蓝牙的发展与蓝牙技术 原创论文.pdf

1 蓝牙的发展与蓝牙技术蓝牙的发展与蓝牙技术 摘要 蓝牙 Bluetooth 是一种实现多种设备之间无线连接的协议 通过这种协议能 使包括蜂窝电话 掌上电脑 笔记本电脑 相关外设和家庭 Hub 等包括家庭 RF 的众多设备之间进行信息交换 蓝牙应用于手机与计算机的相连 可节省手机费 用 实现数据共享 因特网接入 无线免提 同步资料 影像传递等 蓝牙技术 主要面向网络中各类数据及语音设备 如 PC 拨号网络 笔记本电脑 打印机 数码相机 移动电话和高品质耳机等 通过无线方式将它们连成一个微微网 Piconet 多个微微网之间也可以互连形成分布式网络 Scatternet 从而方便 快速地实现各类设备之间的通信 它是实现语音和数据无线传输的开放性规范 是一种低成本 短距离的无线连接技术 本文将主要介绍蓝牙及蓝牙技术 蓝牙 协议 应用及发展前景 关键词 蓝牙 blue tooth 蓝牙协议 微微网 2 1 引言 1 1 蓝牙的历史 1 1 1 名字起源 蓝牙 这名称来自 10 世纪的丹麦国王哈拉尔德 Harald Gormsson 的外号 出 身海盗家庭的哈拉尔德统一了北欧四分五裂的国家 成为维京王国的国王 由于 他喜欢吃蓝莓 牙齿常常被染成蓝色 而获得 蓝牙 的绰号 当时蓝莓因为颜色 怪异的缘故被认为是不适合食用的东西 因此这位爱尝新的国王也成为创新与勇 于尝试的象征 1998 年 爱立信公司希望无线通信技术能统一标准而取名 蓝牙 1 1 2 技术的产生 蓝牙 Bluetooth 是一种无线个人局域网 Wireless PAN 1994 年由爱立 信提出的短距离无线通信技术 1998 年 由日本东芝 瑞典爱立信 美国 IBM 和英特尔及芬兰诺基亚等业界龙头创立专门的蓝牙特别兴趣组 Bluetooth Special Interest Group SIG 制订蓝牙技术标准 其后 微软 3COM 朗讯 摩托罗拉和原有的五家公司一起 成为蓝牙 SIG 的 领导成员 1 2 发行版本 1998 年时 Bluetooth推出 0 7 版 支持 Baseband 与 LMP Link Manager Protocol 通讯协定两部份 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 协定 TCS Telephony Control Specification 协定 同时 1 0 版公布后 开始了大规模宣传 2001 年的 1 1 版正式列入 IEEE 标准 Bluetooth 1 1 即为 IEEE 802 15 1 2001 年 SIG 成员公司超过 2000 家 Bluetooth 2 0 将传输率提升至 2Mbps 3Mbps 远大于 1 x版的 1Mbps 实际约 723 2kbps 1 3 蓝牙与红外 红外无线接入技术是以红外线作为通信媒质的一种无线接入技术 其标准化 3 进程相对要早红外无线 技术比蓝牙技术更加成熟 虽然蓝牙技术和红外无线接 入技术都是短距离的无线接入技术 但是由于两种技术采用的电磁波频段不同 因此具有完全不同的信号传播特性 蓝牙使用 2 4GHz的 ISM 公用频段 实现 全双工通信 通信距离在 10 米以内 配置功率放大器可使通信距离进一步增加 红外无线接入技术的工作频段为 3 409 3 529 105GHz 采用半双工技术 通 信距离 1m左右 2 蓝牙技术概要 蓝牙技术是一种短距离无线通信技术 它基于蓝牙基带协议 采用跳频技术 标准是 IEEE802 15 带宽为 1Mb s 使用 2 4GHz ISM 全球通用频段 结合了电 路交换与分组交换的特它是实现语音和数据无线传输的开放性规范 是一种低 成本 短距离的无线连接技术 其无线收发器是很小的一块芯片 大约 9mm 9mm 可方便地嵌入到便携式设备中 从而增加设备的通信选择性 蓝牙 技术实现了设备的无连接工作 提供了接入数据网的功能 并且具有外围设备接 口 可以组成一个特定的小网点 能同时传送语和数据 2 1 蓝牙技术的特点包括 采用跳频技术 抗信号衰落 采用快跳频和短分组技术 减少同频干扰 保证传输的可靠性 采用前向纠错 FEC 编码技术 减少远距离传输时的随机噪声影响 使用 2 4GHz 的 ISM 频段 无需申请许可证 采用 FM 调制方式 降低设备的复杂性 该技术的传输速率设计为 1MHz 以时分方式进行全双工通信 其基带协议 是电路交换和分组交换的组合 使用跳频频谱扩展技术 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不断地从一 个信道 跳 