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蓝牙技术原理与技术综述 B l u e t o o t h 蓝牙 专栏 C o l u mn 浙江邮电规划设计研究院 沈 粱 王鑫荣 陈文召 摘要 在无线通信 系统中 蓝牙技术 已经成为一个重要的研 究课题 该文阐述了蓝牙技术的发展历 史 概念 特点 所面临的技术挑战以及应用前莆等问题 讨论 了蓝牙技术的体 系结构 关键技术及 目前 可 实现 的一 些处 理方法 关键词 蓝牙技术 体 系结构 关键技术 1引言 蓝牙技术是一种正在笈展中的短距离无线连接技 术 它直接面对个人和商务的无线连接应用 推动这项 技术的蓝牙特殊利益集团 B S I G B l u e t o o t h s p e c i a l I n t e r e s t G r o u p 由爱立信 I B M 东芝等 5 家电子 电脑及通信业厂商在 1 9 9 8 年发起 正在制订中的蓝牙 标准将是完全开放的 B S I G 已经提出了蓝牙标准 目前 的版本是 L 0 蓝牙是一种低功耗的无线技术 目的是取代现有 的P c 打印机 传真机和移动电话等设备上的有线接口 主要优点存 可以随时随地用无线接口来代替有线电缆 连接 具有根强的移植性 可应用于多种通信场合 功 耗低 蓝牙集成电路应用简单 成本低廉 实现容易 易 于推广 蓝牙工作在2 4 6 H z 的 I S M 频段 工业 科学和 医疗频段 当蓝牙设备的功率为L m W O d b m 时 其发射 范围一般可达 l O m 蓝牙技术还采用了跳频技术来消除 干扰和降低衰落 当检测到距离小于l O m时 接受设备 可动态调节功率 当业务量减小或停止时 蓝牙设备可 以进入低功率工作模式 组网时最多可以有2 5 6 个蓝牙 单元设备连接起来组成微微网 其中一个主设备单元和 7 个从设各单元处于工作状态 而其他设备单元则处于 待机模式 微微网络可以重叠交叉使用 从设备单元可 以共享 由多个相互重叠的微微网可以组成分布网络 蓝牙可以提供电路交换和分组交换两种技术 以 提供不同场合的应用 在同步工作状态下 一个组数据 包可以占用一个或多个时隙 最多可达5 个 蓝牙可 同时在异步条件下支持语音和数据传输 蓝牙的系统功 能框 图如 图 L所示 图 1蓝牙系统 功能框图 2 蓝牙系统体系结构 2 1无线射频部分 蓝牙工作在全球通用的 2 4 G H z I S M 及工业 科 学 医学 频段 它的数据速率为 L s 采用时分 双工传输方案便于实现全双工传输 I S M 频带是对所有无线电系统都开放的频带 因此 使用这个频段会遇到不可预测的干扰源 为此 蓝牙特 别设计了快速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 H o p C h a n n e 1 在一次连 接中 无线电收发器将按一定的码序列 即一定的规律 叫做 伪随码 不断地从一个信道 跳 到另一个信道 这样就可以避开 干扰 因为 干扰源 不可能会同时 按这样的规律进行干扰 调频的瞬时带宽是根窄的 但 通过扩频技术将使得这个窄带宽成百倍地扩展为宽频 带 从而使得干扰可能的影响变成根小 与其它工作 在相 同频带 的系统相 比 蓝 牙跳频 更快 数据 包更 短 这使 得蓝牙 比其它 系统 都更稳定 为了抑制干扰和防止信号衰弱 跳频收发器将采 用 B T 0 5的 G F S K G a u s s i a n R r e q u e i i c Y S h i f t K e y i n g 调制 调制系数介于0 2 8 和0 3 5 之间 G F S K 调制方式及加大 了频谱 的带外衰减 同时也得到 了恒包 2 0 0 1 年冕冉屯工程 摹3 1 鲞 摹9 期 1 7 维普资讯 B l u e t o o t h 蓝牙 专 栏 Co l u mn 络 的特 性 蓝牙空中接 口是建立在天线 电平为O d B m 的基础上 的 空中接 口遵循 F c C 美国联邦通信委员会 有关 电平 为O d g m的I S M 