蓝芽系统的无线接入_无线接入系统

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藍芽系統的無線接入

臺灣元智大學電機工程系

趙耀庚

eeyaw@ee.yzu.edu.tw

摘要:藍芽的無線接入控制器主要分?待機(Stmdby)與連接(Connection)兩大狀態。而在連接狀態下又有活動(Active)、觀察(Sniff)、等待(Hold)、暫停(Park)四個運作模式。藍芽裝置運用這四個模式與其登記式的(Pollig)媒介接入控制(Medium Acce Control)協定來完成其主機(Master)與二個以上的服務機(Slave)之間的互連。本文主要在介紹各狀態下的狀態變換與其四個Comection模式的無線接入控制。同時，並提出未來的藍芽科研方向。

一、系統介紹

藍芽(Bluetooth)系統規格的1.Ob版已在1999年底前由SIG國際組織訂定，1.1版亦於200l年初公佈。其中的無線接入(Wirele Acce)協定為物理層(Physical Layer)之上控制基頻處理的主要部份。藍芽移動通訊技術為提供短距離無線通訊網路的解決方案。因為其技術有國際大廠的支援，且應用範圍極廣，又有龐大的預估市場(預計2002年藍芽模組需求將突破一億套)，故目前藍芽技術已為全球科技先進國家最重視的無線通訊技術之一。雖然藍芽系統的l.Ob版已在1999年底前由SIG國際組織訂定。但因其lMbps的資料傳輸速率仍不足支援無線多媒體傳輸，且其排程(SchcduUng)問題與接入控制(MAC)亦有待改進以提高頻帶資源使用效益，故SIG國際組織目前仍在研發新的下一代藍芽標準版本。在一藍芽微網(Piconet)中，藍芽元件分為Master與Slave。其中，開啟連接的藍芽裝置稱為Master，而其他在Piconet中的藍芽裝置稱為Slave。在Piconet建立好後，則Master與Slave的角色可以互換。

藍芽標準使用跳頻(FH)技術來作為訊號的再調變方式以克服無線通訊的多路徑衰減及共頻道干擾。其中跳頻序列與頻道接入碼由Piconet中Master來決定，而Piconet中也只允許使用一組跳頻序列以作為Master與一個以上的Slave間的通訊調變。另外，在藍芽空中介面中，定義了兩種Master與Slave間的鏈路以建立兩者問的連接。分別為點對點同步連接導向鏈路(SCO)與點對多點非同步無連接鏈路(ACL)。

對於藍芽的無線接入程序控制器主要分為Standby與Connection兩大狀態。在這兩大狀態下又分為傳呼(Page)、傳呼掃描(PageScan)、詢呼(lnqu切)、與詢 呼掃描(lnquiry Scan)四大子狀態;另外，傳呼下有主機回應(MasterResponse)子狀態，傳呼掃描下有服務機回應(Slave Response)子狀態，詢呼掃描下有詢呼回應(lnquiry Response)子狀態.。如圖一所示，藍芽元件可離開Standby狀態而進入

Page、PageScan、lnquiry、或Inquiry＿Scan狀態，然後在進入Connection狀態。在一藍芽Piconet中，Mastcr運用Page或Inquiry與Slave建立連接的鏈路。若Master不知欲連接的Slave元件位址，便開始Inqu的程序來尋找

Piconet中的Slave元件位址與其時鐘;但若MaSter已知欲連接的Slave元件位址，則開啟Page程序來尋找其他的Slave。

圖

一、藍芽無線接入控制狀態圖

在以下各節中將說明無線接入的程序，連接模式與接入控制。

二、接入(Acce)程序

在開始建立一連接的無線鏈路時，Master需要知道Slave的藍芽元件位址。因此當Master藍芽元件在Inquiry狀態時，它運用Inquiry訊息指示那些藍芽元件需要回應Inquiry，並收集所有回應Slave的藍芽元件位址與時鐘。在Inquiry狀態的Master藍芽元件繼續的再不同的用頻率傳送Inquiry訊息以尋找其他的Slave藍芽元件。

而一欲被發現的Slave藍芽元件則規則性的進入Inquiry Scan狀態以回應

Inquiry訊息。而其接收機則運用一匹配相關器(Matching Conelator)來搜尋Inquiry接入碼(Acce Code)。此搜尋時間將持續至16個FH頻率的範圍。若某一啟動的(Wake＿Up)Slave藍芽元件可辨識lnquiry訊息/它則進入Inquiry Response狀態。在Standby狀態時的藍芽元件可利用其所有的能量來搜尋其他Inquiry Acce Code;而在Connection狀態時的藍芽元件則可將期限有的資料戀路連接執於省能模式以便來搜尋其他Inquiry Acce Code。以上的Inquiry Scan 程序可能會被預留的SCO時槽所中斷。

