近程無線通信標準---藍牙協(xié)議架構(gòu)

黃 時 華 徐 明 遠
昆 明 理 工 大 學 信 息 與 自 動 化 工 程 學 院 通 信 系 (昆 明 650000)



　　[摘 要 ]隨 著 人 們 對 各 種 通 信 及 處 理 終 端 的 移 動 性 和 互 連 性 要 求 的 空 前 提 高 ， 并 隨 著 移 動 通 信 和 計 算 機 網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 的 迅 猛 發(fā) 展 ， 以 及 它 們 之 間 的 相 互 融 合 及 滲 透 ， 出 現(xiàn) 了 一 種 新 的 開 放 性 的 無 線 通 信 標 準 — — 藍 牙 技 術(shù) ， 在 10米 （ 加 放 大 可 至 100米 ） 的 小 區(qū) 域 內(nèi) ， 任 何 支 持 該 技 術(shù) 的 移 動 或 非 移 動 設(shè) 備 可 以 隨 時 隨 地 ， 隨 心 所 欲 地 建 立 相 互 間 的 網(wǎng) 絡(luò) 聯(lián) 系 ， 進 行 話 音 和 數(shù) 據(jù) 通 信 ， 或 進 行 因 特 網(wǎng) 沖 浪 。 本 文 著 重 分 析 藍 牙 協(xié) 議 棧 的 分 層 結(jié) 構(gòu) ， 分 析 各 層 的 功 能 及 相 互 聯(lián) 系 ， 最 后 介 紹 幾 種 最 常 見 的 應(yīng) 用 模 式 ， 并 分 析 藍 牙 協(xié) 議 是 如 何 支 持 這 些 應(yīng) 用 模 式 的 。



　　[關(guān) 鍵 詞 ]藍 牙 ； 協(xié) 議 ； 協(xié) 議 棧



　　1、 藍 牙 技 術(shù) 簡 介



　　藍 牙 技 術(shù) 起 源 于 1994年 ， 最 初 是 以 消 除 各 種 電 器 設(shè) 備 之 間 的 有 線 連 接 為 目 標 的 ， 隨 著 研 究 的 深 入 及 應(yīng) 用 需 求 ， 藍 牙 技 術(shù) 已 經(jīng) 能 把 各 種 話 音 及 數(shù) 據(jù) 設(shè) 備 ， 如 PC、 撥 號 網(wǎng) 絡(luò) 、 筆 記 本 電 腦 、 打 印 機 、 傳 真 機 、 移 動 電 話 、 數(shù) 碼 相 機 、 高 品 質(zhì) 耳 機 等 ， 通 過 無 線 方 式 將 它 們 連 成 一 個 微 微 網(wǎng) （ Piconet） ， 使 各 種 設(shè) 備 之 間 實 現(xiàn) 無 縫 隙 資 源 共 享 。



　　藍 牙 工 作 于 全 球 可 用 的 2.4GHz ISM頻 段 ， 采 用 了 跳 頻 技 術(shù) 來 克 服 干 擾 和 衰 落 ， 跳 頻 帶 寬 79MHz， 共 79個 射 頻 信 道 ， 其 符 號 傳 輸 率 為 1Mb/s。 采 用 時 分 雙 工 （ TDD） 方 案 進 行 全 雙 工 通 信 。 在 信 道 上 以 分 組 的 形 式 交 換 信 息 ， 每 個 分 組 在 不 同 的 跳 頻 頻 率 上 傳 輸 ， 占 用 1個 至 5個 時 隙 ， 每 個 時 隙 長 625μ s。



