蓝牙技术及其应用

Bluetooth Technology and Its Application

摘要

  　蓝牙技术是指一种低成本、高可靠性的短距离通用无线通信接口技术及其配套软件的公开标准。它将通信和计算机技术进一步整合在有限范围内使不同厂家生产的各种信息设备通过无线接口实现信息共享和互操作。蓝牙技术有着广阔的发展和应用前景。本文简要介绍了蓝牙技术及应用。

关键词:　蓝牙技术　应用　发展 

Abstract

     The bluetooth technology refers to a low cost, high reliability of wireless communication interface technology of short general public standards and software. It will further integrate communication and computer technology in a limited range of different manufacturers to all kinds of information through wireless device interface implementation of information sharing and interoperability. Bluetooth technology has wide development and application prospect. This paper briefly introduces the bluetooth technology and application.

Keywords ：Bluetooth technology , application  , development

    现代生活中,每个人的信息设备都越来越多,为了提高工作效率及设备资源的充分利用,周围的连线不可避免地逐渐增多,蓝牙技术的设计初衷是利用短程无线电链路取代专用电缆 ,将移动电话和便携式计算机、台式计算机、个人数字助理 (PDA)、传真机、打印机、摄像机、数字照相机以及和微波炉、电冰箱、洗衣机等家用电器连接起来 ,不但可以免去相互之间电缆连接的麻烦 ,而且便于人们在室内或室外流动时遥控操作。 

1　蓝牙技术的产生

    蓝牙技术实际上是一种短距离无线通信技术 ，它通过整合通信和计算机技术 ,使不同厂家生产的便携式硬件能够在无线连接的情况下 ,实现相互之间的连接。例如 ,利用蓝牙技术 ,可以把任何一种原来需要通过信号传输线连接的数字设备改为无线方式连接 ,并形成围绕个人的网络。无论在何处 ,无论是哪种数字设备在手 ,利用蓝牙技术都可以使其与周围的数字设备建立联系 ,共享这些设备中的数据库、电子邮件等。蓝牙技术起源于1994年，当时瑞典的爱立信公司成立了一个调研小组 ,对移动电话及其附件的低能耗、低费用无线连接的可能性进行研究。其目的在于建立无线电话与 PC卡、耳机及桌面的连接。1995年 5月,爱立信、诺基亚、东芝、 IBM和英特尔等 5家著名电子公司联合推出一项技术协议 ,称蓝牙技术。蓝牙 (bluetooth)原是中世纪一位丹麦国王的名字 ,这位国王统一了丹麦和挪威 ,建成了当时欧洲北部一个有影响的统一王国。用 “蓝牙”作为该项技术的名称 ,展现了他们对林林总总的数字设备一统天下的雄心。 1999年下半年 ,著名的世纪巨头微软、摩托罗拉、三康、朗讯与蓝牙特别小组的 5家公司共同发起了蓝牙技术推广组织 ,从而在全球范围内掀起了一股 “蓝牙”热潮 ,蓝牙产品不断问世。 [1]

2　蓝牙技术原理

     蓝牙技术是一种短距离无线电通信技术标准 ,它工作在 214GHz频段、数据速为 1Mbit ,使用扩频和跳频技术 ,即使在噪声环境中也可以正常地工作 ,其通信范围约 10米。蓝牙技术使用了一个极小的模块 ,它内含无线电收发装置 ,将其分别装在信息处理设备、家用电器，移动电话中 ,就能自动通过智能模式互通 ,自动同步交换高速数据信息。[4]它应该首先将自家的各种电器组成一个网络 ,便于主人使用 ;当然也会进入电话网、互联网,与外界沟通。蓝牙主要采用以下核心技术 : 

2.1　调频技术

     蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mb／s。 ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保键路稳定。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（即一定的规律，技术上叫做“伪随机码”，就是“假”的随机码）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，而其它的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳额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，使干扰可能造成的影响变得很小。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。

2.2　微微网和分散网

　当两个蓝牙设备成功建立链路后，一个微微网便形成了，两者之间的通信通过无线电波在79个信道中随机跳转而完成。

　　微微道由一主单元标识（提供跳频序列）和系统时钟（提供跳频相位）来定义，其它为从单元。每一蓝牙无线系统有一本地时钟，没有通常的定时参考。当一微微网建立后，从单元进行时钟补偿，使之与主单元同步，微微网释放后，补偿亦取消，但可存储起来以便再用。一条普通的微微道的单元数量为8（1主7从），可保证单元间有效寻址和大容量通信。实际上，一个微微网中互联设备的数量是没有的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为主，7个为从。蓝牙系统建立在对等通信基础上，主从任务仅在微微网生存期内有效，当微微网取消后，主从任务随即取消。每一单元皆可为主/从单元，可定义建立微微网的单元为主单元。除定义微微网外，主单元还控制微微网的信息流量，并管理接入。蓝牙给每个微微网提供特定的跳转模式，因此它允许大量的微微网同时存在，同一区域内多个微微网的互联形成了分散网。不同的微微道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。

