藍(lán)牙的發(fā)展與藍(lán)牙技術(shù) 原創(chuàng)論文.pdf

1 藍(lán)牙的發(fā)展與藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙的發(fā)展與藍(lán)牙技術(shù) 摘要 藍(lán)牙 Bluetooth 是一種實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備之間無線連接的協(xié)議 通過這種協(xié)議能 使包括蜂窩電話 掌上電腦 筆記本電腦 相關(guān)外設(shè)和家庭 Hub 等包括家庭 RF 的眾多設(shè)備之間進(jìn)行信息交換 藍(lán)牙應(yīng)用于手機(jī)與計(jì)算機(jī)的相連 可節(jié)省手機(jī)費(fèi) 用 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享 因特網(wǎng)接入 無線免提 同步資料 影像傳遞等 藍(lán)牙技術(shù) 主要面向網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備 如 PC 撥號網(wǎng)絡(luò) 筆記本電腦 打印機(jī) 數(shù)碼相機(jī) 移動(dòng)電話和高品質(zhì)耳機(jī)等 通過無線方式將它們連成一個(gè)微微網(wǎng) Piconet 多個(gè)微微網(wǎng)之間也可以互連形成分布式網(wǎng)絡(luò) Scatternet 從而方便 快速地實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信 它是實(shí)現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范 是一種低成本 短距離的無線連接技術(shù) 本文將主要介紹藍(lán)牙及藍(lán)牙技術(shù) 藍(lán)牙 協(xié)議 應(yīng)用及發(fā)展前景 關(guān)鍵詞 藍(lán)牙 blue tooth 藍(lán)牙協(xié)議 微微網(wǎng) 2 1 引言 1 1 藍(lán)牙的歷史 1 1 1 名字起源 藍(lán)牙 這名稱來自 10 世紀(jì)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(lán)莓 牙齒常常被染成藍(lán)色 而獲得 藍(lán)牙 的綽號 當(dāng)時(shí)藍(lán)莓因?yàn)轭伾?怪異的緣故被認(rèn)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(shù)能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)而取名 藍(lán)牙 1 1 2 技術(shù)的產(chǎn)生 藍(lán)牙 Bluetooth 是一種無線個(gè)人局域網(wǎng) Wireless PAN 1994 年由愛立 信提出的短距離無線通信技術(shù) 1998 年 由日本東芝 瑞典愛立信 美國 IBM 和英特爾及芬蘭諾基亞等業(yè)界龍頭創(chuàng)立專門的藍(lán)牙特別興趣組 Bluetooth Special Interest Group SIG 制訂藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 其后 微軟 3COM 朗訊 摩托羅拉和原有的五家公司一起 成為藍(lán)牙 SIG 的 領(lǐng)導(dǎo)成員 1 2 發(fā)行版本 1998 年時(shí) Bluetooth推出 0 7 版 支持 Baseband 與 LMP Link Manager Protocol 通訊協(xié)定兩部份 1999 年推出 0 8 版 0 9 版 1 0 Draft 版 1 0a 版 1 0B 版 1 0 Draft 版 完 成 SDP Service Discovery Protocol 協(xié)定 TCS Telephony Control Specification 協(xié)定 同時(shí) 1 0 版公布后 開始了大規(guī)模宣傳 2001 年的 1 1 版正式列入 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) Bluetooth 1 1 即為 IEEE 802 15 1 2001 年 SIG 成員公司超過 2000 家 Bluetooth 2 0 將傳輸率提升至 2Mbps 3Mbps 遠(yuǎn)大于 1 x版的 1Mbps 實(shí)際約 723 2kbps 