Bluetooth:Архитектура — Baseband — Bluetooth и все, что с ним связано

Bluetooth:Архитектура — Baseband


Общее описание

Дословного толкового перевода  слова «Baseband» на русский язык найти трудно потому, что нельзя выразить этот термин одним словом.

«Baseband» — это часть системы Bluetooth, определяющая или реализующая функции обработки сигнала на физическом уровне. Она управляет физическими каналами и физическими связями и находится на верхнем уровне стека. Протокол Baseband организован как контроллер связей, работающий с менеджером связей и формирующий соединение и контролирующий потребление энергии. Baseband так же управляет синхронными и асинхронными связями, формирует и обрабатывает пакеты, контролирует доступ к устройству. Трансивер работает по схеме дуплексной передачи с временным разделением (Time Division Duplex — TDD) Два или более устройств, совместно использующие физический канал, составляют сеть piconet. Одно устройство работает как главное (мастер), тогда как другие устройства выступают в качестве подчиненных. В сети piconet подчиненными могут быть до 7-ми устройств. Кроме этого другие подчиненные устройства могут быть подсоединены к сети и находиться в режиме парковки. Picinet Сеть piconet в режиме мастер-подчиненный (a), много подчиненных (b), несколько piconet, т.н. scatternet (с)

Пакеты

Данные между устройствами передаются пакетами. Символьная скорость передачи данных составляет 1 Мсимвол/с. В базовом режиме (Basic Rate) скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с.

BasicRate Packet

Стандартный формат пакета в базовом режиме (Basic Rate)

Расширенный режим модуляции (Enhanced Data Rate) имеет режим первичной модуляции, обеспечивающий скорость передачи данных 2 Мбит/с и режим вторичной модуляции, обеспечивающий скорость передачи данных 3 Мбит/с.

EDR Packet

Стандартный формат пакета в расширенном режиме (Enhanced Data Rate)

Часы Bluetooth

Каждое устройство Bluetooth имеет часы, получены из собственного независимого генератора тактовых импульсов, который никогда не корректируется и никогда не выключается. Часы устанавливают синхронизацию и скачкообразную перестройку частоты. Для синхронизации с другими модулями используются только смещения, добавление которых к собственным часам каждого модуля обеспечивает им временные часы Bluetooth, взаимно синхронизируемые.

Адреса устройств

Каждому устройству Bluetooth выделяется уникальный 48-разрядный адрес устройства (BD_ADDR) полученный от органа регистрации IEEE.

Коды доступа

В системе Bluetooth все передачи по физическому каналу начинаются с кода доступа. Код доступа используется для оповещения и обмена служебной информацией. Поле кода доступа состоит из преамбулы, синхрослова и концевика. Преамбула указывает на прибытие пакета в приемник. Синхрослово используется для временной синхронизации с приемником. Концевик следует после синхрослова и указывает на окончание кода доступа. Количество бит в коде доступа может варьировать, в зависимости от того, последовал ли заголовок пакета. Если заголовок пакета последовал, длина кода доступа состав ляет 72 бита; в противном случае, 68 бит.

Функции кода доступа могут отличаться в зависимости от режима работы устройства Bluetooth. Соответственно, существует три типа кода доступа:

— Код доступа устройства (device access code — DAC) — используется для специальных процедур сигнализации, таких как вызов и ответ на вызов. Вызов включает в себя передачу ряда сообщений с установлением канала связи с модулем, ак тивным в пределах зоны действия. Когда модуль отвечает на запрос, канал связи может быть установлен.

— Канальный код доступа (channel access code — CAC) — распознает piconet. Этот код включен во все пакеты, которыми обмениваются по каналам пикосети. Все пакеты, посылаемые в одной пикосети, начинаются с одного канального кода доступа.

— Код доступа запроса (inquiry access code — IAC) — Существует два типа кода доступа запроса: общий и специализированный. Общий код доступа запроса одинаков для всех устройств. Он используется для обнаружения других модулей Bluetooth, находящихся в зоне действия. Специализированный IAC является одинаковым для отдельной группы модулей Bluetooth, которые имеют общие характе ристики. Он используется для обнаружения только тех специализированных моду лей Bluetooth, которые находятся в пределах зоны действия.

