1、蓝牙技术组建无线局域网中文摘要Abstract VI参考文献.16致 谢.17插图索引谈应用蓝牙技术组建无线局域网中文摘要随着计算机、网络通信技术的发展，采用蓝牙技术组建无线局域网，不仅在办公条件不完善时能发挥作用，而且在临时增删办公点和移动性办公业务方面也有着独特的优势。文中对无线局域网和蓝牙技术做了简单的介绍，并就组网体系结构做了说明，对蓝牙技术的发展趋势做了展望。关键词：无线局域网，蓝牙技术，蓝牙协议，办公网络Shallowly Discusses Set Up the Wireless Local Area Networkwith Bluetooth TechnologyHunan u
2、niversity of science and Engineering Electronic information projectspecialty Grad 2003 Lu Mao HuaAbstractAlong with development of computer and network communication, the Bluetooth technology has unique superiority to set up the wireless local area network. The Bluetooth technology can play its role
3、 not only in the inadequate material supply, but also in the case of temporary increasing or reducing office stations as well as the mobile office station. This article gives the introduction to the wireless local area network and the Bluetooth technology, the explanation on the network system struc
4、ture and the forecast to the Bluetooth technology development tendency.Keywords: Wireless LAN; Bluetooth; bluetoothprotocol;office network绪 论1.1 课题背景和目的介绍近些年来随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以和多媒体终端得到了广泛的应用。为了实现使用户能够在任何时间、任何地点均能实现数据通信的目标，要求传统的计算机网络由有线向无线、由固定向移动、由单一业务向多媒体发展，由此无线局域网技术得到了快速的发展。在互联网高速发展的今天，可以认为无
5、线局域网将是未来发展的趋势，必将最终代替传统的有线网络1。而在现代企业的办公局域网络中.个人电脑要登录单位内部的局域Internet,访问网上资源，个人电脑之间要进行文件、资料和设备的共享。这样一来PC机与各种外设之间，PC机与各种共享设备之间。以和PC机与局域网插口之间，就存在许许多多的连线，给移动办公和调度管理带来了极大的不便。而蓝牙技术发展的初衷是为了用一种统一的无线通信技术来取代各种数字化设备之间相互连接的电缆。利用蓝牙技术组建企业内部通信网。构建Internet 网络平台。不仅可以改善人们的办公环境，而且可以提高企业的现代化管理水平，加快现代企业的办公自动化进程，由此越来越多的人致力
