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物联网工程:物联网标准化体系中的Bluetooth技术标准

2022-3-23 13:44| 发布者: admin| 查看: 75| 评论: 0

摘要: 作者:弱电学习之家# 点击蓝字 关注我们 #Bluetooth在发展过程中,版本经历了多次变化。最新v4.0标准的低功耗特性,使得Bluetooth的推广进程大大加快。一Bluetoothv4.0标准的主要技术特点以Internet of things为目标 ...
作者:弱电学习之家
# 点击蓝字 关注我们 #



Bluetooth在发展过程中,版本经历了多次变化。最新v4.0标准的低功耗特性,使得Bluetooth的推广进程大大加快。



Bluetoothv4.0标准的

主要技术特点


以Internet of things为目标对v4.0进行的软件升级,在连接性的提升体现在如下方面(硬件层面上v4.0的设备无须做任何改动即可使用v4.1)。

1.批量数据的传输速度

Bluetooth4.1在已经被广泛使用的Bluetooth4.0 LE基础上进行了升级,使得批量数据可以以更高的速率传输。这一改进主要针对可穿戴设备。如健康手环,通过Bluetooth4.1发送的数据流能够更快速地将跑步、游泳、骑车过程中收集到的信息传输到手机等设备上,用户就能更好地实时监控运动的状况。

在Bluetooth4.0时代,所有采用了Bluetooth4.0 LE的设备都被贴上了Bluetooth Smart和Bluetooth Smart Ready的标志。其中,Bluetooth Smart Ready设备指的是PC、平板、手机这样的连接中心设备,而Bluetooth Smart设备指的是Bluetooth耳机、键盘、鼠标等扩展设备。之前这些设备之间的角色是早就安排好了的,并不能进行角色互换,只能进行1对1连接。而在Bluetooth4.1技术中,就允许设备同时充当Bluetooth Smart和Bluetooth Smart Ready两个角色的功能,这就意味着能够让多款设备连接到一个Bluetooth设备上。举个例子,一个智能手表既可以作为中心枢纽,接收从健康手环上收集的运动信息的同时,又能作为一个显示设备,显示来自智能手机上的邮件、短信。借助Bluetooth4.1技术,智能手表、智能眼镜等设备就能成为真正的中心枢纽。

2.长期睡眠下的自动唤醒功能

例如,手环与手机断开1小时后,再靠近,手环会自动和手机建立连接传输数据,不需要任何操作。

3.通过IPv6建立网络连接

Bluetooth设备只需要通过Bluetooth4.1连接到可以上网的设备(如手机),就可以与云端的数据进行同步。实现“云同步”不再需要WiFi连接。

表1所示为典型Bluetooth与低功耗Bluetooth的技术标准对比。

表1 典型Bluetooth与低功耗Bluetooth的技术标准对比

技术规范

典型Bluetooth

低功耗Bluetooth

无线电频率

2.4GHz

2.4GHz

距离

10m/100m

30m

空中数据速率

1~3Mb/s

1Mb/s

应用吞吐量

0.7~2.1Mb/s

0.2Mb/s

节点/单元

7~16777184

未定义

安全

64/128位及用户自定义应用层

128位AES及用户自定义应用层

强健性

自适应快速跳频,FEC,快速ACK

自适应快速跳频

发送数据总时间

100ms

<6ms

政府监管

全球

全球

认证机构

Bluetooth技术联盟(Bluetooth SIG)

Bluetooth技术联盟(Bluetooth SIG)

语音能力





网络拓扑

分散网

Star-bus

耗电量

1(参考)

0.01-0.5(视使用情况)

最大操作电流

<30mA

<15mA

服务探索





概念简介





主要用途

手机、耳机、游戏机、立体声音频流、汽车和PC等

手机、游戏机、PC、手表、健身、医疗保健、汽车、工业



Bluetooth标准协议简介


Bluetooth规范的核心部分是协议栈。这个协议栈允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据,并能实现互操作和交互式的应用。协议栈如图1所示。