Физические каналы

Определение физического канала

Физических канал представляет собой псевдослучайную последовательность перестройки частоты по 79 или 23 радиочастотным каналам шириной 1 МГц. Каждый канал делится на пакеты (слоты) продолжительностью 625 мксек, причем каждому слоту со¬ответствует определенный канал. Слоты пронумерованы в соответствии с часами мастера пикосети, номера расположены в диапазоне от 0 до 227-1. Передатчик в каждый момент времени использует только один канал. Перестройка частоты про исходит синхронно на передатчике и на приемнике по закону заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности. В секунду может происходить до 1600 перестроек частоты. Этот метод обеспечивает конфиденциальность и помехозащищенность передач. Если на каком-либо канале передаваемый пакет не был принят, то приемник посылает запрос на повторную передачу и пакет повторно передается на другом канале на другой частоте.

Базовый физический канал сети Piconet

Определяется главным устройством сети. Это устройство контролирует поток данных сети по схеме опроса состояния и требований других устройств.

По умолчанию устройство, которое инициировало соединение, является главным. После установки сети роль устройства может измениться на подчиненную.

Базовый физический канал делится на временные слоты продолжительностью 625 мксек.

Адаптированный физический канал

Адаптированный физический канал может использоваться для подключения устройств, имеющих возможность адаптивной перестройки частоты (AFH). Существуют два различия между базовым и адаптированным каналами. Первое отличие: Возможность повторной передачи на другой частоте. Второе отличие: базовый канал использует перестройку частоты по 79 радиочастотным каналам, а адаптированный канал может использовать меньше 79 частот, например 23.

Физический канал «Page Scan»

«Page» — начальная фаза процедуры соединения при которой устройство передает поток сообщений (Pages) до тех пор, пока ему кто ни будь не ответит или до окончания времени, выделенного для этого.

«Page Scan» — процедура, при которой устройство прослушивает сообщения, получаемые каналом «Page Scan».

Перед соединением роли устройств не определены, но потенциальное мастер-устройство использует процедуру посылки сообщений (Paging) и после соединения становится главным, а потенциальное подчиненное устройство использует процедуру прослушивания сообщений (Page Scan) и после соединения становится подчиненным.

Канал «Page Scan» использует более медленную скорость перестройки частоты по сравнению с базовым каналом и представляет собой короткую псевдослучайную последовательность перестройки частоты по радио-каналам.

Физический канал сканирования запросов Inquiry Scan

«Inquiry» — процедура, при которой устройство передает сообщения запросов и ожидает ответов, для обнаружения других устройствами в пределах зоны покрытия.

«Inquiry Scan» — процедура, при которой устройство слушает сообщения запросов, принимаемые по каналу сканирования запросов.

Перед соединением роли устройств не определены, но потенциальное мастер-устройство посылает запросы (Inquiry), а потенциальное подчиненное устройство слушает запросы (Inquiry Scan) по каналу сканирования запросов.

Канал «Inquiry Scan» использует более медленную скорость перестройки частоты по сравнению с базовым каналом и представляет собой короткую псевдослучайную последовательность перестройки частоты по радио-каналам.

Выбор перестройки частоты

Определено 6 типов последовательностей скачкообразной перестройки частоты: пять для базовой системы переключения  и один для адаптивной системы переключения, использующей возможность адаптивной перестройки частоты (AFH):

— Последовательность для вызова с 32 уникальными частотами для «пробуждения», распределенными по полосе 79МГц, с периодом, равным 32.

— Последовательность для ответа на вызов охватывает 32 уникальных частот для ответа, которые имеют взаимно-однозначное соответствие с текущей последовательностью для вызова.

— Последовательность для запроса с 32 уникальными частотами для «пробуждения», распределенными по полосе 79 МГц, с периодом, равным 32.

— Последовательность для ответа на запрос охватывает 32 уникальных частот для ответа, которые имеют взаимно-однозначное соответствие с текущей последовательностью для запроса.

— Канальная последовательность, которая имеет очень большую длину периода, распределяет частоты одинаково по полосе 79 МГц в течение короткого интервала времени.

— Адаптивная последовательность, полученная из базовой, использующая такое же механизм работы, но на меньшем количестве частот (23).