6、与研究蓝牙技术2。蓝牙(Bluetooth)技术是由爱立信、诺基亚、Intel、IBM和东芝5家公司于1998年5月共同提出开发的,是一种无线数据与数字通信的开放性全球规范。自从1998年5月蓝牙特殊兴趣集团（SIG）成立以来，至今加盟的公司已超过1800个，其中包括诸如AMD、康柏、戴尔、惠普、德州仪器、高通以和卡西欧、飞利浦、三星、QO、精工、夏普等许多世界最著名的计算机、通信以和消费电子产品领域的企业，甚至还有汽车与照相机的制造商和生产厂家。一项公开的全球统一的技术规范得到了工业界如此广泛的关注和支持是以往所罕见的。这说明基于此项蓝牙技术的产品江具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。众人拾
7、柴火焰高，蓝牙技术的前景也正是由于这一点。最近，美国的软件巨头微软公司也不再坚持在一旁观望的态度，正式宣布加盟蓝牙特殊兴趣集团，并与3COM、朗讯、摩托罗拉公司和原有的5家公司一起成为蓝牙兴趣集团的9个领导成员共同致力十在全球范围内推广此项无线技术标准。据国外权威机构预测，几年以后，全世界将会有数以亿计的数字移动电话、PC以和各种信息设备会嵌人此项蓝牙技术。到目前为止，蓝牙技术己得到多方面的支持，共中包括单片化的无线芯片，基带处理芯片，结构小巧的陶瓷天线以和即插即用的操作系统标准等。蓝牙技术的最终目的就是要建立一个全球统一的无线连接标准，使得不同厂家生产的各种移动计算与便携的设备，在近距离内都
8、能不用电缆就可以很方便地连接起来，实现相互操作与数据共享。这种蓝牙无线连接的方式可以说是非常新颖的，用户不必再需要学习如何安装、如何设置。凡是嵌人蓝牙技术的设备相互之间都能够自动进行联络与确认，利用相应的控制软件，不需用户干预就可以自动建立连接传输数据。蓝牙的短距离、低成本连接将会造就一个非常广阔的市场，它是通信、计算机和微芯片技术发展到一定阶段的必然产物。取消短距离的连线，代之以一个崭新的、统一的无线连接方法已为时不远，这说明蓝牙技术产品具有广泛的应用情景和巨大的潜在市场3。如今随着无线局域网发展的迅速，蓝牙以其成本低廉、组网灵活等优点而成为新的研究热点，是下一代个人区域网(PAN)的理想实
9、现技术，基于蓝牙技术的无线接入网与目前应用较为广泛的IEEE802.11 无线接入技术相比，蓝牙技术在小区域组网中更具有优势，被认为是无线数据通信领域重大进展之一。目前随着蓝牙技术的不断发展和各类相应产品相继问世，蓝牙技术将在各个领域得到广泛应用，特别是通信领域，将对未来的无线移动数据通信业务产生巨大的促进作用，会使人们的移动互联网梦想真正成为现实2。1.2 课题研究方法本问通过对无线局域网与蓝牙技术的认识和论述，并对其一些特点与结构、协议进行了进一步的讲解，在参阅大量文献的基础上，结合自身的认识，提出了办公网络的组网方案，并对蓝牙的发展趋势做了展望。无线局域网1.3 无线局域网的概述和特点无
10、线局域网，也被称为 WLAN(Wireless LAN) ，一般用于宽带家庭，大楼内部以和园区内部，典型距离覆盖几十米至几百米，目前采用的技术主要是 802.11a /b/g 系列。 WLAN 利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号，作为传统布线网络的一种替代方案或延伸。 无线局域网的出现使得原来有线网络所遇到的问题迎刃而解，它可以使用户任意对有线网络进行扩展和延伸。只要在有线网络的基础上通过无线接入点、无线网桥、无线网卡等无线设备使无线通信得以实现。在不进行传统布线的同时，提供有线局域网的所有功能，并能够随着用户的需要随意的更改扩展网络，实现移动应用。无线局域网把个人从办公桌边解放了出来
11、，使他们可以随时随地获取信息，提高了员工的办公效率。一般而言，对比于传统的有线网络，无线局域网的应用价值体现在：可移动性： 由于没有线缆的限制，用户可以在不同的地方移动工作，网络用户不管在任何地方都可以实时地访问信息。布线容易： 由于不需要布线，消除了穿墙或过天花板布线的繁琐工作，因此安装容易，建网时间可大大缩短。组网灵活 ： 无线局域网可以组成多种拓扑结构，可以十分容易地从少数用户的 点对点 模式扩展到上千用户的 基础架构 网络。成本优势： 这种优势体现在用户网络需要租用大量的电信专线进行通信的时候，自行组建的 WLAN 会为用户节约大量的租用费用。在需要频繁移动和变化的动态环境中，无线局域