频段的标准 频谱扩展功能是通过起始 频率为2 4 0 2 G U z 终止频率为2 4 8 0 G H z 间隔为I M H z 的7 9个跳频频点来实现的 信道最大的调频速率为 l 6 0 0 跳 秒 理想 的连接范 围为 1 0 c m至 l O m 通过 增大发送电平可以将距离延长至 1 O O m 2 2基带部分 基带部分描述了硬件一基带链路控制器 的数字信 号处理规范 基带链路控制器负责处理基带协议和其 他一些低 层常规协议 主要包括 了物理连接 分组 纠 错 逻辑信道 信道控制管理 语音 蓝牙编址和安全 加密等 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 每个数据包将以 不 同的频率发 送 一个数 据包名 义上 占用一 个时隙 S o t 但实际上可以被扩展到5 个时隙 蓝牙还支持 异步数据信道 多迭 3 个的同时进行的同步话音信道 并且还可以用一个信道 同时传送异步数据和同步话音 每个话音信道支持6 4 k b s 的同步话音链路 异步信道 可 以支持一端最大速率为7 2 3 2 k b s 而另一端最大速率 为5 7 6 k b s 的不对称连接 也可 以支持 4 3 3 9 k b s 的 对 称连 接 2 3连接类型 蓝牙基带技术支持两种连接类型 步面向连接 S C O 类型 主要用于传送话音 异步无连接 A C L 类 型 主要用于传送数据包 同 一 个P i e o n e t 通过蓝牙技术连接在一起的所有 设备被认为是一个P i c o n e t 中不同的 主从对 可以 使用不同的连接类型 而且在一个阶段内还可 以任意改 变连接类型 每个连接类 型最多可以支持 L 6 种 其 中目 前有定义的只有 1 2 种 不 同类 型的数据包 其中包括四 个控制分组 N U L L P O L L F H S D M I 这一点对 S C O 和A C L 来说都是相同的 两种连接类型都使用T D D 实现 全 双 工传输 S C O 连接为对称连接 利用保留时隙传送数据包 连接建立后 M a s t e r 主单元 即在一个 P i c o n e t中 其时钟和跳频序列被用来同步其它单元的设备 和 S l a v e 从单元 即 P i c o n e t中不是 M a s t e r的所有其它 设备 可以不被选中就发送 S C O 数据包 S C O数据包即 可以传送话音 也可以传送数据 但在传送数据时 只 重发披损坏 的那部分的数据 A C L链路就只是定 向发送数据包 它既支持对称 连接 也支持不对称连接 M a s t e r负责控制链路带 宽 并决定P i c o n e t中的每个S l a v e 可以占用多少带 宽与连接的对称性 s 1 a v e 只有被选中时才能传送数 据 A C L 链路也支持接收M a s t e r 发给 P i c o n e t中的所 有 s l a v e的广告消息 2 4纠错技术 基带控制器有三种纠错方案 1 3比例前 向纠错 F E e 码 2 3比例前向纠错码 数据的自动请求重发方案 A R Q F E e 前向纠错 方案的目的是为了减少数据重发的 次数 降低数据传输负载 但是 要实现数据的无差错 传输 F E e 就必须要生成一些不必要的冗余 比特 从而 降低了数据的传输效率 因为 准确率与效率总是成反 比的 在包头总有占 1 3比例的 F E e码起保护作用 其中包含了有用的链路信息等 在 自动请求重发方案中 在一个时隙中 传送的数 据必须在下一个时隙得到确认 数据只有在收端通过了 包头错误检测和循环冗余检测 c R c 无误后 收端才向 发端回送确认消息 否则 则返回一个错误消息 2 5数据分组 P i c o n e t 信道中的数据都将被分组打包 P a r k 一 般的数据包格式如图2 所示 每个数据包包括3 个实 体部分 接入码 A e e e s s c o d e 报 头 H e a d e r 和有 效载荷 P a y o a d 其中接入码和报头都是固定长度 分别为 7 2 b