Bluetooth——快速發(fā)展的小范圍無(wú)線通信技術(shù)

　　摘要：本文討論了Bluetooth系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，闡述其廣泛的應(yīng)用及今后的發(fā)展，最后簡(jiǎn)要給出作者對(duì)這一課題的研究開(kāi)發(fā)情況。

關(guān)鍵字：藍(lán)牙系統(tǒng)，無(wú)線個(gè)域網(wǎng)，跳頻技術(shù)，通信協(xié)議

　　一、小范圍應(yīng)用的意義及巨大的市場(chǎng)潛力

　　隨著Internet和多媒體通信的發(fā)展，人們對(duì)寬帶無(wú)線通信的要求也越來(lái)越迫切。寬帶和大容量這一對(duì)矛盾促使著人們開(kāi)發(fā)新的頻段和加緊對(duì)小范圍應(yīng)用的研究，其代表性的成果有：以無(wú)線LAN （Local Area Network） 為典型應(yīng)用的IEEE 802.11；由若干著名公司為核心的“家用射頻工作組”（ HRFWG，Home Radio Frequency Working Group ）提出的、以家庭應(yīng)用為主要背景的“共用無(wú)線訪問(wèn)協(xié)議”（ SWAP，Shared Wireless Access Protocol ）[2]；由Ericsson等公司發(fā)起成立的“藍(lán)牙特別興趣組”（BSIG，Bluetooth Special Interest Group）并提出的“藍(lán)牙系統(tǒng)”（Bluetooth System）[3]等。這些系統(tǒng)以小范圍應(yīng)用和采用跳頻技術(shù)為主要特色，工作率在2.4GHz頻段，雖然其標(biāo)準(zhǔn)目前還在不斷修改，但已展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，國(guó)際上一流的通信公司、計(jì)算機(jī)公司和軟件公司一方面協(xié)作攻關(guān)，另一方面也正如火如荼地開(kāi)展競(jìng)爭(zhēng)。這種適合小范圍應(yīng)用的研究方興未艾并正醞釀著更大的技術(shù)突破，預(yù)計(jì)近年將可在全球范圍內(nèi)獲得極為廣泛的應(yīng)用。

　　從網(wǎng)路的角度來(lái)看，繼廣域網(wǎng)（WAN，Wind Area Network或城域網(wǎng)，MAN,Metropolitan Area Network）、局域網(wǎng)（LAN，Local Area Network）之后，最近人們又提出了“無(wú)線個(gè)域網(wǎng)”（WPAN,Wireless Personal Area Network）。這一新概念將小范圍應(yīng)用提升到網(wǎng)路理論的高度。在短短的時(shí)間，WPAN成為一個(gè)受人矚目的新熱點(diǎn)，WPAN的研究組成立不到1年，就演變?yōu)镮EEE的專(zhuān)門(mén)工作組IEEE 802.15（即WPAN Working Group，於1999年3月成立）[4,5]，可見(jiàn)其受重視的程度。

　　比較而言，Bluetooth系統(tǒng)更具有代表性，它正根據(jù)WPAN的概念向前發(fā)展。事實(shí)上，Bluetooth和WPAN的概念相輔相成，Bluetooth已經(jīng)是WPAN的一個(gè)雛形。從它最初由Ericsson，IBM，Intel，Nokia和Toshiba公司作為原始發(fā)起組織而推出，1年多時(shí)間已吸引了近2000個(gè)國(guó)際上有影響的公司的參與。1999年底，美國(guó)的4家公司3COM，Lucent，Microsoft和Motorola，與上述5公司一樣作為Bluetooth的發(fā)起組織，使它在與SWAP、IEEE802.11等類(lèi)似應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，發(fā)展前景更加明朗[6]。為了推動(dòng)Bluetooth的發(fā)展，Bluetooth的標(biāo)準(zhǔn)是非專(zhuān)利的。Bluetooth已成為目前通信領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)，預(yù)計(jì)不遠(yuǎn)的將來(lái)就可成為小范圍無(wú)線多媒體通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

