# IEEE 802.15.1
###### tags: `IEEE`
[origin: IEEE standard 802.15.1, 2002 - Wireless Medium Access Control (MAC)and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs)](http://www.diegm.uniud.it/tonello/MATERIAL/STANDARDS/802.15.1/802.15.1-2002.pdf)
### background
* the idea of **WPAN** and **piconet**
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**Why WPAN?**
WPAN的提出，可追溯到電腦的轉變，從本來的桌上電腦縮小化、多樣化，衍伸到PDA、MP3、掌上型遊戲機、數位相機、行動電話等。因此進入「一人多機」的時代後，也就逐漸形成另一種需求，「多機」之間需要一個便捷的傳輸、溝通、交換網路，因此有了WPAN。
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:::success
**why is bluetooth is solution to WPAN？**
1998年，創始者 Ericsson 與 Nokia、IBM、東芝(Toshiba) 及 Intel組成了技術性組織(SIG)，希望能建立一個短距離無線通信技術，就是藍牙技術的前身。希望透過藍牙簡化短距離設備間的通訊，進一步達成更多無線通信的應用，而不需要被 WLAN 所侷限。
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:::success
**compare to others protocal, still have the future?**
迄今，藍牙技術已經應用到超過3萬個 SIG聯盟技術成員的82億件產品之中，且繼續上升中，所以我認為還是很有未來且很難被取代。
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### feature
* low power consumption
* short range transfer
* 2.4G ISM band
* 79 physical channels, each 1MHz
* 8 slaves
* frequence hopping, 1600 times per second
* FH-TDD-TDMA transmit method
* new feature, **bluetooth low energy** comming out
* Transmitting rate 720Kbps, up to 48Mbps now
* Intergrate with LANs
## structure



## connection (Baseband Layer)
:::success
Why inquiry and paging?
藍芽屬於Radio access network，因此在空氣中可以監聽到所訊號，因此要建立連線需要先使其同步，再交換雙方身份（你是誰？你有收到我的訊息嘛？），以確保連線的穩定性。
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### Frequency Hopping
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Why Frequency Hopping?
起初是作為戰爭通訊的用途，防止"竊聽"與"干擾"的手段之一，現在則沿用此技術作為無線通訊技術的必備協定之一。

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### inquiry
在 Bluetooth 裝置還<font color="red">未進入連線狀態之前</font>，並不隸屬於任何 Piconet 網路的成員，也<font color="red">未與任何 Master 之間的時序達到同步，並且跳頻順序也不相同</font>，因此，Master 裝置必須利用特殊的方法，才能執行 Inquiry 與 Paging 呼叫。Master 執行 Inquiry 程序的特殊方法，是利用某些特定頻道(ISM 頻段79個頻道中的32頻道)來廣播 ID 封包。

<font color="red">Inquiry 呼叫程序</font>一開始是由 Master 裝置進入 Inquiry 狀態，準備詢問是否有新的裝置欲加入 Piconet 網路；同時某些裝置啟動電源，也準備加入網路運作而進入 Inquiry Scan 狀態，聆聽廣播ID封包。

接下來，Master 裝置在特殊頻道上發送 ID 封包，該封包含著 Inquiry Access Code；相對地，Slave 裝置也由特殊頻道上收到 ID 封包，知道這是 Master 邀請加入網路的查詢訊號，便進入 Inquiry Response 狀態，並於隨後發送『跳頻同步封包』（FHS 封包）給 Master 裝置，FHS 封包內包含著 Slave 裝置本身的 BD_ADDR（Bluetooth Device Address）、原始時序（Native Clock）與裝置類別（Class of Device）訊息。由於同一時間可能有許多裝置被叫醒（Wake-up），所以在此採用隨機時間，以減少回應 FHS 封包時碰撞的機會，如果某一裝置的 FHS 封包和其它裝置碰撞，則必須回到 Inquiry Scan 狀態，等待下一個 ID 封包。

Master 裝置也許會在收到一個以上的 FHS 封包後，便進入 Page 狀態，執行下一個 Page 程序。同樣地，Slave 裝置在成功發送 FHS 封包後，也會進入 Page Scan 狀態。這裡特別要注意的是，Master 裝置是週期性的進入 Inquiry 狀態，詢問是否有新的裝置欲加入網路，因此所接收到個別裝置的 FHS 封包也會累積起來。
### paging
在呼叫Paging時，同樣是使用到 ISM 頻段上的 32 個特殊頻道。<font color="red">Master 裝置進入 Page 狀態後，可能已收到若干個裝置回應的 FHS 封包，此時必須分別針對每一個裝置做 Paging 的處理。</font>Master 裝置針對每一 Slave 的 BD_ADDR 來計算Page FHS(Frequency-Hopping Sequence），並以 ID 封包回應給 Slave 裝置，ID 封包內包含著 Slave DAC（Device Access Code）的 LAP 位址。

Slave 裝置在 Page Scan 狀態下收到 Master 的 ID 封包後，便進入 Slave Response 狀態，同時也回應相同的 DAC ID 封包給 Master 裝置。接下來，Master 裝置收到 Slave 的 DAC ID 封包後進入 Master Response 狀態，利用下一個 Master-to-Slave 時槽發送一個 FHS 封包給 Slave，此 FHS 封包包含有 Master 裝置的 BD_ADDR、以及即時的 Bluetooth 時序的值。緊接著，Slave 裝置回應一個 DAC ID 封包給 Master，表示有收到 FHS 封包。而 Master 也回應一個 ID 封包給 Slave，表示歡迎加入 Piconet 行列。