i t和 5 4 b i t 而有效载荷则可 以在 0 2 7 4 5 b i t之间 图 2数据 包括式 2 6鉴权和保密 蓝牙技术提供短距离的对等通信 它在应用层和 链 路层上都采取 了保密措施 以保证通信 的安全性 所 有蓝牙设备都采用相同的认证和加密方式 在链 路 层 使用 4个参数来加强通信的安全性 即蓝牙设备 地址 肋 一A D D R 认证私钥 加密私钥和随机码 R A N D 蓝牙设备地址是一个 4 8 位的 I E E E 地址 它唯一 地识别蓝牙设备 对所有 蓝牙设备都是公开盹 认证私 钥在设备初始化期间生成 其长度为 1 2 8 b i t 加密私 维普资讯 钥通常在认证期 间由认证私钥生成 其长度根据算法 要求选择 8 1 2 8 b i t 之 间的数 8的整数倍 对于 目 前的绝大多数应用 采用6 4 b i t的加密私钥就可保证 其安全性 随机码 由蓝牙设备的伪 随机过程产生 其 长度为 1 2 8 b i t 蓝牙安全机制 的目的在于提供适 当级 别的安全保护 如果用户有更高级别的保密要求 可 采用更有效的传输层和应用层安全机制 2 7链路管理 链路管理 L 吣软件模块是一些携带了链路 的数据 设置 签权 链路硬件配置和其他一些协议的程序模 块 它能够发现其它远端L M并通过L M P 链路管理协 议 与之通 信 L M模块提供如下服务 发送和接收数据 请求名称 L M 能够有效地查询和报告名称或者 长度最大达 l 6位的设备的 I D 链路地址查询 建 立 连 接 鉴 权 链路模式协商和建立 如 数据模式或者话 音 数据模式 在连接建立过程中是可以变更的 决定帧的类型 将设备设为S n i f f 呼吸 模式 工作在S n i f f 模 式的设备只接收M 时隙的数据 M 时隙的位置由f M 协商 决定 M a s t e T只能有规律地在特定 的时隙发送数据 将设备设为H o l d 保持 模式 工作在H o l d 模式 的设备为了节能 将在一个较长的时期内停止接收数 据 平均每4 秒激活一次链路 这些由L M 决定 L c 链 路控制器 具体执行 当设备不需要传送或接收数据但仍需要保持同 步时 将设备设为暂停模式 处于暂停模式的设备将周 期性地激活跟踪同步 并检查 P a g e 寻呼 消息 2 8 话音 话音信道采用 6 4 k b s 的对数P C M调制 支持 A 律和 u 律 或者采用6 4 k b s 的连续可变斜率增量 调制 C V S D 的话音编码方案 并且从不重发话音数据 包 C v S D编码擅长处理丢失和被损坏的语音 即使 比特错误率达到 4 经过 C V S D编码 的话音还是可以 忍 受 的 2 9蓝牙的编址 每一个蓝牙发送器都有一个 4 8 b i t 的蓝牙设备地 址 B D A D D R 这个地址符合 I E E E 8 0 2 标准 共分为三 个部分 如图 3 所示 B l u e t o o t h 蓝牙 专栏 C o l u mn 图 3蓝 牙的地址格式 其中 L A P l o w e r a d d r e s s p a r t UA P upp er addr eS S pa rt N A P no n Si g ni f i ci a nt ad d re s s 另外 在P i c o n e t 中的母一个被激活的 S l a v e 单 元 还被分配有一个 3 比特的A M A D D R A c t i r e M e m b e r A d d r e s s A M A D D R和 B D A D D R 每个 S l a v e 单元只接收和B D A D D R A A D D R 都匹配的分组和广播 分组 3蓝牙所用的网络技术 蓝牙技术支持点对点和点对多点的连接 几个 P i c 0 n e t可以被连接在一起 靠跳频顺序识别每个 P i c o n e t 同一个 P i c o n e t 的所有用户都与这个跳频顺 序同步 其拓补结构就是 多P i c o n e t 结构 在一个 多P i c o n e t 的结构中 在带有 