第12章 藍牙技術(shù)

《移動通信技術(shù)》電子教案第12章藍牙技術(shù)*12.1概述

藍牙（Bluetooth），是1998年5月由愛立信、IBM、Intel、Nokia、東芝等5家公司聯(lián)合制定的近距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其目的是實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率1Mbit/s（有效傳輸速率為721kbit/s）、最大傳輸距離為10m的無線通信。Bluetooth原為歐洲中世紀(jì)的丹麥國王HaraldII的名字，他為統(tǒng)一四分五裂的瑞典、芬蘭、丹麥立下了不朽的功勞。瑞典愛立信公司為這種即將成為全球通用的無線技術(shù)命此名，也許大有一統(tǒng)天下的含義。12.1.1藍牙技術(shù)特點1．藍牙技術(shù)的開放性2．藍牙技術(shù)的通用性3．短距離低功耗4．無線“即連即用”5．抗干擾能力強6．支持語音和數(shù)據(jù)通信7．組網(wǎng)靈活8．軟件的層次結(jié)構(gòu)12.1.2藍牙系統(tǒng)的功能單元藍牙系統(tǒng)的功能單元主要包括：無線射頻單元、鏈路控制單元（基帶）、鏈路管理、軟件功能。圖12-1藍牙系統(tǒng)的基本功能單元藍牙系統(tǒng)的基本功能單元如圖12-1所示。1．無線射頻單元（1）頻帶及射頻RF藍牙天線屬于微帶天線，藍牙無線接口是基于常規(guī)無線發(fā)射功率0dBm設(shè)計的，符合美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的ISM頻段的規(guī)定。雖然該頻段為全球通用，但實際上準(zhǔn)確的頻率和帶寬在各國有一些差異。在美國和歐洲，使用的帶寬為83.5MHz，在該頻段里，以1MHz的帶寬為間隔設(shè)立了79個射頻跳頻點。在日本、西班牙和法國，縮減了帶寬，在該頻段里設(shè)立了23個射頻跳頻點，其帶寬仍以1MHz為間隔，如表12-1所示。（2）信道定義信道使用一組偽隨機跳頻序列，經(jīng)79或23個射頻跳頻點的跳頻序列來表示。跳頻序列對Piconet微微網(wǎng)絡(luò)，見12.2.1節(jié)是唯一的，而且由主單元藍牙設(shè)備編址確定，跳頻序列的相位由主單元藍牙時鐘確定。信道被劃分為時隙（TimeSlot，TS）的形式，且每一時隙對應(yīng)一個RF跳頻點。連續(xù)跳頻則對應(yīng)于不同RF跳頻模式，理論跳頻速率為1