12、网的投资更有回报。另外，无线网络通信范围不受环境条件的限制，室外可以传输几十公里、室内可以传输数十、几百米。在网络数据传输方面也有与有线网络等效的安全加密措施1。1.4 无线局域网典型解决方案1. 对等解决方案。给每台计算机安装1 片无线网卡, 即可相互访问, 是一种最简单的应用方案。如果需要与有线网络连接, 可以为其中1 台计算机再安装1 片有线网卡, 其余计算机将其作为网关, 访问有线网络或共享打印机等设备。2. 单接入点解决方案。接入点相当于有线网络中的集线器。无线接入点可以连接周边的无线网络终端, 形成星形网, 并通过10Base2T 端口与有线网络相连, 使整个无线网的终端都能访问有
13、线网络的资源, 并可通过路由器访问Internet 。3. 多接入点解决方案。当网络规模较大, 超过了单个接入点的覆盖半径时, 可以采用多个接入点分别与有线网络相连, 从而形成以有线网络为主干的多接入点的无线网络。所有无线终端可以通过就近的接入点接入网络, 访问整个网络的资源, 从而突破无线网覆盖半径的限制。4. 无线中继解决方案。无线接入器可作为有线网络的延伸。如在地市中, 只有1 个网络接口连接有线网, 其他许多信息点由于距离很远, 使得网络布线成本很高, 还有一些信息点由于周边环境比较恶劣, 无法进行布线, 而这些信息点的分布范围又超出了单个接入点的覆盖半径, 那么就可以采用2 个接入点
14、实现无线中继, 以扩大无线网络的覆盖范围。5. 无线冗余解决方案。对于网络可靠性要求较高的应用环境, 比如铁路运输等, 接入点一旦失效, 整个无线网络会瘫痪, 因此, 将2 个接入点放置在同一位置, 以实现无线冗余备份的方案。6. 多蜂窝漫游工作方式。在大楼中或者在很大的平面里部署无线网络时, 可布置多个接入点构成一套微蜂窝系统。微蜂窝系统允许用户在不同的接入点覆盖区域内任意漫游, 随时变换位置, 信号会由一个接入点自动切换到另外一个接入点。整个漫游过程对用户是透明的, 虽然提供联接服务的接入点发生了切换, 但对用户的服务却不会被中断4。 蓝牙技术1.5 蓝牙技术的概述蓝牙(Bluetooth
15、)技术是由爱立信、诺基亚、Intel、IBM和东芝5家公司于1998年5月共同提出开发的。蓝牙技术的本质是设备间的无线联接，主要用于通信与信息设备。近年来，在电声行业中也开始使用。依据发射输出电平可以有3 种距离等级，Class1 为100m 左右、Class2 约为10m 、Class3 约为2-3m。一般情况下，其正常的工作范围是10m 半径之内。在此范围内，可进行多台设备间的互联。但对于某些产品，设备间的联接距离甚至远隔100m 也照样能建立蓝牙通信与信息传递。借助采用了蓝牙技术的PDA个人数字助理，用户可很方便地进人因特网。有了蓝牙技术，存储于手机中的信息可以在电视机上显示出来，也可以
16、将其中的声音信息数据进行转换，以便在PC 个人电脑上聆听。东芝公司已开发上市了一种蓝牙无线Modem 和PC 卡，将2 张卡中的一张插人Modem 的主机上，另一张插人P该技术的传输速率设计为1MHz，以时分方式进行全双工通信，其基带协议是电路交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用一个时隙，使用扩频技术也可扩展到5个时隙。同时，蓝牙技术支持1个异步数据通道或3个并发的同步话音通道，或1个同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持64kb/s的同步话音；异步通道支持最大速率为721kb/s，反向应答速率为57. 6 kb/s的非对称连接，或者是432. 6 k
