藍牙技術調研報告

1、CENTRAL SOUTH UNIVERSITY課外研學調研報告題 目關于無線藍牙技術的調研學生姓名指導教師鄧曉衡學 院信息科學與工程學院專業(yè)班級完成時間20210113摘要如今的信息時代，“無線這個名詞已經深入到生活和工作的各個領域，越來越多的產品都用上了無線，其中的典型就是無線網絡和無線通信。目前,作為新興無線通信技術的無線個域網絡(WPAN)與無線局域網絡(WLAN)正在迅速開展。而作為WPAN主導技術的藍牙目的是取代有線連接,能夠支持10 m范圍內的700 kb/s 數(shù)據(jù)或語音傳輸。藍牙作為一種無線電的典型，在各類產品中應用范圍廣泛，現(xiàn)已涉及到辦公自動化、家庭娛樂、電子商務、工業(yè)控制、

2、智能化建筑等方面，而且應用前景良好、開展勢頭強勁。藍牙無線技術能夠提供比有線連接更加自由的連接方式，被稱為個人通信技術領域的一次革命。為了更好了解我們生活中的領先技術，改善我們的生活，跟上時代的腳步，此次調研至關重要。本文將從藍牙的形成背景、開展歷程及現(xiàn)狀、根本原理和特點、關鍵技術及應用、存在的關鍵問題及開展趨勢等方面對無線藍牙技術進行粗略的介紹。關鍵詞：無線通信 藍牙技術 無線個域網 藍牙應用 目 錄前言1第一章 藍牙技術的形成背景、開展歷程及現(xiàn)狀1 形成背景1開展歷程1藍牙技術最初由愛立信創(chuàng)制1藍牙版本及版本1藍牙版本2藍牙版本2藍牙2.0+EDR版本2藍牙2.1+EDR版本21.2.7

3、藍牙HS版本21.2.8 藍牙版本31.3 現(xiàn)狀3第二章 根本原理和特點4根本原理42.1.1藍牙解決的問題4藍牙的解決方案4特點4第三章 關鍵技術及應用6關鍵技術63.1.1 IEEE 802. 11 b 標準6自適應跳頻技術6應用6第四章 存在的關鍵問題及開展趨勢8存在的關鍵問題8開展趨勢9第五章 結束語10參考文獻11前言近年來,因特網(Internet)技術和移動通信技術已經成為整個通信業(yè)高速開展的兩大支柱。以Internet為代表的數(shù)據(jù)通信的普及,使得整個社會已經步入了網絡社會。移動通信技術的迅猛開展,也已經極大地改變了人們生活和工作方式。人們在享受著移動 帶來方便的同時,逐漸出現(xiàn)了

4、移動數(shù)據(jù)通信的需求,推動著Internet 技術和移動通信技術進一步緊密地集成。另外，隨著家用電子電器的開展，無論在辦公室還是居室到處都布滿了各種各樣的電纜，而有線電纜卻有相當多的的固有缺點如使用不便、連線頻出故障、各種電纜之間不通用等諸多傷腦筋的問題。藍牙技術正是在此種情況下應運而生的。所謂藍牙技術，是一種低功率短距離的無線連接技術標準的代稱，其實實質是要建立通用的無線空中接口及其控制軟件的公開標準，、使通信和計算機進一步結合，使不同廠家生產的便攜式設備在沒有電線或電纜相互連接情況下，能在近距離范圍內具有互用、互操作的性能。一般來說，它的鏈接范圍為10cm10m;如果增加傳輸功率的話，其鏈接

5、范圍可以擴展到100m。藍牙技術以無線局域網的IEEE802.11標準技術為根底，工作在2.4GHz ISM頻段，在世界范圍內都可以自由使用。藍牙技術標準中采用了一種Plonk and play的概念，其作用是讓用戶只要在能建立連接的情況下都可以使用，而且是即時的。另外，藍牙技術在關于平安性研究方面采用了獨特的跳頻技術，每隔一段時間就從一個頻率跳到另一個頻率，這樣既能保障平安，又能減小干擾。本文主要從藍牙的形成背景、開展歷程及現(xiàn)狀、根本原理和特點、關鍵技術及應用、存在的關鍵問題及開展趨勢等方面對無線藍牙技術進行粗略的介紹，并提出一些個人的問題。第一章 藍牙技術的形成背景、開展歷程及現(xiàn)狀 形成背