<font color="red">從此 Slave 擁有 Master 裝置的 BD_ADDR 與 CLKN，可以計算出 Master 的跳頻順序以及時序的同步，藉此進入連線狀態（Connection State）。同時 Master 也分配一個 AM_ADDR 位址給該 Slave，爾後便利用此位址來通訊，此裝置也正式成為 Piconet 的成員。</font>然而 Master 裝置會連續向欲加入網路的成員做 Page Procedure，一直到全部完成或逾時，才回到連結狀態。

### packet format

### access code
* channel access code: identifies a piconet.
* device access code: used for special signalling procedures, e.g., paging and response to paging.
* inquiry access code: used to discover which other Bluetooth units are in range or group.
<font color="red">In short, The different access code types use different Lower Address Parts (LAPs) to construct the sync word.</font>
### header

* AM_ADDR: 3-bit active member address
* TYPE: 4-bit type code
* ID packet
* NULL pakcet
* POLL packet
* FHS pakcet
* SCO packet
* ACL packet .etc
* FLOW: 1-bit flow control
* ARQN: 1-bit acknowledge indication
* SEQN: 1-bit sequence number
* HEC: 8-bit header error check
### payload
In the payload, two fields are
distinguished: the **SCO type** (synchronous) with voice field , and the **ACL type** (asynchronous) with data field.
:::success
Why ACL and SOC?
SCO連接建立後， Master和Slave會運用固定的time slot傳送資料，而其他的裝置不能用此連線的time slot來傳送資料。SCO提供了64kbps的傳輸速度，封包也不會重傳，針對於時間同步要求很高的資料，像是語音通話等。
ACL支援對稱及不對稱連線(可以一對一、一對多)。當實體通道沒有保留time slot給SCO Link時，ACL Link可佔用任何time slot進行封包交換。如果系統需要SCO Link，ACL Link則會空出time slot以供SCO連線使用。並且ACL封包可做到錯誤檢查並且資料重送，因此不需要高度同步。
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## Link between Master and Slave(LMP)
LMP messages are used for **link setup, security, and control**. They are transferred in the payload instead of L2CAP. Moreover, Link Manager messages have higher priority than user data. This means that if the Link Manager needs to send a message, it shall not be delayed by the L2CAP traffic, although it can be delayed by many retransmissions of individual baseband packets.
* **link setup**: pairing
* **security**: link key and encryption
* **control**: Timing accuracy and mode selection .etc 族繁不及備載

## Protocol Multiplexing(L2CAP)

* RFCOMM（Radio Frequency Communication）：主要功能是模擬 RS-232 serial port。因此 RFCOMM 上層可以連接 PPP（Point-to-Point Protocol）並透過 PPP 協定連結到其它通訊軟體，由此L2CAP, 只要透過RECOMM Layer連接到 Internet 網路。

* TCS（Telephone Control Specification）：在 Bluetooth 裝置之間建立語音與資料通訊所需的呼叫控制命令（Call Control Signalling），使 Bluetooth 裝置能與傳統的電話設備相結合。因此，透過 TCS 協定便可連結一般有線電話或行動電話。

* SDP（Service Discovery Protocol）：當裝置進入新的網路範圍時，必須搜尋新的環境是否能給予服務。當Client進入新的網路時，即由 SDP 尋找 Server 所能提供的服務類型；而當Client離開網路時，SDP 也能偵測出該網路所提供的服務已經不存在。(Like Handover in Wireless Network)

* Voice：一般語音傳輸都是利用同步傳輸（SCO），如果針對封包式（經過壓縮處理）的語音，也可透過 L2CAP 來利用非同步傳輸（ACL）。




## Bluetooth programming
suitable platform: Raspberry Pi
https://www.instructables.com/Control-Bluetooth-LE-Devices-From-A-Raspberry-Pi/

Example: rfcomm-server.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <bluetooth/bluetooth.h>
#include <bluetooth/rfcomm.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    struct sockaddr_rc loc_addr = { 0 }, rem_addr = { 0 };
    char buf[1024] = { 0 };
    int s, client, bytes_read;
    socklen_t opt = sizeof(rem_addr);

    // allocate socket
    s = socket(AF_BLUETOOTH, SOCK_STREAM, BTPROTO_RFCOMM);

    // bind socket to port 1 of the first available 
    // local bluetooth adapter
    loc_addr.rc_family = AF_BLUETOOTH;
    loc_addr.rc_bdaddr = *BDADDR_ANY;
    loc_addr.rc_channel = (uint8_t) 1;
    bind(s, (struct sockaddr *)&loc_addr, sizeof(loc_addr));

    // put socket into listening mode
    listen(s, 1);

    // accept one connection
    client = accept(s, (struct sockaddr *)&rem_addr, &opt);

    ba2str( &rem_addr.rc_bdaddr, buf );
    fprintf(stderr, "accepted connection from %s\n", buf);
    memset(buf, 0, sizeof(buf));

    // read data from the client
    bytes_read = read(client, buf, sizeof(buf));
    if( bytes_read > 0 ) {
        printf("received [%s]\n", buf);
    }

    // close connection
    close(client);
    close(s);
    return 0;
}

rfcomm_client.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <bluetooth/bluetooth.h>
#include <bluetooth/rfcomm.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    struct sockaddr_rc addr = { 0 };
    int s, status;
    char dest[18] = "01:23:45:67:89:AB";

    // allocate a socket
    s = socket(AF_BLUETOOTH, SOCK_STREAM, BTPROTO_RFCOMM);

    // set the connection parameters (who to connect to)
    addr.rc_family = AF_BLUETOOTH;
    addr.rc_channel = (uint8_t) 1;
    str2ba( dest, &addr.rc_bdaddr );

    // connect to server
    status = connect(s, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

    // send a message
    if( status == 0 ) {
        status = write(s, "hello!", 6);
    }

    if( status < 0 ) perror("uh oh");

    close(s);
    return 0;
}

## IEEE or other journal