17、b/s的对称连接。目前，蓝牙技术已被普遍应用在笔记本电脑上，以帮助两台(或多台)笔记本电脑之间实现无线通信。较红外线传输“必须保证传输信息的两个设备正对，且中间不能有障碍物”、“几乎无法控制信息传输的进度”、“没有成为被广泛接受的工业标准、设备种类不多”等致命的缺陷，蓝牙的优势显示出了勃勃生机。全世界已有2161 家公司参加了SIG (Special Interest Group)组织，并正在共同制定蓝牙技术标准。SIG的核心公司除上述最初提出开发蓝牙技术的5家公司外，还有3com、Lucent技术、微软和摩托罗拉4 家。SIG 成员公司包括：PC个人电脑、移动电话、网络相关设备、外围辅助设备
18、和A/ V设备、通讯设备和汽车电子、自动售货机、医药器械、计时装置等诸多领域的设备制造公司5。1.6 蓝牙技术的特点蓝牙技术是一种短距离无线通信的技术规范,它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。蓝牙技术的特点可归纳为以下几点:a) 全球范围适用:蓝牙技术工作在2. 4GHz的ISM ( In2dustrial, Scientific andMedical)频段。b)采用时分双工通信(TDD)，蓝牙规范1. 0B支持的数据传输速率为1Mbit/ s。c) 同时可传输语音和数据,当采用非对称信道传输数据时,单向最大传输速率为721kbp s,反向为57. 6kb
19、p s;当采用对称信道传输数据时,速率最高为342. 6kbp/s。d) 具有很好的抗干扰的能力:蓝牙采取了跳频技术来扩展频谱( FHSS) ,将2. 402 - 2. 48GHz频段分成79 个频点,相邻频点间隔1MHz。蓝牙设备在某个频点发送数据之后,再跳到另一个频点发送,而频点的排列顺序则是伪随机的,每秒钟频率改变1600次,每个频率持续625s。建立连接时频率改变则是3200次/秒。e) 蓝牙模块体积很小,低功耗,可以方便的集成到各种设备中。1.7 蓝牙中的关键技术蓝牙涉和一系列软硬件技术、方法和理论，包括无线通信和网络技术，软件工程、软件可靠性理论，协议的正确性验证技术，软硬件接口技
20、术（如RS232、USB等）以和高集成、低功耗芯片技术。（1）射频技术，蓝牙的载频选用全球通用的2.4GHz频段，采用跳频扩谱技术；（2）基带，当两个蓝牙设备成功建立链路后，一个Piconet便形成了。两者之间的通信通过无线电波在79个信道中随机跳转而完成。蓝牙给每个Piconet提供特定的跳转模式，因此它允许大量的Piconet同时存在；（3）TDMA结构，在1.0版本的标准中，蓝牙的基带比特速率为1Mbps，采用TDD方案来实现全双工传输，因此蓝牙的一个基带帧包括两个分组，首先是发送分组，然后是接受分组；（4）全球性地址，任一蓝牙设备，都可以根据IEEE802标准得到一个唯一的48bit的
21、BD_ADDR。他是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询；（5）跳频技术蓝牙工作的频段是全球通用的2.4GHz ISM 频段。该频段对所有无线电系统都开放，因此，蓝牙在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源，例如手机、无绳电话、微波炉等。这使得蓝牙系统的传送错误率远远高于实际应用水平，为此，采用跳频技术是避免干扰的一项有效措施。所谓跳频技术，就是将整个频带分成若干跳频信道（Hop Channel）。在一次连接中，蓝牙芯片所控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另一个信道；而接收方也是按照相同的跳转规律进行通信。这实际上属于一种硬件加密手段，除非第三方掌握了接收双方的切换信道
