基于蓝牙技术的家庭无线网络的设计与组建

　　1 家庭无线网络

　　随着大众生活水平的不断提高，拥有两台以上pc的家庭已经很平常了，有的家庭笔记本加台式机多达5~6台。以往，家用电脑的形态主要是台式机，现在，许多 家庭在台式机之外，又添置了笔记本、pda、dc或dv，通过家用无线网络，把这些产品联接起来，不仅可在家中享受无线网络的乐趣，而且解除了布线以及影响居室美观等许多烦恼。

　　近两年，上网费不断下调，100元左右包月不限时上宽带，已在许多城市和地区得以普及。因此，家庭无线局域网的需求正在悄然增长，并且将形成一个最具增长潜力的大市场。同时由于当前社会it行业相关技术的迅猛发展不断给我们的日常生活带来很大的方便，pc、dvd、手机、pda、数码相机等对于普通家庭已经不是什么新鲜物，但是细心的你会发现，现在的住宅小区除了外观漂亮些之外，其他方面和10年前没有什么两样:冰冷的防盗门窗、每月上门的三表收费、家里 密密麻麻的管线和开关……。于是，很多的公司就看到了这方面蕴藏的巨大商机，提出了"smart home"的概念，开始了智能家居的开发，他们给我们描绘了一副非常完美的未来家庭生活场景:无论你在什么地方，可以通过手机或者internet控制家 里的一切电器设备;回到家中，只要拿一个手持液晶面板，就既可以上网去购物、浏览、娱乐，又可以操纵家电;当有什么安防问题时，家庭智能终端就会直接向社区中心当发送报警信号;业主在家中可用ic卡来支付物业、水电等费用;而且现在那些复杂的布线和开关都会被安全美观的无线设备所取代。在形形色色的家居智 能化系统中，无线解决方案是被受关注的一个重要方面，蓝牙、红外、ieee802.11b、homerf、hyperlan等无线网络技术都有厂家采用，其中蓝牙技术以其独特的优势;统一的全球标准，很好的互操作性，非常方便地实现快速、灵活、安全、低成本、低功耗的数据和语音通信，成为家庭无线网络方案中的一个巨大亮点。

　　2 蓝牙技术

　　2.1 蓝牙简述

　　蓝牙(bluetooth)技术是在1998年，由爱立信、ibm、intel、诺基亚和东芝等公司联合推出的一项无线网络技术。随后这五家公司组建了一个特殊兴趣组织(sig)来负责此项技术的开发。1999年7越份蓝牙sig推出了蓝牙协议的1.0版，从而将其推向应用阶段，2001年1月又推出蓝牙 协议1.1版，如今，sig已经拥有9个成员，近100个辅助商和2000多家参与者，同时越来越多的相关公司和个人正在积极申请加入该组织。

　　蓝牙的载波选用在全球公用的2.4ghz工科医学(ism)频带，并采用跳频扩谱技术(fhss)。跳频速率为1600次/s，以2.45ghz为中心频率最多可得到79个1mhz带宽的712kb/s，传输距离为10m。语音传输采用连续可变斜率调制编码(cvsd)技术，通信协议则采用时分多址 (tdma)协议。遵循bluetooth协议的各类数据和语音设备都能够以无线方式接入到公共网络系统中。

　　蓝牙系统以点到点ppp(point-to-point protocol)连接为基础，用无线方式将若干蓝牙设备连接成一个微型网络(piconet)。每个piconet的蓝牙装置组成为一个主设备 (master)和若干个从设备(slave)，主设备负责通信协议的运作，提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元接收主设备单元的控制，主从设备采用统一调频序列。mac地址用3位来表示，即在一个匹克网内可寻址8个设备(互联的设备数量实际是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为 主，7个为从)，此外，蓝牙系统还支持点到多点的通信构成分布式网络(scatternet)，即1个主设备可以是其他piconet的从设备，每个从设 备也可以是其他piconet的主设备。具体来讲，蓝牙系统所用技术实际上是一种短距离无线电技术，使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络

　　2.2 蓝牙技术的特点

　　(1) 工作频段:2.4ghz的工科医(ism)频段，无需申请许可证。大多数国家使用79个频点，载频为(2402+k)mhz(k=0，1, 2…78)，载频间隔1mhz。采用tdd时分双工方式。

　　(2) 传输速率:1mb/s。

　　(3) 调试方式:bt=0.5的gfsk调制，调制指数为0.28-0.35。

　　(4) 采用跳频技术:跳频速率为1600跳/秒，在建链时(包括寻呼和查询)提高为3200跳/秒。蓝牙通过快跳频和短分组技术减少同频干扰，保证传输的可靠性。

　　(5) 语音调制方式:连续可变斜率增量调制(cvsd，continuous variable slope delta modulation)，抗衰落性强，即使误码率达到4%，话音质量也可接受。