　　蓝牙系统可优化到在同一区域中有数十个微微网运行，而没有明显的性能下降。蓝牙时隙连接采用基于包的通信，使不同微微网可互联。欲连接单元可加入到不同微微网中，但因无线信号只能调制到单一跳频载波上，任一时刻单元只能在一微微网中通信。通过调整微微道参数（即主单元标志和主单元时钟），单元可从一微微网跳到另一微微网中，并可改变任务。例如某一时刻在微微网中的主单元，另一时刻在另一微微网中为从单元。由于主单元参数标示了微微道的跳转模式，因此一单元不可能在不同的微微网中都为主单元。跳频选择机制应设计成允许微微网间可相互通信，通过改变标志和时钟输入到选择机制，新微微网可立即选择新的跳频。为了使不同微微网间的跳频可行，数据流体系中没有保护时间，以防止不同微微网的时隙差异。在蓝牙系统中，引入了保留（HOLD）模式，允许一单元暂时离开一微微网而访问另一微微网。

2.3 时分多址（TDMA）的调制技术

　　在1.0版本的技术标准中，蓝牙的基带比特速率为1Mb/s，采用TDD方案来实现全双工传输，因此蓝牙的一个基带帧包括两个分组，首先是发送分组，然后是接收分组。蓝牙系统既支持电路交换也支持分组交换，支持实时的同步定向联接（SCO）和非实时的异步不定向联接（ACL）。

　　SCO链路是微微网中单一主单元和单一从单元之间的一种点对点对称的链路。主单元采用按照规定间隔预留时隙（电路交换类型）的方式可以维护SCO链路。主单元可以支持多达三条并发SCO链路，而从单元则可以支持两条或者三条SCO链路，SCO链路上的数据包不会重新传送。SCO链路主要用于 kB/s的语音传输。

ACL链路是微微网内主单元和全部从单元之间点对多点链路。在没有为SCO链路预留时隙的情况下，主单元可以对任意从单元在某一时隙的基础上建立ACL链路，其中也包括了从单元已经使用某条SCO链路的情况（分组交换类型）。对大多数ACL数据包来说都可以应用数据包重传。ACL链路主要以数据为主，可在任意时隙传输。

2.4 编址技术

蓝牙有4种基本类型的设备地址：

BD_ADDER:BD_ADDER是一个48位长地址，该地址符合IEEE802标识符，可划分为LAP（24位地址低端部分），UAP（8位地址高端部分）和NAP（16位无意义地址部分）三部分。

AM_ADDER:AM_ADDER是三位长的活动成员地址，所有的0信息AM _ADDER都用于广播信息。

AR_ADDER:AR_ADDER是访问请求地址，被暂停状态的从单元用地址来确定访问窗口内从单元—主单元半时隙，通过它发送访问信息。

PM_ADDER:PM_ADDER是8位长的成员地址，分配给处于暂停状态的从单元使用。

任一蓝牙设备，都可以根据IEEE802标准得到一个唯一的48bit的BD_ADDER。它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询，在BD_ADDER的基础上，使用一些性能良好的算法获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码在全球的惟一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。

2.5 安全性

蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保 障，但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层的安全管理。在链路层中，蓝牙系统使用认证、加密和密钥管理等功能进行安全控制。在应用层中，用户可以使用个人标 识码（PIN）来进行单双向认证。[3]

2.6 纠错技术 

　　蓝牙系统的纠错机制分为FEC和包重发。FEC支持1/3率和2/3率FEC码。1/3率仅用3位重复编码，大部分在接收端判决，既可用于数据 包，也可用于SCO连接的包负载。2/3率码使用一种缩短的汉明码，误码捕捉用于解码，它既可用于SCO连接的同步包负载，也可用于ACL连接的异步包 负载。在ACL连接中，可用ARQ结构。在这种结构中，若接收方没有响应，则发端将包重发。每一负载包含有一CRC，用来检测误码。