22、干什么，否则，从理论上讲是无法完整获得信息的，而干扰源也是不可能按同样的规律进行干扰的。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术，可以使这个窄带宽被成倍地扩展成宽频带，使被干扰的可能性变得很小，由此就可以保证传送的完整性和系统的稳定性。（6）纠错技术在蓝牙技术中使用了三种纠错方案：1/3 比例前向纠错码（1/3FEC）、2/3 比例前向纠错码（2/3FEC）和用于数据的自动请求重发（ARQ）方式。1/3 比例前向纠错码是一种较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每位信息重复三次。2/3 比例前向纠错码是一种（15，10）精简的汉明码表示方法，用于部分分组。使用ARQ 方式，在一个时隙中传送的数
23、据必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余检测，被认为无错后，才向发送端返回确认信息；否则，返回一个错误信息。（7）微微网蓝牙支持点对点和点对多点的通信，其最基本的网络组成是微微网。微微网是通过蓝牙技术连接起来的一种微型网络，由一个主设备（Master）和若干个从设备（Slave）组成，且从设备最多为7 台。主设备负责通信协议的动作，而从设备则受控于主设备。一个微微网可以是2 台相连的设备，也可以是8 台连在一起的设备，所有设备单元均采用同一跳频序列。蓝牙给每个微微网都提供了特定的跳转模式，因此，它允许大量的微微网同时存在。同一区域内，多个微微网互联
24、形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。（8）安全性蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但是仍然需要链路层和应用层的安全管理。在链路层中，蓝牙系统使用认证、加密和密钥管理等功能进行安全控制。在应用层中，用户可以使用个人标识码（PIN）来进行单双向认证6。蓝牙体系结构蓝牙体系结构包括3部分，各部分的构成见图1。高端应用层各种协议（软件）射频模块基带模块图1 蓝牙体系构成图下面就硬件、软件、路由机制3方面作简略说明。1.8 硬件部分 (1) 射频模块将基带模块的数据包通
25、过无线电信号以一定的功率和跳频频率发送出去，实现蓝牙设备的无线连接。 (2) 基带模块采用查询和寻呼方式，使跳频时钟和跳频频率同步，为数据分组提供对称连接(SCO)和非对称连接(ASL)，并完成数据包的定义、前向纠错、循环冗余校验、逻辑通道选择、信号噪化、鉴权、加密、编码和解码等功能。它采用混合电路交换和分组交换方式，既适合语音传送，也适合一般的数据传送。每一个语音通道支持64kb/s同步语音，异步通道支持最大速率723.2kb/s(反向57.6kb/s)的非对称连接或433.9kb/s的对称连接。1.9 蓝牙协议(软件)（1）链路管理协议(LMP)通过对链接的发送、交换、实施身份鉴权和加密，
26、并通过协商确定基带数据分组的大小，控制射频部分的电源模式、工作周期和网络内蓝牙设备的连接状态。（2）链路控制与应用协议(L2CAP)L2CAP与LMP平行工作，共同实现OSI的数据链路层的功能。它可提供对称连接和非对称连接的数据服务。 (3) 串行电缆仿真协议(RFCOMM)在蓝牙的基带上仿真RS-232的功能，实现设备串行通信。例如，在拨号网络中，主机将AT命令发送到调制解调器，再传送到局域网，建立连接后，应用程序就可以通过RFCOMM 提供的串口发送和接收数据。 (4) 服务发现协议(SDP)按照用户需要，发现相应服务和有关设备，并给出服务与设备列表。工作过程如下：主设备广播1条信息，从设
27、备做出相应的反应，将收集到的地址存于主设备的内存中，然后主设备从中选择1个地址，利用链路管理代理所提供的进程在物理层建立连接。一旦建立了服务发现协议，在主从设备之间的物理层连接上就建立了一条LZCAP点对点通信层。1.10 无线办公网络的路由机制利用蓝牙技术构建现代企业无线办公网络，实现的基本功能包括：1、文件、档案、报表、设备资源的共享和互连，比如PC机之间的互连，PC 机与各种外设或智能设备的互联和共享等；2、利用蓝牙设备无线访问单位内部局域网以和Internet；3、通过一定的路由机制实现办公网络内部的各个匹克网之间的互连。根据企业的实际需要，企业无线网络由多个匹克网(Piconet)构