在已知欲連接Slave的Device Acce Code(DAC)時，Master則開啟Page程序來尋找此Slave。在Page程序中，Master重復的周不同的FH頻率來傳送Slave的DAC以嘗試連接(請參見圖二)。Page程序的步驟如下:

“先以Slave的DAC來決定Page訊號的FH頻率序列。

”Master以預估的Slave時鐘來預測Slave的Wake＿Up時間與FH頻率。“在每一傳送時槽，Master順序的發射兩個不同的頻率。

”在每一接續的接收時槽，Slave的接收機，依據PageScan使用的跳頻頻率，順序的偵測兩個相對應的接收頻率。

Page程序可能會被預留的SCO時槽所中斷。當Slave元件成功的接收了Master的Page訊息，Master與Slave便展開一例行的回應來互換資訊 而Master與Slave間成功的連接，在於使用由藍芽元件位址(BD＿ADDR)導出的同一頻率接入碼與同一FH頻率，且Master與SIave的時鐘需同步。

圖

二、Page與Page＿Scan狀態中訊息傳遞所使用FH頻率

以下敘述回應狀態各程序中的步驟。

Slave Response狀態:

*Slave在接到來自Master的DAC後，則以PageResponse所用的FH頻率回應

此DAC作為確認。

*在傳送回應訊息後，Slave的接收機即開啟並等待來自Master的FH同步(FHS)封包。

*若Slave正確的接到此FHS封包，Slave便以Page Response所用的FH頻率傳回其DAC以作為確認。

*Slave可自此FHS封包的內容來得知Slave時鐘與Master時鐘的差異。*Slave在修正此時鐘差異後，即可進入Connection狀態。

*若Slave在進入Connection狀態前，上述建立連接的步驟失敗的話，則 Slave回到PageScan狀態。

在進入Conncction狀態後，由Master先傳送一個POLL封包。若Slave未成功的接到此POLL封包，Master與Slave便分別各自回到Page與Page Scan的狀態。

MastcrResponse狀態:

*Master在接到Slavc傳回的回應訊息後，即固定期現有的時鐘，並且將其輸入至Page FH頻率選取方案中。

*Master運用此選取的PageFH頻率來傳送FHS封包。此FHS封包含有所有建構頻道接入碼所需的資訊。

*在Master傳送HIS封包後，即等待Slavc的確認。

*若沒有收到Slave的確認，Master將以更新的時鐘傳再送用S封包。*若收到Slave的確認，Mastcr目U進入Connection狀態，並且運用BD＿ADDR來與Slave交換使用的FH序列。

“在進入Connection狀態後，Master開始傳送一個POLL封包。

三、Connection模式

在Connection狀態中，Slave元件可停留在Active,Snan,Hold，與Park四個模式。以下分別說明之。

Active模式:

*ActiveSlavc偵測Master傳向Slave的時槽上有無封包。

*為了保持Master與Slave間的同步，即使無資訊需要傳輸，Master亦需要週期性的傳送封包至Slave。”

*若ActiveSlave未被Mastcr定址，它可睡眠至下一個新的Master傳向Slave的時槽。

*Active Slave可導出Master預定傳向Slave的時槽數目。

Sniff模式:

*在此省能模式中，為了節省能源，Slave可減少偵測(Master傳向Slave時槽)活動的任務時間(Duty Cycle)。

*Master可經由鏈路管理(LM)協定發出一Sniff指令。此Sniff指令包含Sniff的長度與開始時鐘差異。

*若Slave正使用ACL鏈路連接，則Slave元件必須偵測每一Master傳向slave的時槽.Hold模式:

*使用ACL鏈路的Slave可被置於Hold模式。

*在此Hold模式下運作的Slave仍保有其ActiveMember元件位址

(AM_ADDR)。

*在此模式下，Slave不提供ACL鏈路服務，但仍提供SCO鏈路服務。*因此釋放出的能量可讓Slave進行Paging,Inquiring，或加入另一Piconet。Park模式:

*在Park模式運作的Slave仍與Master保持同步。

*在此模式下，Slave已放棄其AM＿ADDR，而接受一Park Member元件位址(PM＿ADDR)與一Acce Request元件位址(AR＿ADDR)。

*在一Piconet中Park的Slavc將在規則性的時段後醒來活動以便再與Master保持同步。

*Park的Slave規則性的後醒來活動，〃將查詢Master「使用的引導(Beacon)頻道中是否有廣播訊息。

上述的Park模式下的Beacon頻道是由一個週期性傳輸的Beacon時槽或一列週期性傳輸且等距的Beacon時槽所構成，如圖三所示。而其週期與時槽數等參數則由Master經LM協定指令傳至Park模式下的Slave。

Beacon頻道有下列的目的:

1﹒經Beacon頻道，Master可傳輸Slave與其同步所需的封包。

2.Beacon頻道可載送改變Beacon時槽參數所需的訊息。

3.Beacon頻道可載送Master的廣播訊息。

4.Master可利用Beacon頻道來重新啟動Park模式下的Slave。