手持式裝置短距離通訊方式之原理

手持式裝置短距離

通訊方式之原理中央大學(xué)資工系蘇木春萬能科技大學(xué)電子系周建興大綱手持式裝置短距離通訊方式簡(jiǎn)介藍(lán)芽技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)芽技術(shù)特色藍(lán)芽應(yīng)用模式藍(lán)芽模組之通訊實(shí)作手持式裝置短距離通訊方式簡(jiǎn)介1.藍(lán)芽(Bluetooth)2.紅外線傳輸(IrDA)3.IEEE802.11b4.HomeRF(SWAP,HomeRF)5.仍在討論的規(guī)格：

–IEEE802.15 –Wireless1394短距離無線通訊技術(shù)比較項(xiàng)目藍(lán)芽IrDAHomeRFIEEE802.11應(yīng)用市場(chǎng)傳輸量較低家用市場(chǎng)家用市場(chǎng)商用市場(chǎng)每秒傳輸速度1Mbits4Mbits0.8Mbits2Mbits使用頻率2.4GHz紅外線2.4GHz2.4GHz最常傳輸距離10M（1mW）100M（100mW）3.8M50M100M最大消費(fèi)電力送訊時(shí)30mA待機(jī)時(shí)0.3mA數(shù)mA1W藍(lán)芽與其他無線通訊協(xié)定比較與紅外線傳輸(IrDA)比較:–Bluetooth克服了紅外線傳輸在距離以及可連接裝置數(shù)的限制。–具有穿透性，克服地形地物的影響。–無方向性限制。與IEEE802.11比較:–IEEE802.11具有訊號(hào)距離長(zhǎng)、容納裝置數(shù)量多、傳輸速度更快的優(yōu)點(diǎn)。–但I(xiàn)EEE802.11專為電腦設(shè)計(jì)，不像藍(lán)芽具有跨越各種使用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。–藍(lán)芽晶片價(jià)格比IEEE802.11的裝置價(jià)格低上許多倍。紅外線傳輸簡(jiǎn)介(1)紅外線是一種電磁波，波長(zhǎng)在無線電波（包含：長(zhǎng)波、短波、超短波與微波等）與可見光波之間，約爲(wèi)0.75至1000微米（um）之間。光傳輸容易因傳輸?shù)慕橘|(zhì)而產(chǎn)生散射和折射等物理現(xiàn)象，可能會(huì)影響資料傳輸?shù)恼_性。紅外線要求訊號(hào)發(fā)射的方向必須是處?kù)丁刚龑?duì)面（LineofSight）」的角度才能傳輸，侷限其應(yīng)用領(lǐng)域只能做簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。在日常生活中所使用的家電遙控器、小型遙控玩具等都可利用紅外線來傳遞控制指令。紅外線通訊有著成本低廉、連接方便、簡(jiǎn)單易用和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，其次，紅外線的頻譜完全不受管制，不像無線電波網(wǎng)路必須針對(duì)某些頻帶申請(qǐng)核準(zhǔn)之後才能夠使用。紅外線傳輸簡(jiǎn)介(2)紅外線技術(shù)主要用於短距離傳輸，與藍(lán)芽（Bluetooth）技術(shù)的服務(wù)範(fàn)圍大小相當(dāng)，但其應(yīng)用領(lǐng)域與連接方式卻大不相同。紅外線傳裝置則已經(jīng)先一步在無線裝置領(lǐng)域佔(zhàn)有一席之地。由於元件成本低廉，加上最新技術(shù)可提供高達(dá)16Mbps的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線傳輸速率，因此紅外線元件獲得手機(jī)廠商的大量採(cǎi)用。紅外線技術(shù)的主要特性是：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、窄角度、近距離、高速的無線傳輸技術(shù)，不易竊取、複製，適合做為金錢交易的無線通訊媒介。紅外線傳輸技術(shù)規(guī)格西元1993年時(shí)，由惠普（HP）、康柏（Compaq）、英特爾（Intel）等二十多家公司發(fā)起成立了「紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（InfraredDataAssociation；IrDA）」。西元1993年6月28日，來自50多家企業(yè)的120多位代表出席了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA）的首次會(huì)議，並且針對(duì)建立統(tǒng)一的紅外線通訊標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)問題達(dá)成一致性的決定。紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA）在成立之後不滿一年的時(shí)間即新發(fā)表了三種紅外線資料交換標(biāo)準(zhǔn)，包括：SIR（SerialInfrared）1.0版本，支援115.2Kbps的傳輸速率；FIR（FastInfrared）1.1版規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，將資料傳輸速度提升至4Mbps；以及最新提出的VFIR（VeryFastInfrared）標(biāo)準(zhǔn)，支援16Mbps的高傳輸速率。藍(lán)芽基本概念(1)1998年5月由Ericsson,IBM,Intel,Nokia,Toshiba聯(lián)合定制(BluetoothSIG)Bluetooth由來有兩種說法為中世紀(jì)統(tǒng)一北歐的丹麥國(guó)王HaraldII