　　(6) 支持电路交换和分组交换业务:蓝牙支持实时的同步定向联接(sco链路)和非实时的异步不定向联接(acl链路)，前者主要传送语音等实时性强的信息，后 者以数据包为主。语音和数据可以单独或同时传输。蓝牙支持一个异步数据通道，或三个并发的同步话音通道，或同时传送异步数据和同步话音的通道。每个话音通道支持64kbps的同步话音;异步通道支持723.2/57.6kbps的非对称双工通信或433.9kbps的对称全双工通信。

(7) 支持点对点及点对多点通信:蓝牙设备按特定方式可组成两种网络:微微网(piconet)和分布式网络(scatternet)，其中微微网的建立由两台设备的连接开始，最多可由八台设备组成。在一个微微网中，只有一台为主设备(master)，其它均为从设备(slave)，不同的主从设备对可以采用不 同的链接方式，在一次通信中，链接方式也可以任意改变。几个相互独立的微微网以特定方式链接在一起便构成了分布式网络。所有的蓝牙设备都是对等的，所以在蓝牙中没有基站的概念。

　　(8) 工作距离:蓝牙设备分为三个功率等级，分别是:100mw(20dbm)、2.5mw(4dbm)和1mw(0dbm)，相应的有效工作范围 为:100m、10m和1m。

　　2.3 蓝牙协议(protocol)体系结构

　　蓝牙协议规范设计的目标是允许遵循规范的应用能够相互间的操作。为了实现互操作性，在相互通信的设备上的对应应用程序必须以同一协议栈运行。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，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用识别间的互通性，并充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。

　　整个蓝牙协议栈可分为四层:

　　(1) 核心协议:基带、lmp、l2cap、sdp

　　(2) 电缆替代协议:rfcomm

　　(3) 电话传送控制协议:tcs二进制、at指令集;

　　(4) 可选协议:ppp、udp/tcp/ip、obex、wap、vcard、vcal、irmc、wae。

　　除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口(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命令接口。hci可以位于l2cap的下 层，也可位于l2cap上层。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可自由地选用其专利协议或常用的公共协议，在蓝牙技术规范基础上开发新的应用。由于蓝牙技术独立于不同的操作系统和通信协议之外，可以移植到许多应用领域，因而应用场合很普遍。蓝牙力求与不同的操作系统和通信协议有良好的接口，从而保证一 定的兼容性。蓝牙技术适用于任何数据、图像、声音等短距离通信场合。目前所能看到的应用有:替换蜂窝电话和远端网络之间的通信时所用的有线电缆;提供新的 多功能耳机，并可在pc、蜂窝电话、随身听中共同使用;笔记本、pda、蜂窝电话之间的名片数据交换等。图1是完整的蓝牙协议栈模型:

　　2.4 蓝牙应用规范

　　任何蓝牙设备之间的通信的建立都需要查询、建立连接、鉴权、通信几个过程。下面以lap(lan access point)为例阐述它的通信过程:

(1) 当移动数据终端的某个应用要求接入局域网时，它先启动业务发现协议(sdp)，向可以有回应的lap发出查询请求。lap此时作为sdp server具有一个业务发现数据库(sdp data-base)，里面记录着接入点可以提供的服务及其属性，sdp机制可以提取建立rfcomm连接需要的所有服务信息。数据终端查询到可用的服务信息后，就可以开始建立连接(如果发现没有需要的服务，就放弃本次的连接请求)。

　　(2) 如果没有现存的基带物理链路，则要与所选的lap建立一条物理链路。之后，设备进行低层的鉴权和加密密钥商议。

　　(3) 设备终端由低层向上，逐层建立l2cap/rfcomm/ppp连接。这里，ppp层提供了一种可选的高层的鉴权机制。同时，用适当的ppp机制来协商数 据终端使用的ip地址。

　　(4) 连接建立之后，数据终端的上层应用就可以在ppp连接上传送ip数据流了。

　　(5) 任何时候，dt(数据终端)和lmp都可以终止已建立的连接。连接拆除各层的操作顺序与建立时刚好相反。

　　3 家庭无线网络系统设计方案

　　3.1 概述

　　家庭网络中的信息设备按功能和所具有的智能程度一般可以分为三种:高智能信息家电如pc、pda、手机等;视频、音频或语音通信设备，如电视、无绳电话、音响等;一般电器设备，如洗衣机、冰箱、微波炉、空调等。由于它们各自的功能不同，它们之间的通信也具有不同特点:

　　(1) 距离短—家庭的通信距离一般情况下只有10m左右，最多也不会超过100m。

　　(2) 多媒体—有对普通家电(如冰箱、空调)的监控信息，还有无绳电话和母机的语音通信，便携式pc和桌面pc的数据通信以及和影音 设备的图像设备等。

　　(3) 通信速率要求差别大—对于一般电气设备的监控，速率可以比较低:对于实时的语音通信，一般至少需要10kb左右的速率才能保证通信质量，图像和视频通信则要求更高。

　　(4) 固定和移动结合—有些家电设备是很少搬动的，而另外一些信息设备就有移动通信的要求，但<