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蓝牙技术及其应用摘要:蓝牙技术是近几年发展起来的一种无线通信技术,本文就蓝牙技术的基本原理及其发展应用做一简单讨论。关键词:蓝牙;微微网;短距离无线网络0 引言蓝牙(Bluetooth)技术是由世界著名的5 家大公司爱立信(Ericsson)、诺基亚(Nokia)、东芝(Toshiba)、国际商用机器公司(IBM) 和英特尔(Intel), 于1998 年5 月联合宣布的一种无线通信新技术。蓝牙(Bluetooth)原是一位在10世纪统一丹麦的国王,他凭强悍的沟通能力未动一枪一刀,将现今的瑞典、芬兰与丹麦统一成一宗教国家。爱立信用他的名字来命名这种新的技术标准。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术。其目的是使特定的移动电话、便携式电脑以及各种便携式通信设备的主机之间在近距离内实现无线的资源共享。目前已在移动电话、手持PC、照相机之间用一种比邮票还小的短波无线电装置传送话音和数据。这种通过无线电波进行的无线连接可以使具有一定智能的机器互相对话和互通信息,将会彻底改变我们的日常生活:计算机的键盘、打印装置、监控器、屏幕、照相器材或者数字摄像机等等,都可以借助微波与计算机连在一起,而少去了繁杂的电线的困扰。1 相关概念微微网(Piconet):也叫个人网络(personal areanetworks,PAN)或piconet。是由采用蓝牙技术的设备以特定方式组成的网络。微微网的建立是由两台设备(如便携式电脑和蜂窝电话)的连接开始,最多由8 台设备构成。所有的蓝牙设备都是对等的,以同样的方式工作。然而,当一个微微网建立时,只有一台为主设备(master),其他均为从设备(slave),而且在一个微微网存在期间将一直维持这一状况。理论上,当蓝牙设备之间建立了连接时,就自然地形成了个人网络。例如,当一台笔记本电脑连接到一台打印机时,就会形成一个个人网络。主设备(Master unit):即在一个个人网络中,其时钟和跳频顺序被用来同步其它单元的设备。从设备(Slave unit):非主设备的设备均为从设备。分布式网络(Scatternet):是由多个独立、非同步的微微网形成的。MAC 地址(MAC address):用3 比特表示的地址,用于区分微微网中的设备。休眠设备(Parked units):在微微网中只参与同步,但没有MAC 地址的设备。监听及保持方式(Sniff and Hold mode):指微微网中从设备的两种低功耗工作方式。2 核心技术蓝牙以无线LANS 的IEEE802.11 标准技术为基础,采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信, 工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。ISM 频带是对所有无线电系统都开放的频带, 所以会遇到不可预测的干扰,例如一些家电、无绳电话、32微波炉等等,都可能产生干扰。为此,蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道(hop channel),在一次连接中, 无线电收发器按一定的码序列(伪随机码)不断地从一个信道跳到另一个信道,只有收发双方是按这个规律进行通信的, 而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰; 跳频的瞬时带宽是很窄的, 但通过扩展频谱技术使这个窄带成百倍地扩展成宽频带,使干扰可能的影响变成很小。蓝牙系统一般由天线单元、链路控制单元、链路管理单元、软件(协议)单元等四个部分组成。天线部分体积小重量轻,便于微型化。链路控制单元目前主要由3 个集成芯片组成, 另外还使用了较多的独立调谐元件,其作用是处理基带协议和其他常规协议。链路管理单元能够自动寻找其他同类单元并与之通信。软件(协议)单元是蓝牙技术的主要部分,主要用语语音和数据的传输。下面介绍协议体系:蓝牙协议可以分为4 层(如下图所示),即核心协议层,是蓝牙协议的关键部分;电缆替代协议层;电话控制协议层和采纳的其它协议层。这里介绍核心协议层:蓝牙的核心协议包括基带(BB)、链路管理(LMP)、逻辑链路控制与适应协议(L2CAP)、业务搜寻协议(SDP)等四部分. (1)基带层协议。蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在被保留的时隙中可以传输同步数据包,每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙, 但实际上可以被扩展到占用5个时隙。蓝牙可以支持异步数据信道、多达3个的同时进行的同步话音信道, 还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持64kb/s同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721kb/s而另一端速率为57.6kb/s的不对称连接,也可以支持43.2kb/s的对称连接。(2)链路管理(LMP)协议。链路管理(LMP)负责蓝牙组件间连接的建立。具有下列功能:主从网络管理、链路设置和安全功能.通过连接的发起、交换、核实,进行身份鉴权和加密等安全方面的任务;通过协商确定基带数据分组大小;它还控制无线单元的电源模式和工作周期,以及微微网内蓝牙组件的连接状态。(3)L2CAP协议。逻辑链路控制与适应协议(L2CAP)位于基带协议层之上,属于数据链路层,是一个为高层传输和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议。L2CAP负责高层协议复用、提取MTU、组管理,以及将服务质量信息传递到链路层次.其完成数据的拆装、基带与高协议间的适配,并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务和分类提取,它允许高层协议和应用接收或发送长过64K字节的L2CAP数据包。(4)业务搜寻协议(SDP)。业务搜寻协议(SDP)是极其重要的部分,它是所使用模式的基础。提供应用发现可用的服务, 以及确定可用的服务特点的方法。通过SDP,查询设备信息、业务及业务特征,并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的连接。SDP支持3种查询方式:按业务类别搜寻、按业务属性搜寻和业务浏览(browsing)。3 蓝牙与其它无线网络协议区别最常见的无线网络协议有IEEE802.11(蓝牙使用的)、IrDA (Infrared Data Association) 标准和HomeRF (家庭射频技术)。其中:IEEE 802.11 是IEEE(电气和电子工程师协会)最初制定的一个无线局域网标准。蓝牙使用的是IEEE802.11b 又被称为Wi-Fi,使用开放的2.4GHz 直接序列扩频,最大数据传输速率为11Mbps,实际只有721Kbps。无需直线传播,传输范围为室外最大300米,室内有障碍的情况下最大100米,是现在使用的较多的传输协议。IrDA是一种短距离红外线通信技术,适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接,尤其是嵌入式系统。主要应用于设备互联、信息网关。其主要优点是造价低,几乎无需任何变动,便可将蓝牙扩展成适于家庭使用的小型网络。其缺点是通信时,2个红外线接口必须对正,中间不能有任何阻挡,且同时只有2个设备能互相连接。HomeRF 工作组是由美国家用射频委员会领导、于1997年成立的,其主要工作任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网。它推出HomeRF 的标准集成了语音和数据传送技术。HomeRF 是对现有无线通信标准的综合和改进:当进行数据通信时,采用IEEE802.11 规范中的TCP/IP传输协议;当进行语音通信时,则采用数字增强型无绳通信标准。但是, 该标准与802.11b不兼容, 并占据了与802.11b 和Bluetooth 相同的2.4GHz 频率段,所以在应用范围上会有很大的局限性, 更多的是在家庭网络中使用。4 应用前景蓝牙技术可以与互联网连接起来, 可以实现手机、互联网、PDA、打印机或数码相机、MP3 播放机之间的数据共享, 可以以宽带(最高传输速率可达1Mbps)无线方式接入到互联网中。同时支持数据、音频和视频图像信号, 因此它的应用可能扩展到成千上万种产品中去,诸如家庭和办公自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等各个方面,给我们提供了许多新的应用前景。比如EPoX 蓝牙产品,拥有最为全面的蓝牙产品线,包括:蓝牙适配器(可选U 盘功能)、蓝牙耳机、蓝牙键盘、蓝牙鼠标、蓝牙无线打