之名來自[騎士精神]石碑的拓碑文,取其統(tǒng)一之意藍(lán)芽計(jì)劃的開發(fā)目地就是讓所有可攜式行動(dòng)資訊裝置，能夠在短距離內(nèi)以無線方式傳輸連結(jié)，僅透過無線電波，即可聯(lián)結(jié)各種電子工具。目前市面上已開發(fā)的藍(lán)芽技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品，包括數(shù)位相機(jī)、個(gè)人數(shù)位助理、無線頭戴式耳機(jī)及麥克風(fēng)組等。藍(lán)芽計(jì)畫的目標(biāo)著重在資料傳輸方式與傳輸速度的改革，它將取代可攜式電腦、週邊設(shè)備與行動(dòng)電話之間的連線，成為一種開放的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)芽基本概念(2)藍(lán)芽技術(shù)可以在10～100公尺範(fàn)圍內(nèi)建構(gòu)起專屬個(gè)人的無線區(qū)域網(wǎng)路，其中最少可以容納8個(gè)PicoNet網(wǎng)路，上、下傳速度均為432Kbps，未來則可擴(kuò)充為2Mbps。藍(lán)芽技術(shù)使用2.4GHz無線電頻率，並以1600次跳頻以及加密保密技術(shù)，避免其他電子裝置的干擾。藍(lán)芽設(shè)備發(fā)射無線電波範(fàn)圍可達(dá)10公尺，可同時(shí)支援語音（voice）和數(shù)據(jù)（data）資料的傳送。並支援P2P（Point-to-Point）以及P2M（Point-to-Multipoint）傳輸方式。同時(shí)提供語音和資料通訊功能：最多可提供7個(gè)資料通訊頻道/Piconet最多可提供3個(gè)同時(shí)同步的語音通訊頻道藍(lán)芽技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)芽技術(shù)所使用的是射頻傳輸方式，傳輸在開放性的ISM2.4GHz頻段。藍(lán)芽的實(shí)際應(yīng)用層面可運(yùn)用在三種範(fàn)圍電腦與周邊設(shè)備之間的連結(jié)個(gè)人無線網(wǎng)路的連結(jié)語音及數(shù)據(jù)的接收傳送藍(lán)芽技術(shù)最早是設(shè)計(jì)用來傳遞語音資料的，所以藍(lán)芽技術(shù)使用了「CVSD語音編碼」技術(shù)，並且採(cǎi)用分時(shí)多工存取（TDMA）技術(shù)，其最大傳輸速率約可達(dá)1Mbps。藍(lán)芽技術(shù)跳頻技術(shù)跳頻速率為1600跳/秒791MHzchannels,共有79個(gè)頻道(hopchannel每個(gè)1MHz)以虛擬隨機(jī)數(shù)字決定跳躍頻道順序使這個(gè)窄頻成倍地?cái)U(kuò)展成寬頻帶對(duì)抗干擾,安全性有極大幫助藍(lán)芽技術(shù)-網(wǎng)路架構(gòu)一對(duì)一或一對(duì)七連接形成一個(gè)piconet互傳資料不同的piconet可以結(jié)合形成一個(gè)Scatternet互傳資料每個(gè)piconet提供特定的跳轉(zhuǎn)模式，因此它允許大量的piconet同時(shí)存在。藍(lán)芽技術(shù)-抗干擾低功率,傳輸距離短,可干擾信號(hào)少跳頻技術(shù)-避開存有jamsignal之頻帶傳送小型封包ACL(AsynchronousConnectionless)mode傳送非影音訊息之外資料時(shí)Errordetectbit偵測(cè)錯(cuò)誤並且重新傳輸封包藍(lán)芽技術(shù)-安全性Securityflexibility:3modeMode1:nosecurityex:名片,照片Mode2:servicelevel-enforcedsecurity

