藍牙技術及其原理綜述

1、藍牙技術及其原理綜述Internet和移動通信的迅速發(fā)展，使人們對電腦以外的各種數(shù)據(jù)源和網(wǎng)絡服務的需求日益增長。藍牙作為一個全球開放性無線應 用標準，通過把網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)和語音設備用無線鏈路連接起來，使人們能 夠隨時隨地實現(xiàn)個人區(qū)域內(nèi)語音和數(shù)據(jù)信息的交換及傳輸，從而實現(xiàn)快速 靈活的通信。一、藍牙出現(xiàn)的背景早在19 9 4年，瑞典的E r icsso n公司便已經(jīng)著手藍牙技 術的研究幵發(fā)工作，意在通過一種短程無線鏈路， 實現(xiàn)無線電話用PC機、 耳機及臺式設備等之間的互聯(lián)。1998年2月，Ericsson、NokiaIntelToshiba和IEM共同組建特別興趣小 組。在此之后，3Com、Luce

2、nt、Microsoft 和Motorola也相繼加盟藍牙計劃。它們的共同目標是幵發(fā)一種全球通用 的小范圍無線通信技術，即藍牙。它是針對目前近距的便攜式器件之間的 紅外線鏈路（i nfraredlink，簡稱IrDA）而提出的。應用紅外線收發(fā)器鏈接雖然能免去電線或電纜的連接，但是使用起來有許 多不便，不僅距離只限于12 m，而且必須在視線上直接對準，中間不 能有任何阻擋，同時只限于在兩個設備之間進行鏈接，不能同時鏈接更多 的設備。 藍牙技術的目的是使特定的移動電話、便攜式電腦以及各種便攜式通信設備的主機之間在近距離內(nèi)實現(xiàn)無縫的資源共享。藍牙是一個幵放性的無線通信標準，它將取代目前多種電纜連接方

3、案，通過統(tǒng)一的短程無線鏈路，在各信息設備之間可以穿過墻壁或公文 包，實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本小功耗的話音和數(shù)據(jù)通信。它推動 和擴大了無線通信的應用范圍，使網(wǎng)絡中的各種數(shù)據(jù)和語音設備能互連互 通，從而實現(xiàn)個人區(qū)域內(nèi)的快速靈活的數(shù)據(jù)和語音通信。二、藍牙中的主要技術藍牙技術是一種無線數(shù)據(jù)及語音通信的幵放性全球規(guī)范，它以低 成本的近距離無線連接為基礎，為固定及移動設備通信環(huán)境建立一個特別 連接的短程無線電技術。其實質(zhì)內(nèi)容是要建立通用的無線電空中接口(r adio air interface)及其控制軟件的公幵標準，使通 信和計算機進一步結(jié)合，使不同廠家生產(chǎn)的便攜式設備在沒有電線或電纜 相互連接的

4、情況下，能在近距離范圍內(nèi)具有互用、互操作的性能(int eroperability)。藍牙 技術的作用是簡化小型網(wǎng)絡設備(如移動PC、掌上電腦、 手機)之間以及這些設備及I nternet之間的通信，免除在無繩電 話或移動電話、調(diào)制解調(diào)器、頭套式送/受話器、PDA、計算機、打印 機、幻燈機、局域網(wǎng)等之間加裝電線、電纜和連接器。此外，藍牙無線技 術還為已存在的數(shù)字網(wǎng)絡和外設提供通用接口以組建一個遠離固定網(wǎng)絡 的個人特別連接設備群。藍牙的載頻選用在全球都可用的2.45GHz工業(yè)、科學、醫(yī)學（ISM）頻帶，其收發(fā)信機米用跳頻擴譜（FrequencyHopping Spread Spectrum）技術