600hop/s，參加Piconet的全部藍牙單元與信道保持時間和跳頻同步。（3）時隙信道被分成長度為625

s的時隙。時隙依據(jù)Piconet主單元藍牙時鐘來編號。時隙標(biāo)號區(qū)域為0～227?1且循環(huán)周期是227。在各時隙中，主單元和從單元都能夠傳輸分組。2．藍牙鏈路控制器基帶描述了設(shè)備的數(shù)字信號處理部分，即藍牙鏈路控制器，它完成基帶協(xié)議和其他底層的鏈路規(guī)程，主要包括以下幾個方面。（1）網(wǎng)絡(luò)連接的建立在Piconet內(nèi)的連接被建立之前，所有設(shè)備都處于待機（StandBy）狀態(tài)。在這種模式下，未連接單元周期性地“監(jiān)聽”信息。作為主單元的設(shè)備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過尋呼（Page）消息建立連接；如果地址未知，則通過一個后接Page消息的Inquiry（查詢）消息建立連接。對于Piconet中已經(jīng)處于連接的設(shè)備，如果較長一段時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸，藍牙還能夠支持節(jié)電模式。（2）鏈路類型和分組類型①同步面向連接（SCO）鏈接②異步無連接（ACL）鏈接（3）糾錯基帶控制器采用3種糾錯方式。①1/3比例前向糾錯碼FEC②2/3比例前向糾錯控制FEC③自動重發(fā)請求（ARQ）（4）鑒權(quán)和加密3．鏈路管理（LM）鏈路管理軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設(shè)置、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其他一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其他遠端LM并通過鏈路管理協(xié)議與之通信。LM模塊提供如下服務(wù)：（1）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；（2）請求名稱；（3）鏈路地址查詢；（4）建立連接；（5）鑒權(quán)；（6）鏈路模式協(xié)商和建立；（7）決定幀的類型；（8）將設(shè)備設(shè)為sniff（呼吸）模式，master只能有規(guī)律地在特定的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)；（9）將設(shè)備設(shè)為hold（保持）模式，工作在hold模式的設(shè)備為了節(jié)能在一個較長的周期內(nèi)停止接收數(shù)據(jù)，平均每秒激活一次鏈路；（10）當(dāng)設(shè)備不需要傳送或接收數(shù)據(jù)但仍需要保持同步則將設(shè)備設(shè)為park（休眠）模式，處于休眠模式的設(shè)備周期性激活并跟蹤同步，同時檢查page消息；（11）建立網(wǎng)絡(luò)連接。4．軟件（協(xié)議）單元藍牙基帶協(xié)議結(jié)合電路交換和分組交換，適用于語音和數(shù)據(jù)傳輸。藍牙的軟件（協(xié)議）單元是一個獨立的操作系統(tǒng)，不與任何操作系統(tǒng)捆綁，軟件（協(xié)議）結(jié)構(gòu)需有如下功能：（1）設(shè)置及故障診斷工具；（2）能自動識別其他設(shè)備；（3）取代電纜連接；（4）與外設(shè)通信；（5）音頻通信與呼叫控制；（6）商用卡的交易與號簿網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。12.2藍牙網(wǎng)絡(luò)

12.2.1藍牙網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)藍牙系統(tǒng)系統(tǒng)支持兩種連接，即點對點和點對多點連接，這樣形成了兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，即微微網(wǎng)（Piconet）和散射網(wǎng)（Scatternet）。在一個Piconet中，只有一個主單元（master），支持slave和master建立通信。master通過不同的跳頻序列來識別每一個slave，并與之通信。多個Piconet構(gòu)成了一個Scatternet。值得注意的是，在藍牙網(wǎng)絡(luò)中，slave之間不能直接通信，必須經(jīng)過master才行，如圖12-3所示。圖12-3藍牙網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)12.2.2藍牙微微網(wǎng)任何兩個藍牙設(shè)備可以構(gòu)成一個連接，這樣的連接就稱為微微網(wǎng)，微微網(wǎng)最多支持8個設(shè)備，其中一個是主設(shè)備。微微網(wǎng)中的所有設(shè)備都可以作為主設(shè)備，當(dāng)微微網(wǎng)建立后，主節(jié)點和從節(jié)點的角色可以改變。也就是說，某個微微網(wǎng)主節(jié)點可以轉(zhuǎn)變?yōu)樾挛⑽⒕W(wǎng)的成員，在新的微微網(wǎng)中，原來的主節(jié)點變成從節(jié)點，而原來的某個從節(jié)點變成新的主節(jié)點，但無論如何轉(zhuǎn)變，微微網(wǎng)內(nèi)只允許且必須只有一個主節(jié)點，如圖12-4所示。圖12-4藍牙微微網(wǎng)構(gòu)成及實例1．藍牙時鐘每個藍牙設(shè)備都有一個內(nèi)部的系統(tǒng)時鐘，用來決定收發(fā)器定時和跳頻。藍牙時鐘取自一個自由運行的本地時鐘，本地時鐘從不進行調(diào)整，也不會關(guān)閉。對于與其他單元的同步，加到本地時鐘的時鐘補償值可提供用于相互同步的臨時藍牙時鐘。在不同的模式和狀態(tài)里的藍牙單元具有3種不同的時鐘特性：本地時鐘（CLKN）、預(yù)計時鐘（CLKE）和主時鐘（CLK）2．藍牙編址（1）藍牙設(shè)備地址BD_ADDR每一個藍牙的收、發(fā)信機都分配一個48位的藍牙設(shè)備地址（BlueTooth