才根據(jù)應(yīng)用的不同來決定安全性的高低Mode3:linklevel-enforcedsecurity

連結(jié)時(shí)就會(huì)啟用安全模式

跳頻技術(shù)Changingkeyateverysession藍(lán)芽技術(shù)-發(fā)射功率藍(lán)芽標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格將藍(lán)芽設(shè)備的最大發(fā)射功率分為三個(gè)等級(jí)100mW（20dBm）2.5mW（4dBm）1mW（0dBm）一般使用功率為1mW時(shí)，傳輸距離是10公分～10公尺。當(dāng)發(fā)射來源接近或是遠(yuǎn)離，而使藍(lán)芽設(shè)備接收到的電波的強(qiáng)度改變時(shí)，藍(lán)芽設(shè)備會(huì)自動(dòng)的調(diào)整發(fā)射功率。當(dāng)發(fā)射功率提高到100mW時(shí)，傳輸距離可以擴(kuò)大到100公尺的範(fàn)圍。藍(lán)芽技術(shù)-調(diào)變技術(shù)在藍(lán)芽?jī)?nèi)載波訊號(hào)的頻率為2.4GHz，當(dāng)接收端收到載波訊號(hào)後，再依照反向過程來將來源基頻訊號(hào)由載波中分離，執(zhí)行解調(diào)變的工作。藍(lán)芽的數(shù)位調(diào)變技術(shù)採(cǎi)用GFSK，此種調(diào)變是以頻率的正偏移（PositiveFrequencyDeviation）來代表1，以及頻率的負(fù)偏移（NegativeFrequencyDeviation）來代表0。藍(lán)芽設(shè)備的連線傳輸模式(1)藍(lán)芽的設(shè)備支援語音服務(wù)與資料傳輸?shù)葍纱蠊δ?，其?cǎi)用的方式分別為同步連接導(dǎo)向（SynchronousConnection-Oriented；SCO）傳輸模式非同步非連接導(dǎo)向（AsynchronousConnection-Less；ACL）傳輸模式在藍(lán)芽標(biāo)準(zhǔn)中，電路交換式（Circuit-Switched）的傳輸稱為同步連接導(dǎo)向（SCO）連線。封包交換式（Packet-Switched）的傳輸稱為非同步非連接導(dǎo)向（ACL）連線。藍(lán)芽設(shè)備的連線傳輸模式(2)同步連接導(dǎo)向（SCO）連線同步連接導(dǎo)向（SCO）連線屬於電路交換式的同步傳輸型態(tài)。當(dāng)Master與Slave設(shè)備之間的連線一旦建立後，不管有無資料傳送，系統(tǒng)都會(huì)預(yù)留固定間隔的時(shí)槽給Master與Slave設(shè)備，其他Slave設(shè)備就不能利用此連線上的時(shí)槽來傳送資料。SCO連線較適合語音的傳輸，每一個(gè)SCO連線支援64Kbps的語音通話。一旦SCO連線建立，Master和Slave設(shè)備可以直接發(fā)送SCO封包，Master設(shè)備無須事先詢問Slave設(shè)備。SCO連線屬於點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)稱連接。當(dāng)SCO連線在傳輸語音時(shí)，由於語音封包不適合重新傳送，因此保護(hù)語音封包的方法是採(cǎi)取嚴(yán)格的語音編碼方法，即使接收一方收到封包錯(cuò)誤率非常高時(shí)，解碼後的語音品質(zhì)仍必須可以接受。藍(lán)芽設(shè)備的連線傳輸模式(3)非同步非連接導(dǎo)向（ACL）連線非同步非連接導(dǎo)向（ACL）連線屬於封包交換式（Packet-Switched）的非同步傳輸型態(tài)。封包交換式是將高層的資料切割成一段一段的封包，當(dāng)實(shí)體通道的時(shí)槽上沒有任何的SCO連線時(shí)，ACL連線可佔(zhàn)用任何時(shí)槽來傳送資料。一旦系統(tǒng)需要傳輸SCO連線時(shí)，ACL連線則自動(dòng)空出時(shí)槽供SCO連線使用。ACL是在傳輸數(shù)據(jù)資料時(shí)才運(yùn)用時(shí)槽，適合傳輸突發(fā)性的數(shù)據(jù)資料，屬於單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的非對(duì)稱連接。Master設(shè)備負(fù)責(zé)分配Piconet網(wǎng)路中每個(gè)Slave設(shè)備到Master的傳輸速率。