图1 Bluetooth协议栈的重要组成部分

协议栈的各种单元(协议、层、应用等)在逻辑上被分成三组:传输协议组、中间件协议组和应用组。

1.传输协议组

传输协议组包括的协议主要用于使Bluetooth设备能确认彼此的相互位置,并且能创建、配置和管理物理以及逻辑的链路,以便使高层协议和应用经这些链路利用传输协议来传输数据。这个协议组包括无线、基带、链路管理器、逻辑链路控制和自适应协议以及主机控制器接口协议。

2.中间件协议组

为了在Bluetooth链路上运行应用,中间件协议组由另外传送协议构成。它包括第三方和业内的标准协议、SIG特别为Bluetooth无线通信而制定的一些协议。第三方和业内的标准协议包括与互联网有关的协议(如PPPJP和TCP等)、无线应用协议和红外数据协会(Infrared Data Association,IrDA)及类似组织所采用的对象交换协议等。SIG特别为Bluetooth无线通信而制定的一些协议包括三个专为Bluetooth通信制定的协议,以使种类繁多的另外一些应用能够在Bluetooth链路上运行。

3.应用组

应用组包括使用Bluetooth链路的实际应用。



传输协议组


图2给出了传输协议组的协议组织结构。



图2 传输协议组的协议组织结构

这些协议是SIG为在设备间承载语音和数据业务而开发的传输协议。

传输协议不仅支持数据通信的异步传输,同时还支持能达到电信级质量的(64kb/s)语音通信的同步传输。为了保持音频应用中所期望的高服务质量,音频业务被赋予了较高的优先级,不经过任何中间件协议层,直接从音频应用通到基带层上,然后以小分组的形式直接在Bluetooth的空中接口上传输。

1.L2CAP层

来自数据应用的业务首先被传递到逻辑链路控制和适配协议(Logical Link Control and Adaptation Protocol,L2CAP)层。L2CAP层为应用和更高层的协议屏蔽了下层传输协议的细节。这样,高层无线天线和基带层的频率跳变,也不需要知道在Bluetooth空中接口上传输的特殊分组格式。L2CAP支持协议的多路复用,允许多种协议和应用共享空中接口。它还能将高层使用的大分组拆分成基带可以传输的小分组,并在接收设备中完成对这些分组的相应组装过程。此外,通过协商一个可以接受的服务等级,两个对等设备中的L2CAP层能够方便地维护服务级别目标。根据需要的服务等级,一个L2CAP层的具体实现可以对新业务进行输入控制并与低层相互配合来维持这个服务质量。

2.链路管理层

每个设备中的链路管理器通过链路管理器协议(Link Manager Protocol,LMP)与Bluetooth空中接口协商能够得到的性能。这些性能包括为支持数据(L2CAP)业务所需的服务等级而分配的带宽,以及为支持音频业务而获得的周期性预留带宽。通信设备中的Bluetooth链路管理器采用查询-响应方式对设备进行鉴权,监视设备的配对(Pairing)(创建两个设备之间的信任关系,通过产生并存储一个鉴权密钥,用于今后的设备鉴权),并且在需要的时候对空中接口的数据流进行加密。如果鉴权失败,链路管理器可能会切断设备之间的连接,从而禁止这两个设备相互通信。由于能够通过交换参数信息,如低活动性基带模式的持续时间等,协商得到活动性较低的基带操作模式,因此链路管理器还可以支持功率控制。为了进一步保持功率,链路管理器也可以请求调整发射功率的大小。