1 3 藍(lán)牙與紅外 紅外無線接入技術(shù)是以紅外線作為通信媒質(zhì)的一種無線接入技術(shù) 其標(biāo)準(zhǔn)化 3 進(jìn)程相對要早紅外無線 技術(shù)比藍(lán)牙技術(shù)更加成熟 雖然藍(lán)牙技術(shù)和紅外無線接 入技術(shù)都是短距離的無線接入技術(shù) 但是由于兩種技術(shù)采用的電磁波頻段不同 因此具有完全不同的信號傳播特性 藍(lán)牙使用 2 4GHz的 ISM 公用頻段 實(shí)現(xiàn) 全雙工通信 通信距離在 10 米以內(nèi) 配置功率放大器可使通信距離進(jìn)一步增加 紅外無線接入技術(shù)的工作頻段為 3 409 3 529 105GHz 采用半雙工技術(shù) 通 信距離 1m左右 2 藍(lán)牙技術(shù)概要 藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù) 它基于藍(lán)牙基帶協(xié)議 采用跳頻技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE802 15 帶寬為 1Mb s 使用 2 4GHz ISM 全球通用頻段 結(jié)合了電 路交換與分組交換的特它是實(shí)現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范 是一種低 成本 短距離的無線連接技術(shù) 其無線收發(fā)器是很小的一塊芯片 大約 9mm 9mm 可方便地嵌入到便攜式設(shè)備中 從而增加設(shè)備的通信選擇性 藍(lán)牙 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的無連接工作 提供了接入數(shù)據(jù)網(wǎng)的功能 并且具有外圍設(shè)備接 口 可以組成一個(gè)特定的小網(wǎng)點(diǎn) 能同時(shí)傳送語和數(shù)據(jù) 2 1 藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)包括 采用跳頻技術(shù) 抗信號衰落 采用快跳頻和短分組技術(shù) 減少同頻干擾 保證傳輸?shù)目煽啃?采用前向糾錯(cuò) FEC 編碼技術(shù) 減少遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的隨機(jī)噪聲影響 使用 2 4GHz 的 ISM 頻段 無需申請?jiān)S可證 采用 FM 調(diào)制方式 降低設(shè)備的復(fù)雜性 該技術(shù)的傳輸速率設(shè)計(jì)為 1MHz 以時(shí)分方式進(jìn)行全雙工通信 其基帶協(xié)議 是電路交換和分組交換的組合 使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù) 把頻帶分成若干個(gè)跳頻 信道 hop channel 在一次連接中 無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一 個(gè)信道 跳 到另一個(gè)信道 一個(gè)跳頻頻率發(fā)送一個(gè)同步分組 每個(gè)分組占用一 個(gè)時(shí)隙 也可擴(kuò)展到 5 個(gè)時(shí)隙 藍(lán)牙技術(shù)支持一個(gè)異步數(shù)據(jù)通道 或 3 個(gè)并發(fā) 4 的同步話音通道 或一個(gè)同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音的通道 每一個(gè)話音通道 支持 64kbps 的同步話音 異步通道支持最大速率 721kbps 反向應(yīng)答速率為 57 6kbps 的非對稱連接 或者是 432 6kbps 的對稱連接 2 2 藍(lán)牙的系統(tǒng)構(gòu)成 藍(lán)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(lán)牙 軟件 協(xié)議棧 單元四個(gè)功能單元組成 如圖 1 所示 圖 1 藍(lán)牙系統(tǒng)構(gòu)成 天線單元 藍(lán)牙的天線部分體積十分小巧 重量輕 屬于微帶天線 鏈路控制 硬件 單元 目前藍(lán)牙產(chǎn)品的鏈路控制硬件單元包括 3 個(gè)集成芯片 連接控制器 基帶處理器 以及射頻傳輸 接收器 此外還使用了 3 5 個(gè)單獨(dú)調(diào)諧元件 基帶鏈路控制器負(fù) 責(zé)處理基帶協(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議 