小范圍的應(yīng)用（或WPAN）有著巨大的市場(chǎng)潛力，它和大范圍快速移動(dòng)情況下的應(yīng)用相輔相成，互為補(bǔ)充，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高都具有重要的意義。從某種意義上說(shuō)，前者的市場(chǎng)潛力可能更為巨大，因?yàn)檫@種應(yīng)用可在小范圍內(nèi)將各種移動(dòng)通信設(shè)備、固定通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其終端設(shè)備、各種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)（例如數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等）甚至各種家用電器，使用一種廉價(jià)的無(wú)線方法建立它們之間的信息傳輸，涉及到的設(shè)備面廣量大，容易形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

　　二、Bluetooth系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

　　1. 射頻特性 [3,7]

　　Bluetooth設(shè)備工作在2.4GHz的ISM（Industrial, Science and Medicine）頻段，在北美和歐洲 （法國(guó)和西班牙除外）為2400～2483.5MHz，使用79個(gè)頻道，載頻為2402+k MHz （ k = 0,1,…，78）；法國(guó)和西班牙使用23個(gè)頻道，載頻分別為2454+kMHz和 2449+k MHz（ k = 0, 1, …，22 ），但已有提案改為統(tǒng)一的79個(gè)頻道，西班牙很快將有結(jié)果；日本原使用23個(gè)頻道，但自1999年10月開(kāi)始已改為統(tǒng)一的79個(gè)頻道，原來(lái)的23個(gè)頻道所使用的2471-2497MHz頻段作為選用。無(wú)論是79個(gè)頻道還是23個(gè)頻道，頻道間隔均為1MHz，采用時(shí)分雙工（TDD，Time Division Duplex）方式。 調(diào)制方式為BT=0.5的GFSK，調(diào)制指數(shù)為0.28～0.35。最大發(fā)射功率分為三個(gè)等級(jí)，分別是：100mW （20dBm），2.5mW（4dBm）和1mW（0dBm），在4～20dBm范圍內(nèi)要求采用功率控制，因此，Bluetooth設(shè)備間的有效通信距離大約為10～100米。

　　2. TDMA結(jié)構(gòu) [3]

　　在1.0B版本的標(biāo)準(zhǔn)中，Bluetooth的基帶符號(hào)速率為1Mb/s，采用數(shù)據(jù)包的形式按時(shí)隙傳送，每時(shí)隙0.625ms，不排除將來(lái)采用更高的符號(hào)速率。Bluetooth系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)的同步定向聯(lián)接和非實(shí)時(shí)的異步不定向聯(lián)接，分別成為SCO鏈路（Synchronous Connection-Oriented Link）和ACL鏈路（Asynchronous Connection-Less Link），前者主要傳送話音等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的信息，在規(guī)定的時(shí)隙傳輸，后者則以數(shù)據(jù)為主，可在任意時(shí)隙傳輸。但當(dāng)ACL傳輸占用SCO的預(yù)留時(shí)隙時(shí)，一旦系統(tǒng)需要SCO傳輸，ACL則自動(dòng)讓出這些時(shí)隙以保證SCO的實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)包被分成3大類(lèi)：鏈路控制包、SCO包和ACL包。已定義了4種鏈路控制數(shù)據(jù)包，后兩者最多可分別定義12種，目前已分別定義了4種和7種，即共定義了15種。大多數(shù)數(shù)據(jù)包只占用1個(gè)時(shí)隙，但有些包占用3個(gè)或5個(gè)時(shí)隙。

　　Bluetooth支持64kb/s的實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸和各種速率的數(shù)據(jù)傳輸，語(yǔ)音編碼采用對(duì)數(shù)PCM或連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSD，Continuos Variable Slope Delta Modulation）。語(yǔ)音和數(shù)據(jù)可單獨(dú)或同時(shí)傳輸。當(dāng)僅傳輸語(yǔ)音時(shí)，Bluetooth設(shè)備最多可同時(shí)支持3路全雙工的話音通信；當(dāng)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸或僅傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，支持433.9kb/s 的對(duì)稱(chēng)全雙工通信，或723.2kb/s、57.6kb/s的非對(duì)稱(chēng)雙工通信，后者特別適合無(wú)線訪問(wèn)Internet。另外，還采用CRC（Cyclic Redundancy Check）、FEC（Forward Error Correction）及ARQ（Automatic Repeat Request） 以提高通信的可靠性。

　　3. 使用跳頻技術(shù)