3.基带和无线层

基带层决定和展示了Bluetooth的空中接口。同时,定义了设备之间相互查找的过程以及建立连接的方式。基带层为设备定义了主从连接方式。发起连接过程的这个设备是这个连接的“主控设备”。其他的设备是“从属设备”。基带还定义了如何形成通信设备所使用的跳频序列以及几个设备共享空中接口的有关规定,这些规定以时分双工(Time Division Duplex,TDD)为基础,采用了基于分组的查询方式。同时还定义了同步和异步业务共享空中接口的方式。基带层也规定了支持同步和异步业务的各种分组类型。同时定义了各式各样的分组处理过程,如检错、纠错、信号白化(signal whitening)、加密、分组的传输和重传。

主控设备和从属设备的概念不能扩展到比链路管理器应更高的层次上。在L2CAP层及其以上的各层中,通信是基于端到端的对等模型,不存在主控设备或从属设备的这种行为上的差异。

4.HCI层

主控制器接口(HCI)功能规范就是Bluetooth与主机系统之间的接口规范,提供控制基带与链路控制器、链路管理器、状态寄存器等硬件功能的指令分组格式以及进行数据通信的数据分组格式。

主机控制器接口提供一种访问Bluetooth硬件能力的通用接口。HCI固件通过访问基带命令、链路管理器命令、硬件状态寄存器、控制寄存器以及事件寄存器实现对Bluetooth硬件的HCI命令。

当主机和主机控制器通信时,HCI层以上的协议在主机上运行,HCI层以下的协议由Bluetooth主机控制器的硬件实现,它们都通过HCI传输层进行通信。主机和主机控制器中的HCI具有相同的接口标准。



中间件协议组


图3描述的是中间件协议组。



图3 中间件协议组的协议栈

中间件协议利用下层的传输协议,为应用层通信提供标准接口。中间件层的每一层都定义了一个标准协议,这些协议应用能够利用一个更高级的抽象,而不必直接与下层的传输协议打交道。中间件协议包括以下几种。

(1)RFCOMM

串行端口抽象。

(2)服务发现协议(Service Discovery Protocol,SDP)

用于描述可用的服务和确定所需服务的位置。

(3)一套IrDA互操作协议

它们来自IrDA标准,能实现IrDA各种应用的互操作。

(4)电话控制协议(Telephony Control Protocol,TCP)

用来控制音频或数字业务的电话呼叫。

1)RFCOMM层

串行端口是如今计算和通信设备中最常见的通信接口之一。大多数通过串口传输数据的串行通信需要一条电缆。Bluetooth无线通信的目标是要替代电缆,因此在最初的一套电缆替代应用模式中,支持串行通信以及与之相关的应用是其最重要的特征。

为了方便在Bluetooth无线链路上实现串行通信,协议栈定义了RFCOMM的串行端口抽象。RFCOMM为各种应用提供了一个虚拟的串行端口,这样就可以方便地将有线串行通信中的应用搬到无线串行通信的领域中来。因此应用可以像使用一个标准的有线串口一样,利用RFCOMM实现诸如同步、拨号上网和其他的各种功能,对于应用而言没有明显的变化。RFCOMM协议的目的就是要使传统的基于串口的应用可以利用Bluetooth传输。

RFCOMM是欧洲电信标准协会(European Telecommunication Standards Institute,ETSI)TS0710标准定义的模型,这个标准定义了在一个单独的串行链路上进行多路复用串行通信的方式。Bluetooth规范采用了ETSI07.10标准的一个子集,同时还专门为Bluetooth通信作了一些修改。

2)SDP层

SDP是基于客户/服务器结构的协议,它为客户应用提供了一种发现服务器所提供的服务和服务属性的机制。如图4所示,服务器维护一份服务记录列表,服务记录列表描述与该服务器有关的服务的特征。