Master設(shè)備送出ACL封包之前，必須先詢問各個(gè)Slave設(shè)備，選定某個(gè)Slave設(shè)備之後才能傳送資料，ACL連線也支援Master到Slave設(shè)備的廣播訊息。藍(lán)芽設(shè)備的連線傳輸模式(4)ACL連線支援對(duì)稱和非對(duì)稱兩種傳輸速率採(cǎi)用非對(duì)稱連接Piconet網(wǎng)路的最大頻寬為1Mbps，但是封包還需要負(fù)責(zé)傳送控制訊號(hào)。ACL連線在非對(duì)稱連結(jié)時(shí)，Master-to-Slave的傳輸速率為721Kbps，Slave-to-Master的傳輸速率為57.6Kbps。採(cǎi)用對(duì)稱連接Master與Slave之間的速率都是432.6Kbps。當(dāng)ACL連線傳輸數(shù)據(jù)資料時(shí)，會(huì)將每個(gè)封包都使用「自動(dòng)重送機(jī)制（ARQ）」加以保護(hù)，若接收一方收到錯(cuò)誤封包時(shí)，必須命令發(fā)送端將該封包重新傳送。藍(lán)芽協(xié)定堆疊架構(gòu)圖藍(lán)芽應(yīng)用模式無線耳機(jī)自動(dòng)資料同步多模手機(jī)（Multi-modePhone）互動(dòng)式會(huì)議Master與Slave設(shè)備之間的運(yùn)作(1)在傳輸模式方面，藍(lán)芽規(guī)格定義了兩個(gè)角色，即「主控端」（稱之為Master裝置）和「被控端」（稱為Slave裝置）。這兩個(gè)端點(diǎn)之間可以相互溝通以及傳遞資料。建立實(shí)體通道（PhysicalChannel）當(dāng)兩個(gè)藍(lán)芽設(shè)備建立起連結(jié)以後，相當(dāng)於是在基頻層建立起一條實(shí)體通道。其中Master設(shè)備與Slave設(shè)備之間的傳訊是以TDD方式進(jìn)行傳輸。Master設(shè)備會(huì)在偶數(shù)時(shí)槽中送出資料，Slave設(shè)備則在此時(shí)進(jìn)行監(jiān)聽。下一個(gè)時(shí)槽，則改由Master設(shè)備監(jiān)聽，Slave設(shè)備傳送資料。Master設(shè)備只在偶數(shù)的時(shí)槽傳送資訊，Slave設(shè)備只在奇數(shù)的時(shí)槽傳送資料。Master設(shè)備傳送的封包長(zhǎng)度不僅只佔(zhàn)有一個(gè)時(shí)槽，還能夠擴(kuò)展到3至5個(gè)時(shí)槽。Master與Slave設(shè)備之間的運(yùn)作(2)Master與Slave設(shè)備之間的時(shí)序同步所有的藍(lán)芽設(shè)備都有一個(gè)「內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)序（nativeclock）」，用以決定封包傳送的時(shí)間。這個(gè)內(nèi)部時(shí)序不斷的進(jìn)行運(yùn)算，不能被關(guān)閉或調(diào)整。Master與Slave設(shè)備之間的實(shí)體通道是以TDD模式互相傳送資料，因此，彼此間必須建立精確的時(shí)序同步。在Piconet網(wǎng)路中建立時(shí)序同步的方法是以Master設(shè)備的內(nèi)部時(shí)序?yàn)榛鶞?zhǔn)，此Piconet網(wǎng)路的每個(gè)Slave設(shè)備都會(huì)加上時(shí)序偏移，使得每個(gè)Slave設(shè)備的時(shí)序與Master設(shè)備的時(shí)序能夠同步。跳頻技術(shù)是以Master設(shè)備的BD_ADDR位址計(jì)算出跳頻序列，再將每個(gè)Slave設(shè)備內(nèi)的系統(tǒng)時(shí)序加上偏移量之後，使所有Slave設(shè)備的時(shí)序與Master設(shè)備相同。為了隨時(shí)維持Master與Slave設(shè)備之間的精準(zhǔn)同步，每次當(dāng)Master設(shè)備傳送封包到Slave設(shè)備時(shí)，都會(huì)加上偏移量來校正時(shí)序。Master與Slave設(shè)備之間的運(yùn)作(3)在藍(lán)芽設(shè)備內(nèi)還有另一個(gè)時(shí)序，稱為「預(yù)估系統(tǒng)時(shí)序（estimatedclock）」。當(dāng)Master設(shè)備在呼叫（paging）週遭的Slave設(shè)備來建立連線時(shí)，由於Master與Slave設(shè)備的時(shí)序尚未同步，Master設(shè)備必須調(diào)整時(shí)序，直到與被