第十六章 Bluetooth 網路 16-1 Bluetooth 技術簡介 16-2 Bluetooth 網路特性

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1 第十六章 Bluetooth 網路 16-1 Bluetooth 技術簡介 16-2 Bluetooth 網路特性
16-5 無線電 (Radio) 規格 16-6 基頻 (Baseband) 協定 16-7 基頻實體通道 16-8 基頻封包格式 16-9 基頻數據資料封包 16-10 基頻語音封包 16-11 基頻通道控制封包 16-12 基頻鏈路控制狀態 16-13 鏈路管理協定 (LMP) 16-14 邏輯鏈路控制與調協協定 (L2CAP) 16-15 L2CAP 封包格式與介面

2 16-1 Bluetooth 技術簡介 Bluetooth 的緣由 Bluetooth 所能提供之服務範例 Bluetooth 服務功能
『藍芽』(Bluetooth) 系取自 10 世紀丹麥國王 Harad II 名字 Bluerooth 官方網站： 短距離通訊為主要訴求 Bluetooth 所能提供之服務範例 三合一手機 無線耳機 互動式會議 整合電腦連線 數位化家電 Bluetooth 服務功能 資料與聲音的存取點 (Data and Voice Access Point) 取代連線 (Cable Replacement) 對等網路 (Ad Hoc Network)

3 16-2 Bluetooth 網路特性 Bluetooth 網路特性 傳輸速率：1 Mbps (同一 Piconet 內裝置共享)
網路範圍： 10 公尺左右 網路環境：一個 Bluetooth 最多含有 10 個 Piconet 網路，一個 Piconet 最多 8 個活動裝置 通訊頻段：2.4 GHz ISM 展頻技術：採用 FHSS 展頻技術，每秒跳躍 1600 次 媒介存取：採用主從式集中處理。 傳輸訊息：同時傳送語音與資料 編碼技巧： 語音：CVSD (Continuous Variable Slope Delta), 64 Kbps 數據資料：GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) 多工技術：採用分時雙工 (Time Division Duplex) 機制 連線方式： 同步連結導向 (Synchronous Connection-Oriented, SCO) 非同步非連接 (Asynchronous Connectionless Link, ACL)

4 16-3 Bluetooth 協定堆疊 (一) Bluetooth 協定標準 核心規格 (Core Specification)
 系統核心標準 草案規格 (Profile Specification) 各種應用環境標準

5 16-3 Bluetooth 協定堆疊 (二) 核心規格的協定堆疊 無線電 (Radio) 基頻 (Baseband)
鏈路管理協定 (Link Management Protocol, LMP) 邏輯鏈路控制與調適協定 (LLC and Adaptation Protocol, L2CAP) 服務發現協定 (Service Discovery Protocol, SDP)

6 16-3 Bluetooth 協定堆疊 (三) 協定堆疊範例

7 16-4 Bluetooth 網路架構 (一) Bluetooth 網路架構
由若干個 Piconet 網路 (最多 10 個) 組合成一較大的 Scatternet 網路 Piconet 網路 最多 8 個 Active 裝置 一個 Master 裝置負責管理媒介存取 相同的虛擬亂數序列 (PNS)

8 16-4 Bluetooth 網路架構 (二) Scatternet 網路 整合多個 Piconet 網路

9 16-5 無線電規格 Radio Specification 2.4 GHz ISM 頻段 每頻道 1 MHz 劃分為 79 個頻道
發射功率：分為 3 個等級 100 mW (20 dBm) 2.5 mW (4 dBm) 1 mW (0dBm) Topology Up to 7 simultaneous links in a logical star Modulation GFSK Peak data rate 1 Mbps RF bandwidth 220 kHz (-3 db), 1 MHz (-20 db) RF band 2.4 GHz ISM band RF carrier 23/79 Carrier spacing 1 MHz Transmit power 0.1 W Piconet access FH-TDD-TDMA Frequency hop rate 1600 hops/s Scatternet access FH-CDMA