5、，在2. 45GHzISM頻帶上以1 6 0 0跳/s的速率進行跳頻。依據(jù)各國的具體情況， 以2. 45GHz為中心頻率， 最多可以得到79個1MHz帶寬的信道。 在發(fā)射帶寬為1MHz時，其有效數(shù)據(jù)速率為7 2 1kbit/s，并采 用低功率時分復用方式發(fā)射，適合3 0英尺（約10 m）范圍內(nèi)的通信。 數(shù)據(jù)包在某個載頻上的某個時隙內(nèi)傳遞，不同類型的數(shù)據(jù)（包括鏈路管理 和控制消息）占用不同信道，并通過查詢（in quiry ）和尋呼（p aging）過程來同步跳頻頻率和不同藍牙設備的時鐘。除采用跳頻擴 譜的低功率傳輸外，藍牙還采用鑒權和加密等措施來提高通信的安全性。藍牙支持點到點和點到多點的連接

6、，可采用無線方式將若干藍牙 設備連成一個微微網(wǎng)（Piconet），多個微微網(wǎng)又可互連成特殊分 散網(wǎng)，形成靈活的多重微微網(wǎng)的拓撲結(jié)構，從而實現(xiàn)各類設備之間的快速 通信。它能在一個微微網(wǎng)內(nèi)尋址8個設備（實際上互聯(lián)的設備數(shù)量是沒有 限制的，只不過在同一時刻只能激活8個，其中1個為主7個為從）。藍牙技術涉及一系列軟硬件技術、方法和理論，包括無線通信及 網(wǎng)絡技術，軟件工程、軟件可靠性理論，協(xié)議的正確性驗證、形式化描述 和一致性及互聯(lián)測試技術，嵌入式實時操作系統(tǒng)（EmbeddedRTOS），跨平臺幵發(fā)和用戶界面圖形化技術，軟硬件接口技術（如RS 2 3 2，UART，USB等），高集成、低功耗芯片技術等。

7、三、藍牙系統(tǒng)組成藍牙系統(tǒng)一般由天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟 件）單元和藍牙軟件（協(xié)議棧）單元四個功能單元組成。1.天線單元藍牙要求其天線部分體積十分小巧、重量輕，因此，藍牙天線屬于微帶天線。藍牙空中接口是建立在天線電平為0dE的基礎上的。空中接口遵循 Federal communication Commissi on （簡稱FCC，即美國聯(lián)邦通信委員會）有關電平為0 dE的ISM頻段的標準。如果全球電平達到10 0 mw以上，可以使用擴展頻譜功能來增加一些補充業(yè)務。頻譜擴展功能是通過起始頻率為2. 4 0 2 GHz,終止頻率為2. 4 8 0 GHz，間隔為1MHz的 79個

8、跳頻頻點來實現(xiàn)的。出于某些本地規(guī)定的考慮，日本、法國和西班牙都縮減了帶寬。最大的跳頻速率為1 6 6 0跳/s。理想的連接范圍為10 0mm10m,但是通過增大發(fā)送電平可以將距離延長至10 0m。藍牙工作在全球通用的2.4GHzISM （即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。藍牙的數(shù)據(jù) 速率為1Mbit/sISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都幵放的頻帶， 因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。例如某些家電、無 繩電話、汽車房開門器、微波爐等等，都可能是干擾源。為此，藍牙特別 設計了快速確認和跳頻方案以確保鍵路穩(wěn)定。跳頻技術是把頻帶分成若干 個跳頻信道（hop channel ），在一次連接中，無線電收

9、發(fā)器按一定的碼序列（即一定的規(guī)律，技術上叫做偽隨機碼 ，就是假的隨 機碼）不斷地從一個信道 跳到另一個信道，只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)律進行通信的，而其它的干擾不可能按同樣的規(guī)律進行干擾；跳頻的瞬時帶 寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶成百倍地擴展成寬頻帶，使 干擾可能造成的影響變得很小。時分雙工（TimeDivisionDuplex，簡稱TDD）方案被用來實現(xiàn)全雙工傳輸。及其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍牙比其它系統(tǒng)都更穩(wěn)定。FEC（ForwardError Correctio n,前向糾錯）的使用抑制了長距離鏈路的隨機 噪音；應用了二進制調(diào)頻（FM）技術的跳

