無線藍芽技術(Bluetooth) B90901143 電機四 盧彥廷.

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1 無線藍芽技術(Bluetooth) B 電機四 盧彥廷

2 大綱 起源與特色 應用層面 核心技術 與其他無線網路比較

3 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 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

4 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)

5 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

6 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

7 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

8 大綱 起源與特色 應用層面 核心技術 與其他無線網路比較

9 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

10 大綱 起源與特色 應用層面 核心技術 與其他無線網路比較

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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

18 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

19 大綱 起源與特色 應用層面 核心技術 與其他無線網路比較

20 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 b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 b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

21 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

22 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

23 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 天瀚產品介紹