　　藍 牙 協(xié) 議 將 電 路 交 換 與 分 組 交 換 相 結(jié) 合 ， 可 支 持 1個 異 步 數(shù) 據(jù) 信 道 ， 最 多 3個 同 時 同 步 話 音 信 道 ， 或 1個 同 時 支 持 異 步 數(shù) 據(jù) 和 同 步 話 音 的 信 道 。 每 個 話 音 信 道 在 每 個 方 向 支 持 64kb/s比 特 傳 輸 率 ， 異 步 信 道 支 持 最 大 723.2kb/s的 非 對 稱 比 特 傳 輸 率 ， 或 433.9kb/s的 對 稱 比 特 傳 輸 率 。



　　藍 牙 系 統(tǒng) 由 一 個 無 線 單 元 、 一 個 鏈 路 控 制 單 元 和 一 個 具 有 鏈 路 管 理 及 主 機 終 端 接 口 功 能 的 支 持 單 元 構(gòu) 成 ， 如 圖 1所 示







　　藍 牙 系 統(tǒng) 可 提 供 點 到 點 或 一 點 到 多 點 的 連 接 。 在 一 點 到 多 點 的 連 接 中 ， 由 幾 個 藍 牙 單 元 共 享 同 一 信 道 ， 構(gòu) 成 一 個 微 微 網(wǎng) ， 其 中 一 個 作 為 該 微 微 網(wǎng) 的 主 單 元 ， 而 其 余 為 從 單 元 （ 最 多 可 激 活 7個 ） 。 信 道 訪 問 由 主 單 元 控 制 。 多 個 覆 蓋 區(qū) 域 交 疊 的 微 微 網(wǎng) 又 構(gòu) 成 一 個 分 散 網(wǎng) （ Scatternet） 。 從 單 元 以 時 分 復(fù) 用 的 方 式 可 加 入 不 同 的 微 微 網(wǎng) ， 而 且 ， 一 個 微 微 網(wǎng) 的 主 單 元 也 要 成 為 另 一 個 微 微 網(wǎng) 的 從 單 元 。 這 些 微 微 網(wǎng) 在 時 間 或 頻 率 上 都 不 同 步 ， 每 個 網(wǎng) 有 它 自 己 的 跳 頻 信 道 。



　　2、 藍 牙 協(xié) 議 棧



　　圖 2是 一 個 完 整 的 藍 牙 協(xié) 議 棧 。 不 同 的 應(yīng) 用 運 行 在 不 同 的 協(xié) 議 棧 上 ， 然 而 ， 每 個 不 同 的 協(xié) 議 棧 都 采 用 共 同 的 藍 牙 數(shù) 據(jù) 鏈 路 層 和 藍 牙 物 理 層 。 圖 2還 表 示 了 當 需 要 進 行 無 線 數(shù) 據(jù) 傳 送 時 ， 藍 牙 是 如 何 利 用 其 它 現(xiàn) 有 協(xié) 議 的 業(yè) 務(wù) 的 。



　　由 圖 2可 見 ， 完 整 的 藍 牙 協(xié) 議 棧 由 藍 牙 特 有 協(xié) 議 [如 LMP（ 鏈 路 管 理 協(xié) 議 ） 、 L2CAP（ 邏 輯 鏈 路 控 制 和 適 應(yīng) 協(xié) 議 ） ]， 和 非 藍 牙 特 有 協(xié) 議 [如 OBEX（ Object Exchange Protocol） UDP（ User Datagram Protocol） 等 ]兩 部 分 組 成 。







　　設(shè) 計 藍 牙 及 協(xié) 議 棧 的 主 要 原 則 是 ， 根 據(jù) 不 同 的 應(yīng) 用 目 的 ， 在 高 層 最 大 限 度 地 重 用 現(xiàn) 有 協(xié) 議 。 這 樣 可 使 現(xiàn) 有 的 應(yīng) 用 與 藍 牙 技 術(shù) 并 存 ， 并 確 保 它 們 的 互 操 作 性 。 并 且 ， 由 于 藍 牙 技 術(shù) 標 準 的 開 放 性 ， 使 得 各 個 開 發(fā) 商 可 自 由 地 將 他 們 自 己 的 或 公 共 的 應(yīng) 用 協(xié) 議 運 行 于 藍 牙 協(xié) 議 之 上 。