鏈路管理 軟件 單元 鏈路管理 LM 軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設(shè)置 鑒權(quán) 鏈路硬件配置和其它一 些協(xié)議 LM 能夠發(fā)現(xiàn)其他遠(yuǎn)端 LM 并通過 LMP 鏈路管理協(xié)議 與之通信 軟件 協(xié)議棧 單元 藍(lán)牙的軟件 協(xié)議棧 是一個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng) 不與任何操作系統(tǒng)捆綁 它符合已 經(jīng)制定好的藍(lán)牙規(guī)范 藍(lán)牙系統(tǒng)的通信協(xié)議大部分可用軟件來實(shí)現(xiàn) 加載到中即 可進(jìn)行工作 2 3 藍(lán)牙協(xié)議 藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)采用分層方式 包括藍(lán)牙專用協(xié)議和一些通用協(xié)議 專用 協(xié)議位于協(xié)議棧的底部 從底到上依次是藍(lán)牙無線層 Bluetooth Radio 基帶層 5 Baseband LMP 層 Link Manager Protocol 鏈路管理層 L2CAP 層 Logical link Control and Adaptation Protocol 邏輯鏈路控制與適應(yīng)協(xié)議 SDP 層 Service Discovery Protocol業(yè)務(wù)搜尋協(xié)議 鏈路管理 LMP 負(fù)責(zé)藍(lán)牙設(shè)備之間的鏈路建立 通過連接的發(fā)起 交換 核實(shí) 進(jìn)行身份鑒權(quán)和加密等安全方面的任務(wù) 通過協(xié)商確定基帶數(shù)據(jù)分組大小 它還控制無線單元的電源模式和工作周期 以及微微網(wǎng)內(nèi)藍(lán)牙組件的連接狀態(tài) 邏輯鏈路控制與適應(yīng)協(xié)議 L2CAP 位于基帶協(xié)議層之上 屬于數(shù)據(jù)鏈路層 是一個(gè)為高層傳輸和應(yīng)用層協(xié)議屏蔽基帶協(xié)議的適配協(xié)議 它與 LMP 是并列 的 區(qū)別在于 L2CAP 向高層提供負(fù)載的傳送 它允許高層協(xié)議和應(yīng)用接收或發(fā) 送長過 64K 字節(jié)的 L2CAP 數(shù)據(jù)包 而 LMP 不能 L2CAP 向高層提供面向連 接的和無連接的數(shù)據(jù)服務(wù) 具備多協(xié)議復(fù)用功能和拆 裝適配功能 業(yè)務(wù)搜尋協(xié)議 SDP 是藍(lán)牙體系中非常關(guān)鍵的部分 它是所使用模式的基 礎(chǔ) 只有通過 SDP 查詢通信雙方的設(shè)備信息 業(yè)務(wù)類型及業(yè)務(wù)特征 然后才能 在藍(lán)牙設(shè)備之間建立通信連接 SDP 支持 3 種查詢方式 按業(yè)務(wù)類別搜尋 按 業(yè)務(wù)屬性搜尋和業(yè)務(wù)瀏覽 browsing 2 4 基帶層協(xié)議體系 2 4 1 跳頻 跳頻技術(shù)是物理信道內(nèi)的每個(gè)時(shí)隙上所發(fā)送的數(shù)據(jù) 不斷地從一個(gè)頻道跳到 另一個(gè)頻道 主設(shè)備與從設(shè)備會(huì)根據(jù)彼此間相同的跳頻序列 從當(dāng)前頻道跳到下 一個(gè)頻道 跳頻序列決定于主設(shè)備內(nèi) 48 位的 BD ADDR 藍(lán)牙設(shè)備地址 地址 2 4 2 設(shè)備地址 藍(lán)牙設(shè)備內(nèi)有一個(gè)惟一的 48 位 BD ADDR Bluetooth Device Address 藍(lán)牙設(shè) 備地址 地址 這個(gè)地址可以說是藍(lán)牙技術(shù)的運(yùn)算核心 幾乎所有負(fù)責(zé)藍(lán)牙系統(tǒng) 正常工作的控制參數(shù) 如跳頻序列 頻道訪問碼 加密密鑰都由此地址求得 2 4 3 數(shù)據(jù)傳輸類型 藍(lán)牙技術(shù)可同時(shí)發(fā)送語音和數(shù)據(jù) 因?yàn)樗{(lán)牙技術(shù)支持電路交換和包交換兩種數(shù)據(jù) 傳輸方式 在藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中電路交換的傳輸稱為 SCO 鏈路 包交換的傳輸稱 為 ACL 鏈路 SCO 鏈路面向連接的同步傳輸 Synchronous