6、景1998年5月，愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾公司等五家著名廠商，在聯(lián)合開展短程無線通信技術的標準化活動時提出了藍牙技術，其宗旨是提供一種短距離、低本錢的無線傳輸應用技術。這五家廠商還成立了藍牙特別興趣組，以使藍牙技術能夠成為未來的無線通信標準。芯片霸主Intel公司負責半導體芯片和傳輸軟件的開發(fā)，愛立信負責無線射頻和移動 軟件的開發(fā)，IBM和東芝負責筆記本電腦接口規(guī)格的開發(fā)。1999年下半年，著名的業(yè)界巨頭微軟、摩托羅拉、三康、朗訊與藍牙特別小組的五家公司共同發(fā)起成立了藍牙技術推廣組織，從而在全球范圍內掀起了一股“藍牙熱潮。全球業(yè)界即將開發(fā)一大批藍牙技術的應用產品，使藍牙技術呈現(xiàn)出極

7、其廣闊的市場前景，并預示著21世紀初將迎來波瀾壯闊的全球無線通信浪潮。關于藍牙這個名字的由來還有一個小故事?！啊！八{牙這名稱來自10世紀的丹麥國王哈拉爾德(Harald Gormsson)的外號。出身海盜家庭的哈拉爾德統(tǒng)一了北歐四分五裂的國家，成為維京王國的國王。由于他喜歡吃藍莓，牙齒常常被染成藍色，而獲得“藍牙的綽號，當時藍莓因為顏色怪異的緣故被認為是不適合食用的東西，因此這位愛嘗新的國王也成為創(chuàng)新與勇于嘗試的象征。1998年，愛立信公司希望無線通信技術能統(tǒng)一標準而取名“藍牙。 1.2開展歷程1.藍牙技術最初由愛立信創(chuàng)制1999年5月20日，索尼愛立信、IB英特爾、諾基亞及東芝等業(yè)界龍頭創(chuàng)立

8、藍牙特別興趣組，制訂藍牙技術標準。1.藍牙版本及版本早期的和版本存在很多問題，不同廠商的產品也互不兼容。同時，在兩個裝置“握手的過程中，藍牙硬件的位址會被傳送出去，在協(xié)定的層面上不能做到匿名，有泄漏資料的危險?！八{牙的標準是IEEE 802.15，藍牙協(xié)議工作在無需許可的ISM頻段2.45GHz。最高速度可達723.1 kb/s。為了防止干擾可能使用2.45GHz的其它協(xié)議, 藍牙協(xié)議將該頻段劃分成79條渠道，并且最多每秒可更換渠道1600次。 1.2000年11月，SIG通過了藍牙版本，這是一個成功的操作藍牙版本，更正了先前版本中出現(xiàn)的問題。此版本中涉及的改變有以下幾個方面：在無線電方面，版

9、本升級了對無線電波的選擇范圍；在IA方面，其改變主要包括主從關系分類和關鍵字互換鏈接備用，這解決了由CVSD編碼器中混亂字符產生的互通性問題；在鏈接管理方面，鏈接管理局部在所有內容中修改最多，共有25處修改，這些修改包括對其他設備附屬傳送及相互電文鑒別的阻止路徑。1.藍牙版本的發(fā)表，被SIG視為能夠讓藍牙產品更易于使用的具有里程碑意義的技術，其相較于版本而言，主要參加了4項新增功能：1自適應跳頻；2參加延伸同步連接導向信道技術；3FasterConnection，參加1.藍牙2.0+EDR版本該版本是藍牙1.2版本的改進版，主要有五大改進：3倍于藍牙版本的數(shù)據(jù)傳輸速率；通過減少工作負載循環(huán)到達

10、較低電力消耗；增加帶寬簡化了多連接模式；向后兼容早期藍牙設備；降低了比特誤差率BE.1.藍牙2.1+EDR版本該版本是針對藍牙2.0版本提出的改進版的技術標準。主要修改包括個方面：改善裝置配對流程；具有更佳的省電效果1. 藍牙HS版本2021年4月藍版本標準正式發(fā)布，其名稱為HS。使用了AMPgenericalternatemAC/PHY技術，其速度可以比得上Wi-Fi無線網絡，同時透過與通訊協(xié)議的整合，安裝有藍牙模塊的終端不僅可以被用在手持裝置間傳輸一些小檔案，而且連接DV、HDTV、PC多媒體隨身播放器、UPMC打印機等不同的組合，都是HS有可能被應用的范圍。1. 2021年4月20日，S