　　跳頻是Bluetooth使用的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)應(yīng)于單時(shí)隙包，Bluetooth的跳頻速率為1600跳。F對(duì)應(yīng)于多時(shí)隙包，跳頻速率有所降低；但在建鏈時(shí)（包括尋呼和查詢）則提高為3,200跳每秒。使用這樣高的跳頻速率，Bluetooth系統(tǒng)具有ì夠高的抗干擾能力。

跳頻序列受控於Bluetooth 48-bit設(shè)備地址碼（BD_ADDR）中的28-bit和27-bit的時(shí)鐘，采用以多級(jí)蝶形運(yùn)算為核心的映射方案，其示意圖如圖1。該跳頻圖案和其他方案相比，具有硬體設(shè)備簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、便於79/23頻段兩種系統(tǒng)的兼容以及各種狀態(tài)的跳頻序列使用統(tǒng)一的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

　　Bluetooth系統(tǒng)的設(shè)備有兩個(gè)主要工作狀態(tài)：守候狀態(tài)和連接狀態(tài)；七個(gè)中間臨時(shí)狀態(tài)：尋呼、尋呼掃描、查詢、查詢掃描、主設(shè)備回應(yīng)、從設(shè)備回應(yīng)和查詢回應(yīng)。不同狀態(tài)產(chǎn)生不同的跳頻序列。

　　4. Bluetooth設(shè)備的組網(wǎng)及其工作狀態(tài)

　　Bluetooth根據(jù)網(wǎng)路的概念提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線鏈接。在任意一個(gè)有效通信范圍內(nèi)，所有設(shè)備的地位都是平等的。首先提出通信要求的設(shè)備稱(chēng)為主設(shè)備（Master），被動(dòng)進(jìn)行通信的設(shè)備稱(chēng)為從設(shè)備（Slave）。利用TDMA，一個(gè)Master最多可同時(shí)與7個(gè)Slave進(jìn)行通信并和多個(gè)Slave（最多可超過(guò)200個(gè)）保持同步但不通信。一個(gè)Master和一個(gè)以上的Slave構(gòu)成的網(wǎng)路稱(chēng)為Bluetooth的主從網(wǎng)路（Piconet）。若兩個(gè)以上的Piconet之間存在著設(shè)備間的通信，則構(gòu)成了Bluetooth的分散網(wǎng)路（Scatternet）。Piconet和Scatternet的示意圖如圖2所示�；�於TDMA原理和Bluetooth設(shè)備的平等性，任一Bluetooth設(shè)備在Piconet和Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，還可同時(shí)既是Master又是Slave。因此，在Bluetooth中沒(méi)有基站的概念。另外，所有設(shè)備都是可移動(dòng)的。

　　5. 全球范圍內(nèi)的工作

　　Bluetooth的基本出發(fā)點(diǎn)是可使其設(shè)備能夠在全球范圍內(nèi)應(yīng)用於任意的小范圍通信。任一Bluetooth設(shè)備，都可根據(jù)IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)得到一個(gè)唯一的48-bit的BD_ADDR，它是一個(gè)公開(kāi)的地址碼，可以通過(guò)人工或自動(dòng)進(jìn)行查詢。在BD_ADDR基礎(chǔ)上，使用一些性能良好的演算法可獲得各種保密和安全碼，從而保證了設(shè)備識(shí)別碼（ID，Identification）在全球的唯一性，以及通信過(guò)程中設(shè)備的鑒權(quán)和通信的安全保密。

　　6. 軟件的層次結(jié)構(gòu)[8]

　　和許多通信系統(tǒng)一樣，Bluetooth的通信協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)。其底層為各類(lèi)應(yīng)用所通用，高層則視具體應(yīng)用而有所不同，大體上分為計(jì)算機(jī)背景和非計(jì)算機(jī)背景兩種方式，前者通過(guò)主機(jī)控制接口（HCI，Host Control Interface）實(shí)現(xiàn)高、低層的聯(lián)接，后者則可不用HCI。圖3給出了它的一種協(xié)議體系，從中可以看出，這種層次結(jié)構(gòu)使其設(shè)備具有最大可能的通用性和靈活性。根據(jù)通信協(xié)議，各種Bluetooth設(shè)備無(wú)論在任何地方，都可以通過(guò)人工或自動(dòng)查詢來(lái)發(fā)現(xiàn)其它Bluetooth設(shè)備，從而構(gòu)成Piconet或Scatternet，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)提供的各種功能。