到另一个信道 一个跳频频率发送一个同步分组 每个分组占用一 个时隙 也可扩展到 5 个时隙 蓝牙技术支持一个异步数据通道 或 3 个并发 4 的同步话音通道 或一个同时传送异步数据和同步话音的通道 每一个话音通道 支持 64kbps 的同步话音 异步通道支持最大速率 721kbps 反向应答速率为 57 6kbps 的非对称连接 或者是 432 6kbps 的对称连接 2 2 蓝牙的系统构成 蓝牙系统一般由天线单元 链路控制 固件 单元 链路管理 软件 单元和蓝牙 软件 协议栈 单元四个功能单元组成 如图 1 所示 图 1 蓝牙系统构成 天线单元 蓝牙的天线部分体积十分小巧 重量轻 属于微带天线 链路控制 硬件 单元 目前蓝牙产品的链路控制硬件单元包括 3 个集成芯片 连接控制器 基带处理器 以及射频传输 接收器 此外还使用了 3 5 个单独调谐元件 基带链路控制器负 责处理基带协议和其它一些低层常规协议 链路管理 软件 单元 链路管理 LM 软件模块携带了链路的数据设置 鉴权 链路硬件配置和其它一 些协议 LM 能够发现其他远端 LM 并通过 LMP 链路管理协议 与之通信 软件 协议栈 单元 蓝牙的软件 协议栈 是一个独立的操作系统 不与任何操作系统捆绑 它符合已 经制定好的蓝牙规范 蓝牙系统的通信协议大部分可用软件来实现 加载到中即 可进行工作 2 3 蓝牙协议 蓝牙协议体系结构采用分层方式 包括蓝牙专用协议和一些通用协议 专用 协议位于协议栈的底部 从底到上依次是蓝牙无线层 Bluetooth Radio 基带层 5 Baseband LMP 层 Link Manager Protocol 链路管理层 L2CAP 层 Logical link Control and Adaptation Protocol 逻辑链路控制与适应协议 SDP 层 Service Discovery Protocol业务搜寻协议 链路管理 LMP 负责蓝牙设备之间的链路建立 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 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 它与 LMP 是并列 的 区别在于 L2CAP 向高层提供负载的传送 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 而 LMP 不能 L2CAP 向高层提供面向连 接的和无连接的数据服务 具备多协议复用功能和拆 装适配功能 业务搜寻协议 SDP 是蓝牙体系中非常关键的部分 它是所使用模式的基 础 只有通过 SDP 查询通信双方的设备信息 业务类型及业务特征 然后才能 在蓝牙设备之间建立通信连接 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 2 4 基带层协议体系 2 4 1 跳频 跳频技术是物理信道内的每个时隙上所发送的数据 不断地从一个频道跳到 另一个频道 主设备与从设备会根据彼此间相同的跳频序列 从当前频道跳到下 一个频道 跳频序列决定于主设备内 48 位的 BD ADDR 蓝牙设备地址 地址 2 4 2 设备地址 蓝牙设备内有一个惟一的 48 位 BD ADDR Bluetooth Device Address 蓝牙设 备地址 地址 这个地址可以说是蓝牙技术的运算核心 几乎所有负责蓝牙系统 正常工作的控制参数 如跳频序列 频道访问码 加密密钥都由此地址求得 2 4 3 数据传输类型 蓝牙技术可同时发送语音和数据 因为蓝牙技术支持电路交换和包交换两种数据 传输方式 在蓝牙技术标准中电路交换的传输称为 SCO 链路 包交换的传输称 为 ACL 链路 SCO 链路面向连接的同步传输 Synchronous Connection Oriented SCO 链 6 路属于电路交换的同步传输类型 电路交换是指 当主设备与从设备一旦建立连 接后 不管有无数据发送 系统都会给主设备与从设备预留固定间隔的时隙 其 他从设备则不能利用此连接上的时隙来发送数据 SCO 属于点对点的对称连接 即连接建立在一个主设备和一个从设备之间 SCO 比较适合语音的传输 ACL 链路无连接的异步传输 Asychronous Connection Less ACL 链路属 于包交换的异步传输类型 包交换是将高层的数据切割成一段段包进行交换 ACL 链路可以占用任意时隙来传输数据 但它只能在 SCO 链路不使用的时隙上 传输 ACL 链路适合传输突发性的数据信息 其主设备可以同时和多个从设备 建立 ACL 链路 属于点对多点的非对称连接 