　　3、藍 牙 架 構(gòu) 中 的 協(xié) 議



　　由 圖 1所 示 的 藍 牙 協(xié) 議 棧 可 分 為 四 層 ， 分 別 是 藍 牙 核 心 協(xié) 議 層 、 電 纜 替 代 協(xié) 議 層 、 電 話 控 制 協(xié) 議 層 和 采 納 的 其 它 協(xié) 議 層 。



　　3.1 核 心 協(xié) 議



　　基 帶 、 鏈 路 管 理 協(xié) 議 （ LMP） 、 邏 輯 鏈 路 控 制 及 適 應(yīng) 協(xié) 議 （ L2CAP） 、 業(yè) 務(wù) 發(fā) 現(xiàn) 協(xié) 議 （ SDP） 四 部 分 組 成 了 藍 牙 核 心 協(xié) 議 。



　�。�1） 基 帶



　　基 帶 及 鏈 路 控 制 層 的 作 用 是 在 各 藍 牙 單 元 之 間 建 立 物 理 射 頻 鏈 路 ， 從 而 形 成 微 微 網(wǎng) 。



　　該 層 有 二 種 物 理 鏈 路 ， 一 種 是 面 向 連 接 的 同 步 鏈 路 （ SCO） ， 另 一 種 是 無 連 接 異 步 鏈 路 （ ACL） 。 其 相 應(yīng) 的 ACL分 組 僅 用 于 數(shù) 據(jù) ， 而 SCO分 組 可 僅 包 含 話 音 ， 也 可 是 話 音 和 數(shù) 據(jù) 的 組 合 。 該 層 可 為 所 有 的 話 音 和 數(shù) 據(jù) 分 組 提 供 不 同 水 平 的 FEC或 CRC校 驗 以 及 加 密 。 而 且 還 為 不 同 的 數(shù) 據(jù) 類 型 ， 包 括 鏈 路 管 理 和 控 制 信 息 ， 各 自 分 配 一 個 特 定 的 信 道 。



　　（ 2） 鏈 路 管 理 協(xié) 議



　　LMP負 責 藍 牙 設(shè) 備 之 間 的 鏈 路 建 立 ， 包 括 通 過 生 成 、 交 換 密 鑰 和 檢 查 鏈 路 來 完 成 鑒 權(quán) 和 加 密 等 安 全 方 面 的 任 務(wù) ， 以 及 控 制 和 協(xié) 調(diào) 基 帶 分 組 的 大 小 。 同 時 ， LMP還 控 制 藍 牙 無 線 設(shè) 備 的 電 源 模 式 和 時 鐘 周 期 ， 以 及 微 微 網(wǎng) 內(nèi) 藍 牙 單 元 的 連 接 狀 態(tài) 等 。


　�。� 3） 邏 輯 鏈 路 控 制 及 適 應(yīng) 協(xié) 議



　　L2CAP完 成 藍 牙 基 帶 與 高 層 協(xié) 議 間 的 適 配 。 通 過 協(xié) 議 復(fù) 用 、 分 用 和 重 組 操 作 ， 以 及 分 類 提 取 ， L2CAP向 高 層 協(xié) 議 提 供 面 向 連 接 的 和 無 連 接 的 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) ， 它 允 許 高 層 協(xié) 議 和 應(yīng) 用 發(fā) 送 和 接 收 長 達 64K字 節(jié) 的 L2CAP分 組 。



　�。� 4） 業(yè) 務(wù) 發(fā) 現(xiàn) （ 搜 尋 ） 協(xié) 議



　　業(yè) 務(wù) 是 所 有 應(yīng) 用 模 式 的 基 礎(chǔ) 。 應(yīng) 用 SDP可 以 查 尋 設(shè) 備 信 息 、 業(yè) 務(wù) 及 業(yè) 務(wù) 特 征 ， 并 在 此 之 后 建 立 二 個 或 多 個 藍 牙 設(shè) 備 之 間 的 連 接 。 SDP是 藍 牙 框 架 中 的 關(guān) 鍵 部 分 。



