 Bluetooth 802.11b HomeRF 市場定位 短距個人通訊 高階區域網路 家庭網路 利用頻率 2.4GHz 傳送速度 723kbps 11/5.5/2/1Mbps 0.8/1.6 Mbps 傳送距離 10/100M 100M 50M 語音的傳遞 yes no

參考資料 無線藍芽技術 禹帆編著 Communication System Haykin 4th Ed 無線藍芽技術 禹帆編著 Communication System Haykin 4th Ed http://www.aiptek.com.tw/chinese/product/bluetooth/bluetooth.htm 天瀚產品介紹