Device_Address，BD_ADDR）。該地址取自IEEE802標(biāo)準(zhǔn)，分為3個部分：由24位構(gòu)成的低地址字段（LowAddressPart，LAP）部分；由8位構(gòu)成的高地址字段（UpperAddressPart，UAP）部分；由16位構(gòu)成的非有效地址字段（Non-significantAddressPart，NAP）部分。LAP和UAP構(gòu)成BD_ADDR的有效部分，獲得的整個地址空間為232，如圖12-5所示。圖12-5藍牙設(shè)備地址格式（2）藍牙識別碼在藍牙系統(tǒng)中，共定義了3種不同的識別碼：設(shè)備識別碼（DAC）、信道識別碼（CAC）和查詢識別碼（IAC）。（3）活動成員地址（AD_ADDR）在微微網(wǎng)中的每一個活動從單元都賦予一個3位活動成員地址（AM_ADDR）。全零AM_ADDR則保留，用于廣播消息。主單元不具有AM_ADDR，其定時將它與從單元分開。從單元只能采用匹配的AM_ADDR和廣播消息分組接收一個分組。AM_ADDR在分組頭中攜帶。只有從單元在信道上處于活動狀態(tài)時，AM_ADDR才是合法的。一旦從單元脫離鏈路或進入休眠狀態(tài)，它就將丟失其AM_ADDR。（4）休眠成員地址（PM_ADDR）處于休眠模式的從單元能夠通過其BD_ADDR或通過休眠成員地址PM_ADDR識別。后者地址是一個區(qū)分休眠從單元的8位成員地址。只有當(dāng)從單元處于休眠狀態(tài)時PM_ADDR才有效。當(dāng)從單元激活時，它將分配一個AM_ADDR地址，但將丟失PM_ADDR。PM_ADDR在休眠是分配給從單元。（5）訪問請求地址（AR_ADDR）訪問請求地址用于休眠從單元在訪問窗口內(nèi)確定從-主的半時隙。在該半時隙中它可以允許發(fā)送請求消息。當(dāng)從單元進入休眠模式時，AR_ADDR分配給從單元。而且，只有從單元處于休眠狀態(tài)時，AR_ADDR才有效。AR_ADDR并不唯一，即不同休眠從單元可以共享一個AR_ADDR。藍牙基本類型的編址如表12-2所示。表12-2 藍牙基本類型的編址3．微微網(wǎng)的信道控制與操作藍牙控制器主要運行在以下兩個狀態(tài)：待命（Standby）和連接（Connection）。微微網(wǎng)內(nèi)總共有7種子狀態(tài)可用于增加從單元或者實現(xiàn)連接。這些狀態(tài)是尋呼（Page）、尋呼掃描（PageScan）、查詢（Inquiry）、查詢掃描（InquiryScan）、主單元響應(yīng)（MasterResponse）、從單元響應(yīng)（SlaveResponse）和查詢響應(yīng)（InquiryResponse），如圖12-6所示。（1）待命狀態(tài)圖12-6藍牙控制器狀態(tài)表12-3簡要說明一下以上的各個狀態(tài)。（2）連接狀態(tài)連接（Connection）狀態(tài)開始于主單元發(fā)送POLL數(shù)據(jù)包，通過這個數(shù)據(jù)包，主單元即可檢查從單元是否已經(jīng)交換到了主單元的時序和跳頻信道，從單元即可以任何類型的數(shù)據(jù)包響應(yīng)。12.2.3藍牙散射網(wǎng)在同一個區(qū)域內(nèi)可能有多個微微網(wǎng)，這幾個微微網(wǎng)就構(gòu)成了散射網(wǎng)。每個微微網(wǎng)有一個不同的主節(jié)點，獨立地進行跳變。也就是說，每個微微網(wǎng)的跳頻序列互不相同，序列的相位由各自的主節(jié)點確定。信道上的分組攜帶不同的信道接入碼，信道接入碼是由主節(jié)點的設(shè)備地址決定的。如果有多個微微網(wǎng)覆蓋同一個區(qū)域，節(jié)點根據(jù)使用的時間可以加入到兩個甚至多個微微網(wǎng)中，要參與一個信道，就必須使用相應(yīng)的主節(jié)點的地址和時鐘偏移，以獲得正確的相位。這些節(jié)點參與了兩個或兩個以上的微微網(wǎng)，這些節(jié)點就稱為網(wǎng)橋節(jié)點。網(wǎng)橋節(jié)點可以是這些微微網(wǎng)的從節(jié)點，也可以是在一個微微網(wǎng)中擔(dān)任主節(jié)點而在其他微微網(wǎng)中擔(dān)任從節(jié)點。網(wǎng)橋節(jié)點就擔(dān)負起微微網(wǎng)之間的通信中繼任務(wù)。當(dāng)設(shè)備成為散射網(wǎng)的節(jié)點后，便可以在多個微微網(wǎng)中進行通信。一個微微網(wǎng)的主節(jié)點通過呼叫可以使其他微微網(wǎng)的主節(jié)點或從節(jié)點成為這個微微網(wǎng)的一個從節(jié)點。另一方面，屬于某個微微網(wǎng)的從節(jié)點也可以呼叫其他微微網(wǎng)的主節(jié)點或從節(jié)點，構(gòu)成一個新的微微網(wǎng)。12.3藍牙系統(tǒng)的應(yīng)用