　　三、廣泛的應(yīng)用

　　跳頻、TDD和TDMA等技術(shù)的使用使得Bluetooth的射頻電路較為簡(jiǎn)單，通信協(xié)議的大部分內(nèi)容可以用專(zhuān)用積成電路和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此從技術(shù)上保證了Bluetooth設(shè)備的高性能和低成本。Bluetooth使蜂房電話系統(tǒng)、無(wú)繩通信系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)和因特網(wǎng)等現(xiàn)有網(wǎng)路增添了新功能，使各類(lèi)計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)乃至各種室內(nèi)電子、信息和電器設(shè)備增添了無(wú)線傳輸和組網(wǎng)的功能，應(yīng)用空間將極為廣闊。

Bluetooth的目標(biāo)是在所有移動(dòng)設(shè)備之間以及任何小范圍內(nèi)各種信息傳輸設(shè)備乃至於各種電器設(shè)備之間建立起無(wú)線鏈接。在其1.0版本的標(biāo)準(zhǔn)中，已定義了包括使用WAP（Wireless Application Protocol） 協(xié)議聯(lián)結(jié)Internet的多種應(yīng)用。就目前的發(fā)展來(lái)看，Bluetooth產(chǎn)品將會(huì)較快地和如下設(shè)備或系統(tǒng)融為一體，從而提供新的服務(wù)。

　　1. 各種電話系統(tǒng)[9]

　　Bluetooth為品將會(huì)首先應(yīng)用於數(shù)字手機(jī)、家庭及辦公室電話、小型PBX等電話系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)真正意義上的個(gè)人通信。這樣，從消費(fèi)者的角度來(lái)講既方便又節(jié)約，相當(dāng)於手機(jī)既連接著蜂房系統(tǒng)，又連接著PSTN、辦公室電話系統(tǒng)、局域網(wǎng)及Internet，使用手機(jī)但可享受合理的通信開(kāi)支；對(duì)於網(wǎng)路營(yíng)運(yùn)商來(lái)說(shuō)，PSTN將增加話務(wù)量自不必說(shuō)，蜂房系統(tǒng)由於手機(jī)的話務(wù)量被分流到PSTN及PBX等系統(tǒng)，看起來(lái)可能會(huì)使其收費(fèi)減少，但手機(jī)的平均話務(wù)量減少將使系統(tǒng)容量增加，特別是隨著WAP協(xié)議的使用將使手機(jī)上網(wǎng)的機(jī)會(huì)越來(lái)越多，容量問(wèn)題將會(huì)更加突出，因此移動(dòng)通信營(yíng)運(yùn)商也是樂(lè)於接受Bluetooth的。目前，國(guó)際上各大手機(jī)制造商都在加緊開(kāi)發(fā)Bluetooth手機(jī)，無(wú)繩電話和有線電話的制造商也感受到Bluetooth帶來(lái)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，競(jìng)相研發(fā)帶有Bluetooth的新為品，這些都將推動(dòng)它迅速發(fā)展。

　　2. 無(wú)線電纜

　　無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室、辦公室還是家庭，計(jì)算機(jī)及其外設(shè)的應(yīng)用越來(lái)越普及，它們之間的通信傳統(tǒng)上必然要通過(guò)網(wǎng)線，這給使用帶來(lái)很大的不便。Bluetooth基於無(wú)線電纜的概念，使這類(lèi)信息傳輸設(shè)備除電源線外再無(wú)其它連線，甚至包括鍵盤(pán)、滑鼠等也采用無(wú)線傳輸。Bluetooth企圖建立一個(gè)全無(wú)線的工作環(huán)境和生活環(huán)境，由於這些設(shè)備類(lèi)多量廣，無(wú)論是硬體還是軟件，都有著極大的商機(jī)。

　　3. 無(wú)線公事包

以便攜式計(jì)算機(jī)和掌上計(jì)算機(jī)為代表，采用無(wú)線方式和其他設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)相連接，使人們擁有一個(gè)可流動(dòng)的辦公室。Bluetooth標(biāo)準(zhǔn)已制定了和計(jì)算機(jī)以及與Internet、PSTN、ISDN（Integrated Services Digital Network）、LAN、WAN、xDSL（x Digital Subscriber Loop）等網(wǎng)路的接口協(xié)議，其目標(biāo)是用單一的Bluetooth標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立起和眾多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的連接。目前它用1Mb/s的速率已完全可以勝任這些工作，將來(lái)根據(jù)IEEE 802.15的發(fā)展計(jì)劃，可以將速率提高到20Mb/s以上。