10 16-6 基頻協定 (一) Basedband Protocol Bluetooth 技術核心
位於無線電協定與 L2CAP 會 LMP 協定之間

11 16-6 基頻協定 (二) 裝置位址型態之類別 AR_ADDR : 存取要求位址 (Access Request Address)
BD_ADDR：藍芽裝置位址 (Bluetooth Device Address) 較低位址部分 (Lower Address Part, LAP)  CAC (Channel Access Code) (Master) DAC (Device Access Code) (Slave) 較高位址部分 (Upper Address Part, UAP) Master 的跳頻順序 未定義位址部分 (Non-signification Address Part, NAP) AM_ADDR：活動組員位址 (Active Member Address) Slave：由 Master 指定 Master : 固定為 000 PM_ADDR ：停放組員位址 (Parked Member Address) 8 位元   (256 個組員) 由 Master 指定 AR_ADDR : 存取要求位址 (Access Request Address) 並非唯一識別值

12 16-7 基頻實體通道 (一) 基頻實體傳輸技術 (1)
跳頻分時雙工 (Frequency Hopping-Time Division Duplex, FH-TDD) 每秒跳躍 1600 次 Master-to-Slave 時槽：偶數時槽 Slave-to-Master 時槽：奇數時槽

13 16-7 基頻實體通道 (二) 基頻實體傳輸技術 (2) 多時槽傳送方式

14 16-7 基頻實體通道 (三) 基頻實體鏈路 (1) 同步連接導向連線 (Synchronous Connection-oriented, SCO) Slave 與 Master  之間固定連線 佔用固定時槽 傳送語音封包使用

15 16-7 基頻實體通道 (四) 基頻實體鏈路 (2) 非同步非連接連線 (Asynchronous Connection-Less, ACL) 利用 SCO 連線後之空閒時槽傳送 由 Master 分配 Slave  傳送時機 ACL 與 SCO 同時存在

16 16-8 基頻封包格式 (一) Bluetooth 封包格式 (1) 存取碼 (Access Code) 標頭 (Header)
通道存取碼 (Channel Access Code, CAC) 由 Master BD_ADDR 的 LAP 計算得來 裝置存取碼 (Device Access Code, DAC) 由 Slave BD_ADDR 的 LAP 計算得來 詢問存取碼 (Inquiry Access Code, IAC) 由被詢問 BD_ADDR 的 LAP 計算得來 標頭 (Header) AM_ADDR Type  (如下表所示) Flow ARQN SEQN HEC

17 16-8 基頻封包格式 (二) Bluetooth 封包格式 (2) 承載 (Payload) 單一時槽資料封包 多時槽資料封包 語音封包
SCO 連線傳送，固定一個時槽

18 16-8 基頻封包格式 (三) Bluetooth 封包類別 Code Physical Link Name Number of Slots
Description 0000 Common Null 1 沒有承載欄位，主要使用於接收端回應給傳送端 ARQN 或 Flow 旗號。無確認功能。 0001 Poll 沒有承載欄位，使用於 Mater 詢問 (Poll) Slave 時使用。有確認功能。 0010 FHS 展現傳送端的裝置位址及時序的特殊控制封包，使用於回應 Master 的 Paging Response、Inquiry Response，以及跳頻時序的同步。經 2/3 FEC 編碼。 0011 DM1 提供控制訊息，並且可攜帶使用這資料。16-bits CRC 及 2/3 FEC 編碼。 0101 SCO HV1 攜帶 10 Bytes 訊息，典型使用於 64 Kbps 語音傳輸，1/3 FEC 編碼。 0110 HV2 攜帶 20 Bytes 訊息，典型使用於 64 Kbps 語音傳輸，2/3 FEC 編碼。 0111 HV3 攜帶 30 Bytes 訊息，典型使用於 64 Kbps 語音傳輸，無 FEC 編碼。 1000 DV 組合 150 bits 資料與 50 bits 語音訊息，資料部份經 2/3 FEC 編碼。 0100 ACL DH1 攜帶 28 Bytes 資料，及 16-bits CRC，沒有 FEC 編碼。典型使用於高速資料傳輸。 1001 AUX1 攜帶 30 Bytes 資料，沒有 CRC及 FEC 編碼。典型使用於高速資料傳輸。 1010 DM3 3 攜帶 123 Bytes 資料，及 16-bits CRC，2/3 FEC 編碼。典型使用於高速資料傳輸。 1011 DH3 攜帶 185 Bytes 資料，及 16-bits CRC，沒有 FEC 編碼。典型使用於高速資料傳輸。 1110 DM5 5 攜帶 226 Bytes 資料，及 16-bits CRC，2/3 FEC 編碼。典型使用於高速資料傳輸。 1111 DH5 攜帶 341 Bytes 資料，及 16-bits CRC，沒有 FEC 編碼。典型使用於高速資料傳輸。