Connection Oriented SCO 鏈 6 路屬于電路交換的同步傳輸類型 電路交換是指 當(dāng)主設(shè)備與從設(shè)備一旦建立連 接后 不管有無數(shù)據(jù)發(fā)送 系統(tǒng)都會(huì)給主設(shè)備與從設(shè)備預(yù)留固定間隔的時(shí)隙 其 他從設(shè)備則不能利用此連接上的時(shí)隙來發(fā)送數(shù)據(jù) SCO 屬于點(diǎn)對點(diǎn)的對稱連接 即連接建立在一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備之間 SCO 比較適合語音的傳輸 ACL 鏈路無連接的異步傳輸 Asychronous Connection Less ACL 鏈路屬 于包交換的異步傳輸類型 包交換是將高層的數(shù)據(jù)切割成一段段包進(jìn)行交換 ACL 鏈路可以占用任意時(shí)隙來傳輸數(shù)據(jù) 但它只能在 SCO 鏈路不使用的時(shí)隙上 傳輸 ACL 鏈路適合傳輸突發(fā)性的數(shù)據(jù)信息 其主設(shè)備可以同時(shí)和多個(gè)從設(shè)備 建立 ACL 鏈路 屬于點(diǎn)對多點(diǎn)的非對稱連接 2 5 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 2 5 1 微微網(wǎng) Piconet 藍(lán)牙最基本的網(wǎng)絡(luò)組成是微微網(wǎng) Piconet 同一微微網(wǎng)上的單元之間共享一 條信道 其成員通過這個(gè)信道進(jìn)行通信 這個(gè)信道由一個(gè)明確的跳頻序列組成 微微網(wǎng)的成員以同步的方式跟蹤跳頻序列 跳頻序列由主設(shè)備來控制 一個(gè)微微網(wǎng)必須有而且只有一個(gè)主單元 master unit 其余為從單元 slave unit 主單元控制微微網(wǎng)從建立到數(shù)據(jù)傳送到最后結(jié)束通信的整個(gè)過程 主單元 與從單元在硬件與軟件構(gòu)成上沒有任何區(qū)別 兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備建立連接后 形成了 微微網(wǎng)的個(gè)人區(qū)域 每個(gè)微微網(wǎng)有且只有一個(gè)主設(shè)備 同時(shí)有一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備 它們可以互相轉(zhuǎn)換角色 不過 每個(gè)微微網(wǎng)只能有 7 個(gè)活躍的從設(shè)備 因?yàn)樵?Active 狀態(tài)下 主設(shè)備分配給每個(gè)連接的從設(shè)備一個(gè)活動(dòng)的成員地址 AM ADDR 主設(shè)備通過這個(gè)地址來辨別微微網(wǎng)中不同的從設(shè)備 AM ADDR 由 3bits 組成 所以在一個(gè)微微網(wǎng)中最多只能有 8 個(gè)設(shè)備 換言之 最多有 7 個(gè) 從設(shè)備處于活動(dòng)態(tài) 其結(jié)構(gòu)圖如圖 2 7 圖 2 微微網(wǎng)結(jié)構(gòu) 2 5 2 微微網(wǎng)中的通信 單元在加入微微網(wǎng)之前處于待機(jī) standby 狀態(tài) 這時(shí)單元處于低功耗模式 但每隔 1 28s 會(huì)對某一個(gè)跳頻信道進(jìn)行搜索尋找消息并作出回答 每一個(gè)單元 只在 32 個(gè)信道中進(jìn)行搜索 西班牙與法國是 16 個(gè) 而且搜索的順序是固定的 由單元識(shí)別碼決定 為了與某個(gè)從單元建立聯(lián)系 主單元需要知道從單元的識(shí)別 碼與系統(tǒng)時(shí)鐘信息 從中計(jì)算出從單元的跳頻順序 這樣主單元就可以按從單元 的時(shí)鐘在這些信道中發(fā)送含有從單元識(shí)別碼的尋呼信息并確認(rèn)識(shí)別碼后就可以 進(jìn)一步與主單元進(jìn)行聯(lián)系 為了知道從單元的識(shí)別碼與時(shí)鐘信息 此單元可以發(fā) 送查詢消息 接收到這個(gè)消息的單元以它們識(shí)別碼與系統(tǒng)時(shí)鐘信息來回答 通過 這樣的查詢過程 主單元就可以知道在通信范圍內(nèi)有哪些藍(lán)牙設(shè)備 2 5 3 散射網(wǎng) 為了連接 8 個(gè)以上的活躍的設(shè)備 必須建立多個(gè)微網(wǎng) 然后連接每個(gè)微網(wǎng)的 主設(shè)備 