1 0个全负载的独立 P i c a n e r 的情况下 全双工数据速率超过6 M b s 蓝牙 的点与点之间的通信连接和数据传输是靠各层协议之间 的配合与互相解释来实现的 如图4 就是蓝牙网络协议 的堆栈 应用用户 应用服务嚣 O BE X O B E X F C O R R s D P R F C O m I I s D P L M P I L 2 C A P L K P I L 2 C A P 蕾带 基带 图 4协议堆框图 L b lP L i n k M a n a g e r P r o t o c o 1 和 L 2 C A P L o g i c a 1 L i n k C o n t r o l A n d A d a p t a t i o n P r o t o c o 1 是基于基 带的两个重要的链路管理层协议 L M P 信息是用来进行链路的建立和控制 的 它利用 有效载荷字段中的f c H 字段来区分的 在接收端由f M 单元来解释它 L 信息并不会向更高层扩展 但它却 有着比用户数据包更高的优先权 L 2 C A P与 L M P相比 它支持高层的协议的多路技 2 0 0 1 年无线电工矗 茹3 1拳 摹9 期 1 9 篓 维普资讯 B l u e t o o t h 蓝牙 专栏 C o l u mn 术 它是低层协议 L o w e r P r o t o c o l L a y e r 与高层 协议 U p p e r P r o t o c o l L a y e r 的中介 L 2 C A P的功 能和作用可以用图 来加以说明 它是 系低层和高 层协议之间的桥梁 图 5 L 2 C A P作用示意图 客户机 C l i e n t 和服务器 S e r v e r 分别表示了请 求服务的发起者和接收者 一个应用级的用户必须既能 发起请求又能接收请求 两个垂直层之间的接口利用低 层的前缀来向高层提供服务 例如L 2 C A 来自下层的事 件叫做请求 R r e q 而相应的回应信号叫做认证 C f m 来自上层的事件叫做指示 1 a d 而相应的回应的信号则 叫做响应 R s p S O P S e r v i c e D i s n o v e r y P r o t o c o1 R F C O M M w i t h T S 0 7 i 0 T C S B i n a r y T e l e p h o n y C o a t r o l P r o t o c o i S p e c i f i c a t i o n 和 O B E X O b j e t E x c h a n g e P r o t o c o 1 等是蓝牙的高层应用协议 这些协议提供了 包括用户可以利用的服务 基于 L 2 C A P的一系列仿真 口 两个蓝牙设备之间的话音与数据传输的呼叫控制信 令 以及手提T C S 终端的移动管理过程等功能 联络连接的建立 在 P f c o n e t 内的连接被建立之 前 所有的设备都处于S t a n d b y 待令 状态 在这种 模式下 未连接 的单元将每 隔 L 2 8 s 周期地 监听 信息 每当一个设备被激活 监听规划 将会给 该单元 3 2个跳频频点 不过 跳频频点的数 目应该 因地理区域的不同而不同 作为M a s t e r的设各首先初 始化连接程序 如果地址 已知 则通过一个后接 P a g e 消息的 I n q u i r y 查询 消息来建立连接 4软件结构 蓝牙设备必须 能够彼此识别并装载与之相应的软 件以支持设备更高层 次的性 能 5蓝牙技术的应用前景 蓝牙技术以低成本的无线技术实现计算机 手机 和多种便携通信终端之 间的互联 这些特点决定了蓝 牙技术有着广阔的应用前景 目前具有蓝牙功能的产品纷纷亮相 要在产品中 实现蓝牙功能 主要精力应放在蓝牙技术的应用上 在具体设计开发过程中应注意 1 应当同具有系统级经验 并能提供应用帮助和 开发工具的供应商台作 2 充分考虑可选择的芯片 模块以及外部设计资 源 尽量避免陷入复杂棘手的R F电路设计 封装等问