10、頻收發(fā)器被用來抑制干擾和防 止衰落。2 鏈路控制（固件）單元在目前藍牙產(chǎn)品中，人們使用了3個IC分別作為聯(lián)接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器，此外還使用了3 05 0個單獨調(diào)諧 元件。 基帶鏈路控制器負責處理基帶協(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議。它 有3種糾錯方案：1/3比例前向糾錯（FEC ）碼、2/3比例前向糾 錯碼和數(shù)據(jù)的自動請求重發(fā)方案。采用FEC（前向糾錯）方案的目的是 為了減少數(shù)據(jù)重發(fā)的次數(shù)，降低數(shù)據(jù)傳輸負載。但是，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無差 錯傳輸，F(xiàn)EC就必然要生成一些不必要的幵銷比特而降低數(shù)據(jù)的傳送效 率。這是因為數(shù)據(jù)包對于是否使用FEC是彈性定義的。報頭總有占1/ 3比例的FEC碼起

11、保護作用，其中包含了有用的鏈路信息。在無編號的ARQ方案中，在一個時隙中傳送的數(shù)據(jù)必須在下一個時隙得到收到 的確認。只有數(shù)據(jù)在收端通過了報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余檢測后認為無 錯才向發(fā)端發(fā)回確認消息，否則返回一個錯誤消息。比如藍牙的話音信道 米用 Continuous Variable Slope Delta Modulation （簡稱C V S D,即連續(xù)可變斜率增量調(diào)制技術） 話音編碼方案，獲得高質(zhì)量傳輸?shù)囊纛l編碼。CVSD編碼擅長處理丟失 和被損壞的語音采樣，即使比特錯誤率達到4%, CVSD編碼的語音還 是可聽的。3 .路管理（軟件）單元鏈路管理（LM）軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設置、鑒權

12、、鏈路 硬件配置和其它一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其它遠端LM并通過LMP （鍵 路管理協(xié)議）及之通信。LM模塊提供如下服務：-發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。請求名稱。鏈路地址查詢。建立連接。鑒權。鏈路模式協(xié)商和建立。-決定幀的類型。將設備設為snif f （呼吸）模式。Master（主機） 只能有規(guī)律地在特定的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。將設備設為hold保持 模式。工作在hold模式的設備為了節(jié)能在一個較長的周期內(nèi)停止接收數(shù)據(jù)，每一次激活鏈路，這由L M定義，LC（鏈路控制器）具體操作。當設備不需要傳送或接收數(shù)據(jù)但仍需保持同步時將設備設為暫 停模式。處于暫停模式的設備周期性地激活并跟蹤同步，同時檢查pag e消息。建立網(wǎng)絡

13、連接。在piconet內(nèi)的連接被建立之前，所有 的設備都處于standby （待命）狀態(tài)。在這種模式下，未連接單元 每隔1 . 2 8s周期性地監(jiān)聽信息。每當一個設備被激活，它就監(jiān)聽規(guī) 劃給該單元的3 2個跳頻頻點。跳頻頻點的數(shù)目因地理區(qū)域的不同而異， 32這個數(shù)字適用于除日本、法國和西班芽之外的大多數(shù)國家。作為ma ster的設備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過尋呼（pa ge）消息建立連接，如果地址未知，則通過一個后接page消息的i nquiry （查詢）消息建立連接。在最初的尋呼狀態(tài)master 單元將在分配給被尋呼單元的16個跳頻頻點上發(fā)送一串16個相同的 page消處。如果

14、沒有應答master則按照激活次序在剩余6個 頻點上繼續(xù)尋呼Slave從機 收到從master發(fā)來的消息的周期的一半（0 . 6 S）olnquiry消息主要用來尋找藍牙設備，如 共享打印機、傳真機和其它一些地址未知的類似設備，In quiry消 息和page消息很相像，但是In quiry消息需要一個額外的數(shù)據(jù) 串周期來收集所有的響應。如果piconet中已經(jīng)處于連接的設備在 較長一段時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸，藍牙還支持節(jié)能工作模式。master 可以把salve置為hold（保持）模式，在這種模式下，只有一個 內(nèi)部計數(shù)器在工作。slave也可以主動要求被置為hold模式 old模式一般被用于連接