　　4. 各類(lèi)數(shù)字電子設(shè)備

　　數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等設(shè)備裝上Bluetooth系統(tǒng)，既可免去使用電纜的不便，又可不受記憶體溢出的困擾，隨時(shí)隨地可將所攝圖片或影像通過(guò)同樣裝上Bluetooth系統(tǒng)的手機(jī)或其他設(shè)備傳回指定的計(jì)算機(jī)中。

PDA（Personal Digital Assistant）裝上Bluetooth系統(tǒng)后，采用無(wú)線方式收、發(fā)e-mail甚至瀏覽網(wǎng)頁(yè)將更為方便。

　　Bluetooth的硬體電路可以做到微型化，在Headset上應(yīng)用非常合適。裝上Bluetooth系統(tǒng)的Headset可以使它和手機(jī)進(jìn)行無(wú)線連接，也可以使人在小范圍內(nèi)自由走動(dòng)地打電話、收聽(tīng)音樂(lè)，在較大的范圍內(nèi)召開(kāi)電話會(huì)議，應(yīng)用前景十分誘人。

　　微型化、低功耗和低成本的特性給Bluetooth在人們?nèi)粘Ｉ�活中的�?yīng)用開(kāi)拓了近乎無(wú)限的空間。例如，Bluetooth構(gòu)成的無(wú)線電電子鎖比其它非接觸式電子鎖或IC鎖具有更高的安全性和適用性，各種無(wú)線電遙控器（特別是汽ó防盜和遙控）比紅外線遙控器的功能更強(qiáng)大，在餐館酒樓用膳時(shí)菜單的雙向無(wú)線傳輸或招呼服務(wù)員提供指定的服務(wù)（如添茶、加某種飲料）將更為方便等。

　　5. 電子商務(wù)

　　Bluetooth的安全保密特性將大大擴(kuò)展現(xiàn)有電子商務(wù)系統(tǒng)的功能。例如，可用它在很多消費(fèi)場(chǎng)合構(gòu)成電子付帳系統(tǒng)，賓館接待處的電子登記服務(wù)等。

6. 將來(lái)的應(yīng)用

　　Bluetooth芯片的微型化和低成本將為它在家庭和辦公室自動(dòng)化、家庭娛樂(lè)、電子商務(wù)、工業(yè)控制、智能化建筑物等場(chǎng)合開(kāi)辟?gòu)V闊的應(yīng)用前景。

　　四、Bluetooth系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　低成本和小型化是制作Bluetooth設(shè)備的關(guān)鍵，ASIC（Application Specific Integrated Circuit）的解決方案，包括射頻和基帶部分，是主要的途徑�，F(xiàn)在已有多種將基帶ASIC電路和射頻ASIC電路做成一個(gè)電路模組的方案，有的樣品不到1cm2。Bluetooth系統(tǒng)的通信協(xié)議大部分可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，加載到FLASH RAM中。由此可見(jiàn)，Bluetooth系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)低成本和小型化，而且容易擴(kuò)充功能，預(yù)計(jì)很快將會(huì)進(jìn)入批量生產(chǎn)的階段。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　Bluetooth是最近提出的一種小范圍信息傳輸系統(tǒng)，已表現(xiàn)出較強(qiáng)的生命力。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室較早地跟蹤這一發(fā)展，從1998年開(kāi)始，和香港通訊科技中心（TTC, Telecom Technology Centre）共同研究理解Bluetooth標(biāo)準(zhǔn)，繼而合作開(kāi)發(fā)Bluetooth系統(tǒng)，雙方都是BSIG的成員。通訊科技中心於1999年在這一項(xiàng)目上獲得香港特區(qū)政府“創(chuàng)新與科技基金（ITF, Innovation and Technology Fund）”的資助，雙方在該基金的支持下進(jìn)行了更為緊密的合作，目前已基本完成了基於PC的大部分通信協(xié)議的軟件開(kāi)發(fā)和部分硬體電路的研制，相信我們的研究開(kāi)發(fā)成果不久即可向有興趣的廠商轉(zhuǎn)讓。