11、IG表示，藍牙4.0技術標準已經根本成型，藍牙4.0包括三個子標準，即傳統(tǒng)藍牙技術、高速藍牙和新的藍牙低功耗技術。藍牙 4.0的改進之處主要表達在三個方面，電池續(xù)航時間、節(jié)能和設備種類上。1.3 現(xiàn)狀目前，藍牙技術已獲得了全球認可，世界各地的藍牙設備都可以與其鄰近的藍牙設備連接。藍牙電子設備可以通過短距離的即時網絡稱為微微網進行無線連接和通信。每個設備最多可以在微微網中同時與七個其它設備進行通信。每個設備還可以同時屬于多個微微網。當藍牙設備進入然后離開無線電鄰近區(qū)域時，微微網可在此期間自動動態(tài)建立?，F(xiàn)在，藍牙有超過億的無線用戶，其中包括億多使用無線互聯(lián)網訪問效勞的用戶。第三代移動通信技術將為藍

12、牙互聯(lián)提供更大的市場，藍牙互聯(lián)技術允許 、便攜設備、筆記本電腦和第三方的接入設備互相連接在一起。表1藍牙技術的根本指標情況主要技術指標根本情況核心規(guī)格版本版本2.0 +增強數(shù)據(jù)率(EDR)，2004年11月正式采用。版本HS，2021年4月正式發(fā)布。ISO協(xié)議層Bluetooth無線規(guī)格為產品開發(fā)商提供了鏈路層和應用層定義，可以支持數(shù)據(jù)和語音應用。頻譜運行于至波段，使用擴頻跳頻全雙工信號，額定速率為1600跳/秒。2.4GHz ISM波段在大多數(shù)國家都可用，且不需申請許可證。傳輸范圍1類無線電主要用于工業(yè)應用案例擁有100米或300英尺的作用范圍2類無線電通常用于移動設備擁有10米或30英尺的

13、作用范圍3類無線電最大范圍可達1米或3英尺功率最常用的2類無線電使用的功率。數(shù)據(jù)率版本2.0 + EDR支持3 Mbps；版本HS可支持24 Mbps第二章 根本原理和特點2.1根本原理2.藍牙解決的問題如果任意兩個設備需要相互“對話，那么在開始“對話之前，它們需要在很多方面達成“協(xié)議。首先是物理層：它們是通過線纜，還是通過某種形式的無線信號進行“對話？如果使用線纜，那么需要多少條，1條、2條、8條，還是25條？確定好物理特性后，還會出現(xiàn)以下問題：1一次要發(fā)送多少數(shù)據(jù)？例如，串行端口一次可發(fā)送1比特的數(shù)據(jù)，而并行端口一次可發(fā)送假設干比特的數(shù)據(jù)。 2它們將如何進行“對話？參與電子“討論的各方需要

14、知道比特數(shù)據(jù)的含義，以及接收到的信息與發(fā)送的信息是否相同。這意味著需要開發(fā)一組命令和響應，稱為“協(xié)議。 2.藍牙的解決方案藍牙主要應用于以下兩個層上：它促成物理層達成協(xié)議，藍牙屬于無線電頻率標準。它不需要用戶干預，且始終保持極低的傳輸功率 。它促成協(xié)議層達成協(xié)議，產品必須就何時發(fā)送比特、一次發(fā)送多少比特，以及如何讓對話各方確信接收信息與發(fā)送信息相同達成協(xié)議。2.2特點1適用設備多藍牙技術最大的優(yōu)點是使眾多電信和計算機設備無須電纜就能聯(lián)網。例如，如果把藍牙技術引入到移動 和膝上型電腦中，就可以去掉連接電纜而通過無線使其建立通信。打印機、PDA、桌上型電腦、 機、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其他的數(shù)字

15、設備都可以成為藍牙系統(tǒng)的一局部。2工作頻段全球通用藍牙技術以無線局域網的IEEE802.11標準技術為根底，工作在2.4GHz ISM頻段，該頻段用戶不必經過允許，在世界范圍內都可以自由使用，這就消除了國界的障礙。3使用方便藍牙技術標準中采用了一種Plonk and play的概念，它有點類似即插即用。這樣，用戶不必再需要學習如何安裝和設置，但凡潛入藍牙技術的設備一旦搜尋到另一個藍牙設備，馬上就可以建立聯(lián)系，利用相關的控制軟件，無需用戶干預即可傳輸數(shù)據(jù)。4平安加密、抗干擾能力強為了防止干擾，藍牙技術特別設計了快速確認和跳頻方案，每隔一段時間就從一個頻率跳到另一個頻率，不斷搜尋干擾比擬小的信道。