　　3.2 電 纜 替 代 協(xié) 議



　　RFCOMM是 以 ETSI 07.10為 基 礎(chǔ) 的 串 行 電 纜 仿 真 協(xié) 議 ， 通 過 在 藍 牙 基 帶 上 仿 真 RS－ 232的 控 制 和 數(shù) 據(jù) 信 號 ， 為 那 些 串 行 電 纜 作 為 傳 輸 機 制 的 高 級 業(yè) 務(wù) （ 如 OBEX協(xié) 議 ） 提 供 傳 輸 能 力 。



　　3.3 電 話 控 制 協(xié) 議



　　電 話 控 制 協(xié) 議 包 括 TCSBIN和 AT命 令 集 。 其 中 TCS BIN是 一 個 面 向 比 特 的 協(xié) 議 ， 它 定 義 了 在 藍 牙 設(shè) 備 間 建 立 話 音 和 數(shù) 據(jù) 呼 叫 所 需 的 呼 叫 控 制 信 令 。 而 AT命 令 集 的 功 能 則 是 在 各 種 應(yīng) 用 模 式 下 控 制 移 動 電 話 和 調(diào) 制 解 調(diào) 器 。



　　3.4 采 納 的 其 它 協(xié) 議



　　PPP— — 運 行 于 RFCOMM之 上 ， 用 以 實 現(xiàn) 點 到 點 的 連 接 。



　　TCP/UDP/IP— — 在 藍 牙 設(shè) 備 中 采 用 這 些 協(xié) 議 可 實 現(xiàn) 與 連 接 到 互 連 網(wǎng) 上 的 其 它 任 何 設(shè) 備 的 通 信 。 例 如 ， 如 果 藍 牙 設(shè) 備 是 一 個 藍 牙 蜂 窩 手 機 或 一 個 數(shù) 據(jù) 訪 問 點 ， 則 可 將 之 用 作 通 向 因 特 網(wǎng) 的 橋 梁 。



　　OBEX— — 采 用 客 戶 — 服 務(wù) 器 模 式 提 供 與 HTTP相 同 的 基 本 功 能 。 首 先 將 RFCOMM作 為 OBEX的 唯 一 傳 輸 層 ， 今 后 有 可 能 實 現(xiàn) 將 TCP/IP也 作 為 傳 輸 層 。



　　WAP— — WAP的 目 的 是 要 將 互 連 網(wǎng) 和 電 話 業(yè) 務(wù) 引 入 數(shù) 字 蜂 窩 電 話 和 其 他 無 線 終 端 。 選 擇 WAP的 意 圖 是 重 用 為 WAP應(yīng) 用 環(huán) 境 （ WAE） 開 發(fā) 的 高 層 應(yīng) 用 軟 件 ， 包 括 WML和 WTA瀏 覽 器 。



　　VCard/vCal— — 分 別 定 義 了 電 子 商 務(wù) 卡 和 個 人 日 程 表 的 格 式 。



　　除 以 上 協(xié) 議 層 外 ， 藍 牙 協(xié) 議 棧 中 還 有 二 個 接 口 ， 一 個 主 機 控 制 接 口 （ HCI） ， 它 是 到 基 帶 控 制 器 、 鏈 路 管 理 器 以 及 訪 問 硬 件 狀 態(tài) 和 控 制 寄 存 器 的 命 令 接 口 ； 另 一 個 與 基 帶 直 接 相 連 的 音 頻 接 口 ， 用 以 在 多 個 藍 牙 設(shè) 備 之 間 傳 遞 音 頻 數(shù) 據(jù) 。