图4 SDP客户/服务器交互过程

每个服务列表包括一个服务的信息。客户端可以通过发送一个SDP请求从服务器记录中检索信息。

Bluetooth设备与SDP服务器——对应,一个Bluetooth设备只有一个SDP服务器,如果Bluetooth设备只充当客户端,它就不需要SDP服务器。通常一个Bluetooth设备既可以是SDP服务器,也可以是SDP客户端。如果一个设备上有多个应用提供服务,使用一个SDP服务器就可以充当这些服务的提供者,负责处理请求这些服务的信息。多个客户应用也可以使用一个SDP客户端作为客户应用的代表请求服务。SDP服务器向SDP客户提供的服务是随着服务器到客户端的距离动态变化的。当SDP服务器可用后,潜在的客户必须使用不同于SDP的机制来通知服务器所要使用SDP协议查询服务器的服务。当服务器由于某种原因离开服务区而不能提供服务时,也不会用SDP协议进行显式的通知。但是客户可以使用SDP轮询(Poll)服务器,根据是否能够收到响应来推断服务器是否可用。如果服务器长时间没有响应,则认为服务器已经失效。

3)IrDA互操作协议

IrDA定义了在无线环境中交换和同步数据协议。由于IrDA和Bluetooth无线通信的一些重要特性、使用模式和应用相同,所以SIG选用了IrDA的一些协议和数据模型。

OBEX是IrDA制定用于红外数据链路上数据对象交换的会话层协议。BluetoothSIG采纳了该协议,使得原来基于红外链路的OBEX应用方便地移植到Bluetooth上或在两者之间进行切换。OBEX是一种高效的二进制协议,采用简单和自发的方式来交换对象。在假定传输层可靠的基础上,采用客户机一服务器模式。它只定义传输对象,而不指定特定的传输数据类型,可以是从文件到商业电子贺卡、从命令到数据库等任何类型,从而具有很好的平台独立性。

4)电话控制协议

Bluetooth电话控制协议定义了用于Bluetooth设备间建立语音和数据呼叫的呼叫控制信令,并处理BluetoothTCS设备的移动性管理过程。电话控制协议包括以下功能。

(1)寻呼控制(CC):指示Bluetooth设备间语音会话和数据呼叫的建立和释放。

(2)组管理(GM):简化Bluetooth设备组的处理。

(3)无连接TSC(CL):交换与正在进行的呼叫无关的信令时使用的条款。

电话控制协议位于Bluetooth协议栈的L2CAP层之上,包括电话控制规范二进制(TCS BIN)协议和一套电话控制命令(AT Commands)。其中,TCSBIN定义了在Bluetooth设备间建立话音和数据呼叫所需的呼叫控制信令;AT Commands是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令,它由SIG在ITU.TQ.931的基础上开发而成。TCS层不仅支持电话功能(包括呼叫控制和分组管理),同样可以用来建立数据呼叫,呼叫的内容在L2CAP上以标准数据包形式运载。



应用组


SIG定义了协议栈的中间件协议和传输协议,而应用协议本和应用编程接口(API)都没定义,要实现Bluetooth无线通信各种应用方案,还需要应用协议。

这样,SIG定义了协议栈的各层支持一些传统软件在Bluetooth链路中使用,所以那些已有的应用几乎可以不作任何改动就直接用于Bluetooth链路。在一些平台上完成这项工作的方法是开发Bluetooth适配软件(Bluetooth adaption software)完成从这些平台上现有的串行通信和其他通信对应的Bluetooth通信协议栈的映射。

当现有的应用不能实现Bluetooth的应用模式,或者希望在协议栈中包括具有独特能力的应用特征,就可以开发专门运行在Bluetooth环境中的新应用。当针对某个平台开发适用于Bluetooth无线通信的应用时,可以为这些应用开发一些公共服务(common service)。这些公共服务包括安全服务、连接管理服务、SDP服务等。这些公共的应用服务可以通过应用级的编程来实现,如安全管理者、Bluetooth管理控制台、一个通用的SDP客户端和服务器等。图5给出了这些公共应用服务的描述。



图5 应用组一般示意图












物联网工程:物联网标准化体系中的RFID标准(上)



物联网工程:物联网标准化体系中的RFID标准(下)



物联网工程:物联网标准化体系里中国的RFID技术标准


END



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