12.3.1藍牙可以為局域設(shè)備提供互連在一個Piconet中，藍牙能夠?qū)?個接收器進行同步互連。使用藍牙技術(shù)通信的設(shè)備可以發(fā)送和接收1Mbit/s的數(shù)據(jù)。但是實際上當(dāng)允許多個應(yīng)用設(shè)備進行同步通信時，數(shù)據(jù)傳輸率會在某種程度上降低。目前不在Piconet中的藍牙設(shè)備，將持續(xù)聽從其他藍牙設(shè)備的動向，當(dāng)它們足夠接近成為Piconet的一部分時，其他的設(shè)備可以與其通信。12.3.2支持多媒體終端3G終端將提供接口接入許多不同格式的信息和通信，如Web瀏覽、電子郵件傳輸和接收、視頻和語音，使它們成為真正的多媒體終端。語音仍是通信的主要形式，在藍牙規(guī)范中已經(jīng)意識到這一點，并對此提供特別支持，支持64kbit/s的高質(zhì)量語音信道。隨著支持分組數(shù)據(jù)和語音能力的不斷提高（如果需要可以同時進行），藍牙可以為這些多媒體應(yīng)用提供完全的局域支持。藍牙收發(fā)器可以支持多個數(shù)據(jù)連接并可同時達到3個語音連接，為3個手持無繩多媒體/互聯(lián)系統(tǒng)提供完全的功能性。12.3.3家庭網(wǎng)絡(luò)在一個典型的家庭中，有各種形式的娛樂設(shè)備（電視/VCR、Hi-Fi），不同來源的主題信息（報紙、雜志、電視報）和在廚房中的功能性設(shè)備（烤爐、微波爐、冰箱/冰柜、中央暖氣系統(tǒng)）。雖然這些項目組目前沒有辦法相互連接，但可以設(shè)想將其與藍牙設(shè)備組成寬松的連接。不管這些設(shè)備在哪里，藍牙的控制和接入將成為用戶的核心。例如，一個簡單的數(shù)據(jù)便簽簿（與PDA或智能電話類似），但是使用藍牙收發(fā)器和輕觸屏幕，它輕巧便捷，帶有驅(qū)動菜單，很容易使用并可以完全輕松地控制家庭網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備。無線紅外遙控的應(yīng)用將成為過去。12.3.4帶有藍牙功能的自動售貨機購物中心的自動售貨機，在一個限定范圍內(nèi)的所有的自動售貨機都可以通過藍牙接入系統(tǒng)與中心的售貨機管理設(shè)備相連。顧客的問題可以直接通過藍牙發(fā)報機傳遞給購物中心的技術(shù)人員；而從中心管理機構(gòu)發(fā)出價格變化的信息，則通過局域廣播給所有的藍牙自動售貨機。12.4藍牙發(fā)展的未來趨勢12.4.1實踐3階段一般藍牙從實驗室進入市場都要經(jīng)過3個階段。第一階段是藍牙產(chǎn)品作為附件應(yīng)用于移動性較大的高端產(chǎn)品中，如移動電話耳機、筆記本電腦插卡（USB卡）或PC卡等，或應(yīng)用