28、成，而不同匹克网之间的通信应该只在办公网络内部进行路由，而不应通过局域网，这就需要建立一种特殊的路由机制，使得各匹克网之间的通信能够进行正确的路由，达到方便快捷的通信、拓宽通信范围、减轻网络负载的目的。(1)蓝牙网关用于办公网络内部的蓝牙移动终端通过无线方式访问局域网以和Internet；跟踪、定位办公网络内的所有蓝牙设备，在两个属于不同匹克网的蓝牙设备之间建立路由连接，并在设备之间交换路由信息。主要功能包括：实现蓝牙协议与TCP/IP协议的转换，完成办公网络内部蓝牙移动终端的无线上网功能。 在安全的基础上实现蓝牙地址与IP地址之间的地址解析，它利用自身的IP地址和TCP端口来唯一地标识办公网
29、络内部没有IP地址的蓝牙移动终端，比如蓝牙打印机等。 通过路由表来对网络内部的蓝牙移动终端进行跟踪、定位，使得办公网络内部的蓝牙移动终端可以通过正确的路由，访问局域网或者另一个匹克网中的蓝牙移动终端。 在两个属于不同匹克网的蓝牙移动终端之间交换路由信息，从而完成蓝牙移动终端通信的漫游与切换。在这种通信方式中，蓝牙网关在数据包路由过程中充当中继作用，相当于蓝牙网桥。(2) 蓝牙移动终端(MT)蓝牙移动终端是普通的蓝牙设备，能够与蓝牙网关以和其他蓝牙设备进行通信，从而实现办公网络内部移动终端的无线上网以和网络内部文件、资源的共享。各个功能模块关系如图2 所示。 图2 蓝牙移动终端各个功能模块关系如
30、果目的端位于单位内部的局域网或者Internet，则需要通过蓝牙网关进行蓝牙协议与TCP/IP协议的转换，如果该MT没有IP地址，则由蓝牙网关来提供，其通信方式为MT-BG MT。如果目的端位于办公网络内部的另一个匹克网，则通过蓝牙网关来建立路由连接，从而完成整个通信过程的漫游.其通信方式为MT-BG-M_MT(为主移动终端)-MT。采用蓝牙技术也可使办公室的每个数据终端互相连通。例如多台终端共用1 台打印机，可按照一定的算法登陆打印机的等待队列，依次执行7。具体组网方案1.11 组网原理根据前述蓝牙路由机制，图3 给出了一种无线办公网络具体应用的原理图。图3 应用的原理图蓝牙网关通过RJ45
31、插头与局域网接入接口相连；图中的个人电脑和各种设备均需安装有蓝牙通用模块或蓝牙网卡，以使其蓝牙化。蓝牙网关与各终端的最大直线不能大于100m，且一个蓝牙网关最多可连接7个带通用外界模块的设备。组网方案中，主要部件功能如下：1、蓝牙网关(金欧公司LLTR-1S)*采用时分多址技术，支持异步数据，支持点对点、点对多点的蓝牙数据通信；* 具有同时与有线网络和蓝牙设备通信的接口和能力；* 在安全的基础上实现蓝牙地址与IP 地址间的地址解释；* 实现IP 网际协议以和TCP 传输控制协议，从而能够完成蓝牙协议与TCP / IP 的协议转换；* 在底层协议栈的基础上，通过实行特定的蓝牙路由机制解决匹克网间
32、的路由问题，以最终解决蓝牙不同匹克网间不同单元的通信问题。2、网络适配器(BlueBerry 蓝牙USB)安装在网络内部的PC机、笔记本电脑上，使设备蓝牙化。3、为了使得办公室内部的打印机、投影仪、扫描仪等办公设备具有蓝牙功能，选用金欧公司的通用蓝牙模块，该通用蓝牙模块具有串口、USB 和并口可供选择8。1.12 蓝牙组网实例无线局域网的拓扑结构可分为无中心对等式结构(如图5所示) 和有中心拓扑结构(如图4所示) 2 类。无中心无线局域网中任意2 点均可直接通信, 网络一般使用公用广播信道, 信道接入控制(MAC) 协议多采用载波监测多址接入(CSMA) 类型的多址接入协议。有中心拓扑结构中, 除一个无线站点充当中心站, 其它点