16、5多路多方向鏈接藍牙無線收發(fā)器的鏈接距離可達10m，不限制在直線范圍內，甚至設備不在同一間房內也可以相互連接，并且可以連接多個設備，最多可 達7個，這就可以把用戶身邊的設備都連接起來，形成一個個人領域的網絡。第三章 關鍵技術及應用3.1關鍵技術3.1.1 IEEE 802. 11 b 標準它工作在2.4 GHz ，直接序列擴頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mb/s ， 無須直線傳播.支持的范圍在室外為300 m ，在辦公環(huán)境中最長為100 m. 使用與以太網類似的連接協(xié)議和數(shù)據(jù)包確認，來提供可靠的數(shù)據(jù)傳送和網絡帶寬的有效使用。自適應跳頻技術自適應跳頻技術是建立在自動信道質量分析根底上的一種頻率自適

17、應和功率自適應控制相結合的技術。他能使跳頻通信過程自動避開被干擾的跳頻頻點，并以最小的發(fā)射功率、最低的被截獲概率，到達在無干擾的跳頻信道上長時間保持優(yōu)質通信的目的。所謂頻率自適應控制是在跳頻通信過程中，拒絕使用那些曾經用過但是傳輸不成功的跳頻頻率集中的頻點，即實時去除跳頻頻率集中被干擾的頻點，使跳頻通信在無干擾的可使用的頻點上進行，從而大大提高跳頻通信中接收信號的質量。糾錯技術在藍牙技術中使用了三種糾錯方案：1/3比例前向糾錯碼1/3FEC、2/3比例前向糾錯碼2/3FEC和用于數(shù)據(jù)的自動請求重發(fā)ARQ方式。1/3比例前向糾錯碼是一種較簡單的糾錯碼方式，屬于重復碼，實現(xiàn)時對每位信息重復三次。2

18、/3比例前向糾錯碼是一種15，10精簡的漢明碼表示方法，用于局部分組。使用ARQ方式，在一個時隙中傳送的數(shù)據(jù)必須在下一個時隙得到確認或超時信息。只有數(shù)據(jù)在接收端通過了報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余檢測，被認為無錯后，才向發(fā)送端反回確認信息；否那么，返回一個錯誤信息。 微微網藍牙支持點對點和點對多點的通信，其最根本的網絡組成是微微網。微微網是通過藍牙技術連接起來的一種微型網絡，由一個主設備Master和假設干個從設備Slave組成，且從設備最多為7臺。主設備負責通信協(xié)議的動作，而從設備那么受控于主設備。一個微微網可以是2臺相連的設備，也可以是8臺連在一起的設備，所有設備單元均采用同一跳頻序列。主從設備的

19、拓撲結構如圖1所示藍牙給每個微微網都提供了特定的跳轉模式，因此，它允許大量的微微網同時存在。同一區(qū)域內，多個微微網互聯(lián)形成了分散網。不同的微微網信道有不同的主單元，因而存在不同的跳轉模式。 平安性藍牙技術的無線傳輸特性使它非常容易受到攻擊，因此，平安機制在藍牙技術中顯得尤為重要。雖然藍牙系統(tǒng)所采用的跳頻技術已經提供了一定的平安保障，但藍牙技術仍然需要在應用層和鏈路層上提供平安措施。該措施將用于對等環(huán)境，即藍牙系統(tǒng)每個單元中設備的匹配和加密規(guī)那么都將以同樣的方法實現(xiàn)。在鏈路層，藍牙的使用四個參數(shù)來保證系統(tǒng)的平安性：每個用戶唯一的48位地址、用戶的128位驗證密鑰、用戶的8128位加密密鑰、設備產

20、生的一個128位隨機數(shù)RAND。藍牙的低層平安是通過基帶和鏈路管理中的鑒權、匹配和加密完成的。鑒權基于“競爭-應答算法，是藍牙系統(tǒng)中的關鍵局部，它允許用戶為個人的藍牙設備建立一個信任域。校驗器發(fā)送一個LMP-au-rand PDU分組給請求者，該PDU協(xié)議數(shù)據(jù)單元分組含有一個隨機數(shù)。請求者根據(jù)獲取的分組計算出應答值，然后將應發(fā)回給校驗器，驗證應答值是否正確。當兩臺設備無共用鏈接字時，那么基于個人識別碼PIN和隨機數(shù)創(chuàng)立初始化字Kinit，這一過程為匹配。Kinit字在校驗器向請求者發(fā)出LMP-in-rand時創(chuàng)立，然后進行鑒權，共計算過程基于Kinit字，而不是鏈接字。通過鑒權后，鏈接字即被創(chuàng)