19 16-9 基頻數據資料封包 DM1 (Data-Medium Rate 1) 、DH1 (Data-High Rate 1)、DM3、DH3、DM5、DH5、AUX1 非對稱之最高傳輸速率 下行使用 DH5 封包 上行使用 DH1 封包 下行速率 = 339 * 8 * (1600 / 6 ) = Kbps 上行速率 = 27 * 8 * (1600 / 6) = 57.6 Kbps 對稱傳輸之最高速率 採用 DH5 封包 速率 = 339 * 8 * (1600 / 10 ) = Kbps Type Number of Slots User Payload (Bytes) FEC CRC Symmetric Max. Rate (Kbits) Asymmetric Max Rate (Kbits) Forward Reverse DM1 1 0 ~ 17 2/3 Yes 108.8 DH1 0 ~ 27 No 172.8 DM3 3 0 ~ 121 258.1 387.2 54.4 DH3 0 ~ 183 390.4 585.6 86.4 DM5 5 0 ~ 224 286.7 477.8 36.3 DH5 0 ~ 339 433.9 723.2 57.6 AUX1 0 ~ 29 185.6

20 Payload Header (Bytes)
16-10 基頻語音封包 HV1 (High Quality Voice 1) 、HV2、HV3、DV (Data Voice) 如使用 HV1，則佔滿所有通訊連線 (SCO) 如使用 HV3，則每 6 個時槽佔用 2 個時槽 (SCO)，還可建立其它連線 (SCO 或 ACL) Type Payload Header (Bytes) User Payload (Bytes) FEC CRC Symmetric Max. Rate (Kbits) HV1 N/A 10 1/3 No 64.0 HV2 20 2/3 HV3 30 DV 1D 10+(0 ~ 10)D 2/3D YesD D

21 16-11 基頻通道控制封包 共同封包 (Common Packet) 基頻通道控制使用 處理裝置狀態變化使用
ID (Identify Packet) NULL (Null Packet) POLL (Poll Packet) DM1 (Data Medium Rate Packet) FHS (Frequency Hop Synchronization Packet) 處理裝置狀態變化使用 FHS 封包格式

22 16-12 基頻鏈路控制狀態 (一) 鏈路狀態變化 Inquiry 狀態 Inquiry Scan 狀態
Inquiry Response 狀態 Page Scan 狀態 Master Response 狀態 Slave Response 狀態

23 16-12 基頻鏈路控制狀態 (二) 狀態變化處理程序 Inquiry Procedure Page Procedure

24 16-13 鏈路管理協定 (一) 鏈路管理協定(Link Management Protocol, LMP) 堆疊

25 16-13 鏈路管理協定 (二) LMP 協定之功能 安全服務 (Security Service)
時序與同步 (Time/Synchronous) 站台能力 (Station Capability) 模式控制 (Mode Control)

26 16-14 L2CAP 協定 (一) 邏輯鏈路控制與調適協定 (Logical Link Control and Adaptation Protocol, L2CAP) RFCOMM (Radio Frequency Communication) TCS (Telephone Control Specification) SDP (Service Discovery Protocol) Voice

27 16-14 L2CAP 協定 (二) 多工與邏輯通道 (1) 邏輯通道識別碼 (Logical Channel Identifier, CID) 通道傳輸型態： 資料通道 (Data Channel) 訊號通道 (Signaling Channel)

28 16-14 L2CAP 協定 (三) 多工與邏輯通道 (2) CID 識別碼分類 道類別 本地 CID 識別碼 遠端 CID 識別碼
連接導向 動態指定 非連接資料 0x0002（固定） 訊號 0x0001（固定）

29 16-14 L2CAP 協定 (四) 多工與邏輯通道 (3) 邏輯通道連接範例

30 16-14 L2CAP 協定 (五) 多工與邏輯通道 (4) 訊號通道與資料通道

31 16-15 L2CAP 封包格式及介面 (一) L2CAP 封包格式 Connectionless PDU
Connection-oriented PDU Signaling Command PDU

32 16-15 L2CAP 封包格式及介面 (二) L2CAP 封包分段與重組

33 16-15 L2CAP 封包格式及介面 (三) L2CAP 層次介面 Request Primitive
Indication Primitive Confirm Primitive Response Primitiv