 　为了减少复杂性，使开销和无效重发为最小，蓝牙执行快ARQ结构：发送端在TX时隙重发包，在RX时隙提示包接收情况。若加入2/3率FEC 码，将得到I类混合ARQ结构的结果。由于处理时间短，当包接收时，解码选择在空闲时间进行，并要简化FEC编码结构，以加快处理速度。快速ARQ结构与停止等待ARQ结构相似，但时延最小，实际上没有由ARQ 结构引起的附加时延。该结构比向后N个ARQ更有效，并与重复选择ARQ效率相同，但由于只有失效的包被重发，可减少开销。在快速ARQ结构中，仅有1位序列号就够了。[5]

3　应用与发展

蓝牙技术在发达国家得到了应用。 2000年八、九月间 ,美国在华尔街建成了世界上第一个 “蓝牙”宾馆。 2001年 10月间 ,中国电子信息产业集团建成第一座 “蓝牙”大厦。蓝牙系统在无需使用电缆或连接器的条件下 ,可以成功地实现简单、快捷、可靠的无线互联 ,特别在移动通信方面有着广泛的新应用。在商用、家用等各个领域中从自动化办公系统、能源交通系统、商品销售终端到医疗监护装置、信息家电设备及个人无线网络 ,蓝牙系统都具有广阔应用前景。蓝牙技术问世至今已经有了一定规模 ,下面通过一些代表性的蓝牙设备用户的使用情况了解蓝牙技术的应用与发展。 

     (1)连接移动网络和电子邮件。不论是以无线方式进行连接的蜂窝移动电话 ,或是以有线方式进行连接PSTN、LAN、XDSL等,都可利用便携式PC机随时随地在Internet上冲浪。

     (2)一机多用电话。如在办公室可将电话用作不产生额外电话费用的对讲设备;在家里这种电话可作为产生固定线路费用的无绳电话;而在旅行中,它可作为蜂窝移动电话。

(3)无线耳机。可做头戴、免提蜂窝电话、无线电话及个人微机的音频输入、输出接口设备,此时话音数据流可不经LCC层而直接进入基带协议层,直接收发处理AT集命令。

(4)隐藏式计算功能。蓝牙的此项功能可以自动对桌面电脑、便携式PC机、笔记本( PDA或HPC)及移动电话进行同步处理。

另外,蓝牙技术可视为一种最接近用户的短距离、微功率、微微小区( Pico cell)型无线接入手实现以Pico小区个人接入为中心展开的无线个人局域网络(WPAN)。[3]

 蓝牙技术把各种便携式电脑与蜂窝移动电话用无线电链路连接起来,使计算机与通信更加密切结合起来 ,使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。因此计算机行业、移动通信行业非常重视 “蓝牙”技术 ,认为它将对未来的无线移动、数据通信业产生巨大的促进作用。预计在最近几年内无线数据通信业务将迅速增长 ,届时 ,一批运用蓝牙技术的无线手持设备 PDA、手机、智能电话、图像处理设备、个人网络 PAN、无线钱包、通用遥感器和电子防盗门窗等都会便捷自如地为人们的工作和生活服务 ,使每个人真正领略到蓝牙技术的魅力和风采。 

4 结语

    蓝牙技术的应用基础需要一个高度发达的通信网络 ,我国的通信格局已有电话网、数据网、移动网、图像网、多媒体网。国家骨干网已发展成天地一体化,有线、无线融合的统一网络。蓝牙技术发展的基础是家庭计算机、移动电话、固定电话以及家用电器的广泛使用。我国目前有12亿人口、约2000万台计算机、1000多万网民、5000万移动电话用户、2亿多固定电话用户。从这些数据可以看出我国家庭网络市场将是巨大的,我国的家庭网络依托国家骨干通信网将会得到更大的发展。传统的有线电话发展到5000万个,经历了70年的时间,模拟蜂窝电话用了14年, GSM用7年,而蓝牙达到这个数量只需要2年时间。带有蓝牙技术的移动电话、PC机均已出现。2005年蓝牙设备年产量将超过10亿个。蓝牙技术的微型化、低成本,将为它在家庭娱乐和办公室、电子商务、工业控制等场合开辟广阔的应用前景。[2]

5. 参考文献

1.单宝杰 蓝牙技术及其应用  [J] 电信技术 2002 ,3

2.张孟顺 蓝牙技术及在我国的应用前景（上、下）[J]电信技术 2001年第3、4期

3.汤清华 蓝牙技术应用前景  [J] 中国电信业 2000.12

4.沈连丰等 蓝牙系统及发展    [J]  通信学报  2006.6

5.Will Wake .Wireless net formats bracing for collisiom.[J]EE Times,Feb,28.2000