這個(gè)聯(lián)合結(jié)構(gòu)就是散射網(wǎng) 散射網(wǎng)在空間和時(shí)間上交疊 一個(gè)微網(wǎng)中的 從設(shè)備可以是多個(gè)微網(wǎng)的從設(shè)備 也可以是另一個(gè)微網(wǎng)的主設(shè)備 這樣就使微網(wǎng) 之間通信成為可能 因?yàn)橹挥?79 個(gè)頻點(diǎn) 所以一個(gè)散射網(wǎng)最多只有 10 個(gè)微網(wǎng) 為了消除限制數(shù)量對通信的影響 也為了提高頻譜的利用效率 藍(lán)牙允許同一區(qū) 域同時(shí)存在多個(gè)微微網(wǎng) 這樣的多個(gè)微微網(wǎng)就構(gòu)成一個(gè)分布式散射網(wǎng) Scatter net 各微微網(wǎng)擁有自己的信道 微微網(wǎng)之間不做任何協(xié)調(diào) 這樣藍(lán)牙利用簡單 的網(wǎng)絡(luò)控制就達(dá)到多對多的通信 但也增加了藍(lán)牙器件之間相互干擾的可能性 2 6 藍(lán)牙的應(yīng)用 8 藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品與因特網(wǎng) Internet 之間的通信 使得家庭和辦公室的設(shè)備不需要電 纜也能夠?qū)崿F(xiàn)互通互聯(lián) 大大提高辦公和通信效率 因此 藍(lán)牙將成為無線通信 領(lǐng)域的新寵 將為廣大用戶提供極大的方便而受到青睞 目前已開發(fā)的應(yīng)用包括 在手機(jī)上的應(yīng)用 在掌上電腦上和其它數(shù)字設(shè)備上的應(yīng)用 在傳統(tǒng)家電中的應(yīng)用 等等 在以上的應(yīng)用中 目前應(yīng)用最廣的就是在支持藍(lán)牙的手機(jī)通話設(shè)備上 如手機(jī)藍(lán) 牙耳機(jī) 藍(lán)牙使駕駛更安全 開車時(shí)接聽電話不方便 而且會(huì)影響交通安全 容 易造成交通事故 車載免提系統(tǒng)接聽電話雖然比較方便 但容易對個(gè)人隱私的泄 露 如果使用有線耳機(jī) 耳機(jī)線四處晃蕩影響手臂的活動(dòng) 耳機(jī)線屏蔽效果差經(jīng) 常受到電磁噪音干擾 配合手機(jī)使用的藍(lán)牙耳機(jī)則可以避免這些問題 使駕駛更 加安全 通過配有藍(lán)牙功能的耳塞 使手機(jī)用戶可以實(shí)現(xiàn)無線免提功能 用戶還 可以通過車載藍(lán)牙通訊設(shè)備來使用手機(jī) 不用從包中掏出手機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)通話 3 藍(lán)牙的發(fā)展前景 Internet 和移動(dòng)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(luò)服 務(wù)的需求正在增長 藍(lán)牙作為一個(gè)全球開放性無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) 通過把各種語音和 數(shù)據(jù)設(shè)備用無線鏈路連接起來 使人們能夠隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)個(gè)人區(qū)域內(nèi)語音和數(shù)據(jù) 通信的交換與傳輸 隨著技術(shù)的發(fā)展和完善 藍(lán)牙必將對人們的生活和工作產(chǎn)生 重大影響 3 1 發(fā)展阻力 價(jià)格因素 產(chǎn)品推出的因素中 芯片價(jià)格是主要的問題 例如要想將藍(lán)牙芯片嵌入手機(jī) 中而將手機(jī)改造成 三合一 移動(dòng)電話 藍(lán)牙芯片的價(jià)格相對與現(xiàn)在手機(jī)的制作 成本而言還是太高 而且擁有藍(lán)牙技術(shù)的手機(jī)不是光一個(gè)藍(lán)牙芯片就能實(shí)現(xiàn)的 它還需要藍(lán)牙協(xié)議和應(yīng)用程序方面的投入 這無疑也要增加成本 由于芯片的制 約 藍(lán)牙產(chǎn)品的成本不能降下來 目前市場上的藍(lán)牙產(chǎn)品價(jià)格都比較昂貴 所以 對廣大用戶而言 當(dāng)電纜線還沒有到確實(shí)無法忍受的時(shí)候 是很少有人愿意去花 錢買一個(gè)昂貴的藍(lán)牙設(shè)備的 兼容性問題 使用藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品 由于歷史和技術(shù)的原因 各自采用不同的 CPU 操作 9