2 5 蓝牙网络的拓扑结构 2 5 1 微微网 Piconet 蓝牙最基本的网络组成是微微网 Piconet 同一微微网上的单元之间共享一 条信道 其成员通过这个信道进行通信 这个信道由一个明确的跳频序列组成 微微网的成员以同步的方式跟踪跳频序列 跳频序列由主设备来控制 一个微微网必须有而且只有一个主单元 master unit 其余为从单元 slave unit 主单元控制微微网从建立到数据传送到最后结束通信的整个过程 主单元 与从单元在硬件与软件构成上没有任何区别 两个蓝牙设备建立连接后 形成了 微微网的个人区域 每个微微网有且只有一个主设备 同时有一个或多个从设备 它们可以互相转换角色 不过 每个微微网只能有 7 个活跃的从设备 因为在 Active 状态下 主设备分配给每个连接的从设备一个活动的成员地址 AM ADDR 主设备通过这个地址来辨别微微网中不同的从设备 AM ADDR 由 3bits 组成 所以在一个微微网中最多只能有 8 个设备 换言之 最多有 7 个 从设备处于活动态 其结构图如图 2 7 图 2 微微网结构 2 5 2 微微网中的通信 单元在加入微微网之前处于待机 standby 状态 这时单元处于低功耗模式 但每隔 1 28s 会对某一个跳频信道进行搜索寻找消息并作出回答 每一个单元 只在 32 个信道中进行搜索 西班牙与法国是 16 个 而且搜索的顺序是固定的 由单元识别码决定 为了与某个从单元建立联系 主单元需要知道从单元的识别 码与系统时钟信息 从中计算出从单元的跳频顺序 这样主单元就可以按从单元 的时钟在这些信道中发送含有从单元识别码的寻呼信息并确认识别码后就可以 进一步与主单元进行联系 为了知道从单元的识别码与时钟信息 此单元可以发 送查询消息 接收到这个消息的单元以它们识别码与系统时钟信息来回答 通过 这样的查询过程 主单元就可以知道在通信范围内有哪些蓝牙设备 2 5 3 散射网 为了连接 8 个以上的活跃的设备 必须建立多个微网 然后连接每个微网的 主设备 这个联合结构就是散射网 散射网在空间和时间上交叠 一个微网中的 从设备可以是多个微网的从设备 也可以是另一个微网的主设备 这样就使微网 之间通信成为可能 因为只有 79 个频点 所以一个散射网最多只有 10 个微网 为了消除限制数量对通信的影响 也为了提高频谱的利用效率 蓝牙允许同一区 域同时存在多个微微网 这样的多个微微网就构成一个分布式散射网 Scatter net 各微微网拥有自己的信道 微微网之间不做任何协调 这样蓝牙利用简单 的网络控制就达到多对多的通信 但也增加了蓝牙器件之间相互干扰的可能性 2 6 蓝牙的应用 8 蓝牙技术产品与因特网 Internet 之间的通信 使得家庭和办公室的设备不需要电 缆也能够实现互通互联 大大提高办公和通信效率 因此 蓝牙将成为无线通信 领域的新宠 将为广大用户提供极大的方便而受到青睐 目前已开发的应用包括 在手机上的应用 在掌上电脑上和其它数字设备上的应用 在传统家电中的应用 等等 在以上的应用中 目前应用最广的就是在支持蓝牙的手机通话设备上 如手机蓝 牙耳机 蓝牙使驾驶更安全 开车时接听电话不方便 而且会影响交通安全 容 易造成交通事故 车载免提系统接听电话虽然比较方便 但容易对个人隐私的泄 露 如果使用有线耳机 耳机线四处晃荡影响手臂的活动 耳机线屏蔽效果差经 常受到电磁噪音干扰 配合手机使用的蓝牙耳机则可以避免这些问题 使驾驶更 加安全 通过配有蓝牙功能的耳塞 使手机用户可以实现无线免提功能 用户还 可以通过车载蓝牙通讯设备来使用手机 不用从包中掏出手机就可以实现通话 3 蓝牙的发展前景 Internet 和移动通信的迅速发展 使人们对电脑以外的各种数据源和网络服 务的需求正在增长 蓝牙作为一个全球开放性无线应用标准 通过把各种语音和 数据设备用无线链路连接起来 使人们能够随时随地实现个人区域内语音和数据 通信的交换与传输 随着技术的发展和完善 蓝牙必将对人们的生活和工作产生 重大影响 3 1 发展阻力 价格因素 产品推出的因素中 芯片价格是主要的问题 例如要想将蓝牙芯片嵌入手机 中而将手机改造成 三合一 移动电话 蓝牙芯片的价格相对与现在手机的制作 成本而言还是太高 而且拥有蓝牙技术的手机不是光一个蓝牙芯片就能实现的 它还需要蓝牙协议和应用程序方面的投入 这无疑也要增加成本 由于芯片的制 约 蓝牙产品的成本不能降下来 目前市场上的蓝牙产品价格都比较昂贵 所以 对广大用户而言 当电缆线还没有到确实无法忍受的时候 是很少有人愿意去花 钱买一个昂贵的蓝牙设备的 兼容性问题 使用蓝牙技术的产品 由于历史和技术的原因 各自采用不同的 CPU 操作 9