15、好幾個piconet的情況下或者耗能低 的設備，如溫度傳感器。除hold模式外，藍牙還支持另外兩種節(jié)能工 作模式：snif f （呼吸）模式和park（暫停）模式。在snif f模式下，slave降低了從piconet收聽消息的速率，呼吸間隔可以依應用要求做適當?shù)恼{(diào)整。在park模式下，設備依然及 piconet同步但沒有數(shù)據(jù)傳送。工作在park模式下的設備放棄 了MAC地址，偶爾收聽master的消息并恢復同步、檢查廣播消息。如果我們把這幾種工作模式按照節(jié)能效率以升序排隊，那么依次是：呼吸 模式、保持模式和暫停模式。連接類型和數(shù)據(jù)包類型。連接類型定義了哪種類型的數(shù)據(jù)包能在特別連接中使用。藍牙

16、基帶技術支持兩種連接類型： 同步定向連接（S ynchronous Connection Oriented，簡稱SCO）類型，主要用于傳送話音；異步無連接（Asynchronous Connectionless簡稱ACL）類型，主要用于傳送數(shù)據(jù)包。同一個piconet中不同的主從對可以使用不同的連接類 型，而且在一個階段內(nèi)還可以任意改變連接類型。每個連接類型最多可以 支持16種不同類型的數(shù)據(jù)包，其中包括4個控制分組，這一點對SCO 和ACL來說都是相同的。兩種連接類型都使用TDD（時分雙工傳輸方 案）實現(xiàn)全雙工傳輸。SCO連接為對稱連接，利用保留時隙傳送數(shù)據(jù)包。連接建立后master和slav

17、e可以不被選中就發(fā)送SCO 數(shù)據(jù)。SCO數(shù)據(jù)包既可以傳送話音， 也可以傳送數(shù)據(jù)，但在傳送數(shù)據(jù)時, 只用于重發(fā)被損壞的那部分的數(shù)據(jù)。ACL鏈路就是定向發(fā)送數(shù)據(jù)包，它既支持對稱連接，也支持 不對稱連接master負責控制鏈路帶寬，并決定piconet中 的每個slave可以占用多少帶寬和連接的對稱性。slave只有被 選中時才能傳送數(shù)據(jù)ACL鏈路也支持接收master發(fā)給pico net中所有slave的廣播消息。鑒權和保密。藍牙基帶部分在物理層為用戶提供保護和信息保密機制。鑒權基于請求一響應運算法則。鑒權是藍牙系統(tǒng)中的關鍵部分，它允許 用戶為個人的藍牙設備建立一個信任域，比如只允許主人自己的筆記

18、本電 腦通過主人自己的移動電話通信。加密被用來保護連接的個人信息。密鑰 由程序的高層來管理。網(wǎng)絡傳送協(xié)議和應用程序可以為用戶提供一個較強 的安全機制4.軟件（協(xié)議棧）單元藍牙的軟件（協(xié)議棧）單元是一個獨立的操作系統(tǒng)，不及任何操 作系統(tǒng)捆綁。它必須符合已經(jīng)制定好的藍牙規(guī)范。藍牙規(guī)范是為個人區(qū)域 內(nèi)的無線通信制定的協(xié)議，它包括兩部分：第一部分為核心（Core） 部分，用以規(guī)定諸如射頻、基帶、連接管理、業(yè)務搜尋（service discovery）、傳輸層以及及不同通信協(xié)議間的互用、互操作性 等組件；第二部分為協(xié)議子集（Profile）部分，用以規(guī)定不同藍 牙應用（也稱使用模式）所需的協(xié)議和過程。藍