21、立。加密被用來保護連接中的個人信息，密鑰由程序的高層來管理。網絡傳送協(xié)議和應用程序，可以為用戶提供一個較強的平安機制，需要注意的是，加密字節(jié)全不同于鑒權字。鑒權字具有靜態(tài)性，而一旦建立加密字，就由運行在藍牙設備上的具體應用，來決定什么時候和是否需要修改加密字。3.2應用1居家現(xiàn)代家庭與以往的家庭有許多不同之處。在現(xiàn)代技術的幫助下，越來越多的人開始了居家辦公，生活更加隨意而高效。通過使用藍牙技術產品，人們可以免除居家辦公電纜纏繞的苦惱。鼠標、鍵盤、打印機、膝上型計算機、耳機和揚聲器等均可以在 PC 環(huán)境中無線使用，這不但增加了辦公區(qū)域的美感，還為室內裝飾提供了更多創(chuàng)意和自由。2工作過去的辦公室因

22、各種電線糾纏不清而非?；靵y，現(xiàn)在，通過無線藍牙技術，辦公室里再也看不到凌亂的電線，整個辦公室也像一臺機器一樣有條不紊地高效運作。PDA 可與計算機同步以共享日歷和聯(lián)系人列表，外圍設備可直接與計算機通信，員工可通過藍牙耳機在整個辦公室內行走時接聽 ，所有這些都無需電線連接。啟用藍牙的設備還能夠創(chuàng)立自己的即時網絡，讓用戶能夠共享演示稿或其它文件，不受兼容性或電子郵件訪問的限制。Bluetooth 設備能方便地召開小組會議，通過無線網絡與其它辦公室進行對話，并將干擦白板上的構思傳送到計算機。3生活目前藍牙技術在日常生活中應用最廣的就是在支持藍牙的 通話設備上，如 藍牙耳機，車載免提藍牙，使駕駛更平安

23、；使用藍牙耳機，還有一個我們絕對不能無視的好處：健康！4娛樂玩游戲、聽音樂、結交新朋、與朋友共享照片，越來越多的消費者希望能夠方便即時地享受各種娛樂活動，而又不想再忍受電線的束縛。藍牙無線技術是唯一一種能夠真正實現(xiàn)無線娛樂的技術。內置了藍牙技術的游戲設備，讓您能夠在任何地方與朋友展開游戲競技-在地下通道、在飛機場或在起居室中。由于不需任何電線，玩家能夠輕松地發(fā)現(xiàn)對方，甚至可以匿名查找然后開始令人愉快的游戲。第四章 存在的關鍵問題及開展趨勢4.1存在的關鍵問題盡管藍牙技術現(xiàn)在的應用還算廣泛，但其仍處于快速開展階段，面臨著許多亟待解決的問題，有以下：1平安性問題藍牙設備在通信時，都需進行鑒權和加密

24、，雖然標準中嚴格定義了平安機構，但仍有缺乏。如當設備A與設備B和設備C同時通信，如果這兩條通信鏈路均采用A的BD ADDR作為鏈路地址，這是B有了A的單元地址，在與A通信時可以冒充C，在與C通信時可以冒充A，這樣就給平安帶來了問題。2能源消耗攻擊現(xiàn)在的藍牙技術大多數(shù)采用電池供電，為了節(jié)約能源，均采用了節(jié)能機制，在不通信時進入休眠狀態(tài)?！澳茉聪墓裟康木褪瞧茐墓?jié)能機制，如不斷的發(fā)送連接請求使設備無法進入節(jié)能狀態(tài)，到達消耗能源的目的。目前，對這種攻擊還沒有有效的方法制止。3 .Wi-Fi與藍牙的干擾問題藍牙與Wi-Fi共處于2.4GHz的ISM頻段，如果二者在重疊頻段同時通信將會產生干擾。為了減

25、少干擾，現(xiàn)在有以下四個方案：1改變頻帶分配規(guī)那么和標準標準。2禁止在一種環(huán)境下使用另一種技術。3技術層次解決方案。4頻帶解決方案。4基于大規(guī)模散射網的PAN現(xiàn)在的藍牙標準大多強調單個微微網的應用，而對多個微微網組成的散射網缺乏討論。在大規(guī)模散射網的PAN中，要考慮的平安復雜性大大增加，其中存在許多的技術挑戰(zhàn)。5藍牙互操作性問題藍牙未蓬勃開展，互操作性不理想是原因之一。由于藍牙技術產生不久。1.1版本雖有所改進，但許多不確定性問題仍然存在，廠商根據(jù)本身的要求開發(fā)設備，造成互操作性問題。SDP和HCI的很好實現(xiàn)，是解決胡操作性問題的關鍵之一。6測試問題藍牙的測試仍然是藍牙技術的難點之一，測試還沒有統(tǒng)一的標準。藍牙認證測試概念對于測試設備制造商來說是開放的，不同