Физические связи

Физическая связь представляет собой соединение между устройствами. Физическая связь всегда ассоциируется только с одним физическим каналом. Физические связи имеют общие свойства, которые применяются ко всем логическим транспортам в физической связи. Общие свойства физических связей:

— управление потреблением энергии

— контроль связей

— шифрование

— качество обслуживания канала

— контроль многослотовых пакетов

Логические транспорты

Между главным и подчиненным устройствами могут быть установлены различные типы логических транспортов. Определено 5 логических транспортов:

— Синхронный, ориентированный на соединение (Synchronous Connection-Oriented — SCO) транспорт

— Расширенный SCO (Extended Synchronous Connection-Oriented — eSCO) транспорт

— Асинхронный без установления соединения (Asynchronous Connection-Less — ACL) транспорт

— Транспорт активной подчиненной широковещательной рассылки (Active Slave Broadcast — ASB)

— Транспорт пассивного режима (Parked) подчиненной широковещательной рассылки (Parked Slave Broadcast — PSB)

Логические связи

Определено 5 логических связей:

— Управление связью (Link Control (LC)

— управление ACL (ACL Control (ACL-C))

— Пользовательская асинхронная/изохронная (User Asynchronous/Isochronous (ACL-U)) связь

— Пользовательская синхронная (User Synchronous (SCO-S)) связь

— Пользовательская расширенная синхронная (User Extended Synchronous (eSCO-S)) связь

Управление логическими связями LC используется на уровне управления связью. Управление логическими связями ACL-С используется на уровне администратора связи. Логическая связь ACL-U используется для транспортировки асинхронной и изохронной пользовательской информации. Логические связи SCO-S и eSCO-S используются для транспортировки синхронной пользовательской информации. Логическая связь LC транспортируется в заголовке пакета, все остальные связи транспортируются в данных пакета. ACL-C и ACL-U, находятся в идентификаторе связи, находящемся в заголовке пакета полезных данных (payload). SCO-S и eSCO-S транспортируются только в синхронных логических транспортах; ACL-U обычно транспортируется логическим транспортом ACL, однако, она может также транспортироваться данными в DV-пакете логического транспорта SCO. ACL-C связь может транспортироваться логическими транспортами SCO или ACL.

Пакеты

Пакет базового режима состоит из 3-х частей: код доступа, заголовок, полезные данные.

Пакет дополнительного режима модуляции (Enhanced Data Rate) состоит из 6 частей: код доступа, заголовок, поле защиты, поле синхронизации, полезная нагрузка и трейлер. Код доступа и заголовок используют ту же схему модуляции, что и в базовом режиме до момента синхронизации. Поле полезной нагрузки и трейле используют схему модуляции EDR. Поле защиты позволяет переходить между режимами модуляции.

Формирование битового потока

Перед тем как будет переданы полезные данные, в передатчике происходит некоторая обработка данных для повышения надежности и безопасности. В заголовок пакета добавляется сгенерированный байт HEC (Header Error Control) и происходит кодирование пакета методом FEC (Forward Error Correction). В приемнике происходят обратные процессы. Приемник инициализирует свои схемы НЕС так, что он может интерпретировать значение. Если значения НЕС не совпадают, весь пакет игнорируется.

Операции контроллера связей

StateDiagram

На рисунке изображена диаграмма, иллюстрирующая различные состояния, используемые в контроллере связи. Существует три основных состояния:

— ожидание (STANDBY)

— соединение (CONNECTION)

— парковка (PARK)

Кроме них существует семь промежуточных состояний:

— Page (см. определение выше)

— Page Scan (см. определение выше)

— Inquiry (см. определение выше)

— Inquiry Scan (см. определение выше)

— Ответ мастера

— Ответ подчиненного

— Ответ на запрос

Промежуточные состояния являются временными состояниями, используемыми для установления соединения и переключения в режим обнаружения устройства. Для перехода из одного основного или промежуточного состояния в другое, используются команды администратора связи (link manager) или внутренние сигналы контроллера связи (такие как срабатывание триггера по определенному сигналу в корреляторе или сигнал таймаута).

Звук

Для передачи аудио данных используется или импульсно-кодовая модуляция (Pulse Code Modulation — PCM) или адаптивная дельта импульсно-кодовая модуляция (Continuous Variable Slope Delta Modulation — CVSD) со скоростью передачи 64 Кбит/с.

Ссылка на оргинал, ещё и ещё

Have any Question or Comment?

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Март 2021
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031