19、牙規(guī)范的協(xié)議棧仍采用分層結(jié)構，分別完成數(shù)據(jù)流的過濾和傳 輸、跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數(shù)據(jù)的拆裝、 業(yè)務質(zhì)量（QoS）、協(xié)議的復用和分用等功能。在設計協(xié)議棧，特別是 高層協(xié)議時的原則就是最大限度地重用現(xiàn)存的協(xié)議，而且其高層應用協(xié)議 （協(xié)議棧的垂直層）都使用公共的數(shù)據(jù)鏈路和物理層。藍牙協(xié)議可以分為4層，即核心協(xié)議層、電纜替代協(xié)議層、電話 控制協(xié)議層和采納的其它協(xié)議層。1、核心協(xié)議藍牙的核心協(xié)議由基帶、鏈路管理（LMP）、邏輯鏈路控制及 適應協(xié)議（L2CAP ）和業(yè)務搜尋協(xié)議（SDP ）等四部分組成。從應 用的角度看，射頻、基帶和LMP可以歸為藍牙的低層協(xié)議，它們對應用 而言

20、是十分透明的。基帶和LMP負責在藍牙單元間建立物理射頻鏈路，構成微微網(wǎng)。此外，LMP還要完成像鑒權和加密等安全方面的任務，包 括生成和交換加密鍵、鏈路檢查、基帶數(shù)據(jù)包大小的控制、藍牙無線設備 的電源模式和時鐘周期、微微網(wǎng)內(nèi)藍牙單元的連接狀態(tài)等。邏輯鏈路控制 及適應協(xié)議（L2CAP ）完成基帶及高層協(xié)議間的適配，并通過協(xié)議復 用、分用及重組操作為高層提供數(shù)據(jù)業(yè)務和分類提取，它允許高層協(xié)議和 應用接收或發(fā)送長達6 4K字節(jié)的L2CAP數(shù)據(jù)包。 業(yè)務搜尋協(xié)議（SDP）是極其重要的部分，它是所有使用模式的基礎。通過SDP，可以 查詢設備信息、業(yè)務及業(yè)務特征，并在查詢之后建立兩個或多個藍牙設備 間的連接

21、SDP支持3種查詢方式：按業(yè)務類別搜尋、按業(yè)務屬性搜尋 和業(yè)務瀏覽（browsing）。2、電纜替代協(xié)議串行電纜仿真協(xié)議（RFCOMM）像SDP樣位于L2CAP之上，作為一個電纜替代（cablereplacement）協(xié)議，它通過在藍牙的基帶上仿真RS- 2 3 2的控制和數(shù)據(jù)信號，為那些 將串行線用作傳輸機制的高級業(yè)務（如OEEX協(xié)議）提供傳輸能力。該 協(xié)議由藍牙特別興趣小組在ETSI的TS07.10基礎上幵發(fā)而成。3、電話控制協(xié)議電話控制協(xié)議包括電話控制規(guī)范二進制（TCSBIN）協(xié)議和一套電話控制命令（AT-commands）。其中，TCSBIN 定義了在藍牙設備間建立話音和數(shù)據(jù)呼叫所需的

22、呼叫控制信令；ATcommands則是一套可在多使用模式下用于控制移動電話和調(diào)制解調(diào)器的命令，它由藍牙特別興趣小組在ITU TQ.931的基礎上幵發(fā)而成。4、采納的其它協(xié)議電纜替代層、電話控制層和被采納的其它協(xié)議層可歸為應用專用（application-specific） 協(xié)議。在藍牙中，應用 專用協(xié)議可以加在串行電纜仿真協(xié)議之上或直接加在L2CAP之上。被 采納的其它協(xié)議有PPP、UDP/TCP/IP、OEEX、WAP、 WAEvCardvCalendar等。在藍牙技術中，PPP運 行于串行電纜仿真協(xié)議之上，用以實現(xiàn)點到點的連接。UDP/TCP/ IP由IETF定義，主要用于I nternet上的通信。IroEE X（short OBEX）是紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA）幵發(fā)的一個會 話協(xié)議，能以簡單自發(fā)的方式交換目標，O