　　4、藍 牙 應(yīng) 用 模 式 及 其 協(xié) 議



　　以 下 是 由 藍 牙 特 別 興 趣 小 組 （ SIG） 市 場 組 確 認 的 優(yōu) 先 級 最 高 的 幾 種 應(yīng) 用 模 式 。



　　4.1 文 件 傳 送



　　文 件 傳 送 應(yīng) 用 模 式 提 供 從 一 個 設(shè) 備 （ 如 PC， PDA， 智 能 電 話 ） 傳 送 數(shù) 據(jù) 文 件 到 另 一 個 設(shè) 備 的 能 力 。 所 傳 送 的 文 件 類 型 并 不 局 限 于 .xls、 .ppt、 .wav、 .jpg、 和 .doc文 件 ， 還 包 括 整 個 文 件 夾 、 目 錄 、 媒 體 流 格 式 。 并 且 ， 這 種 應(yīng) 用 模 式 還 可 以 瀏 覽 在 遠 程 設(shè) 備 上 的 文 件 夾 的 內(nèi) 容 。



　　該 應(yīng) 用 模 式 所 需 的 協(xié) 議 棧 如 圖 3（ 省 略 了 LMP、 基 帶 和 無 線 等 下 層 協(xié) 議 ， 以 下 均 同 ） 。



　　4.2 互 連 網(wǎng) 網(wǎng) 橋



　　在 此 應(yīng) 用 模 式 中 ， 移 動 電 話 或 無 線 modem作 為 PC的 modem， 提 供 撥 號 上 網(wǎng) 和 傳 真 的 功 能 ， 而 無 需 至 PC的 物 理 連 接 。 圖 4是 其 所 需 的 協(xié) 議 棧 。







　　4.3 局 域 網(wǎng) 訪 問



　　此 模 式 下 ， 多 個 數(shù) 據(jù) 終 端 （ DTs） 共 用 一 個 LAN訪 問 點 （ LAP） 作 為 到 LAN的 無 線 連 接 。 一 旦 連 接 成 功 ， DTs就 象 通 過 撥 號 上 網(wǎng) 連 接 到 LAN一 樣 。 DT可 訪 問 由 LAN提 供 的 所 有 業(yè) 務(wù) 。 除 AT命 令 未 用 以 外 ， 其 協(xié) 議 棧 與 互 連 網(wǎng) 橋 應(yīng) 用 模 式 的 協(xié) 議 棧 基 本 相 同 ， 如 圖 5。







　　4.4 同 步 化



　　同 步 應(yīng) 用 模 式 提 供 PIM（ 個 人 信 息 管 理 ） 信 息 的 設(shè) 備 與 設(shè) 備 之 間 的 同 步 ， 典 型 的 PIM信 息 有 電 話 簿 、 日 歷 、 留 言 、 通 知 等 。 同 步 化 要 求 計 算 機 對 這 些 信 息 進 行 傳 送 和 處 理 ， 要 求 蜂 窩 電 話 和 個 人 數(shù) 字 助 理 （ PDA） 采 用 相 同 的 協(xié) 議 和 格 式 。 圖 6為 同 步 應(yīng) 用 協(xié) 議 棧 。







　　4.5 三 合 一 電 話



　　此 種 手 提 電 話 可 連 接 到 三 個 不 同 的 業(yè) 務(wù) 供 應(yīng) 商 。 首 先 ， 在 辦 公 室 或 家 里 ， 可 作 為 無 繩 電 話 連 接 到 PSTN， 只 需 固 定 線 路 的 費 用 。 其 次 ， 可 與 其 它 電 話 對 講 ， 作 為 一 個 步 談 機 或 手 機 的 延 伸 ， 而 無 話 費 產(chǎn) 生 。 最 后 ， 如 果 在 旅 途 中 ， 它 還 可 連 接 蜂 窩 系 統(tǒng) 上 ， 作 為 蜂 窩 移 動 業(yè) 務(wù) 費 用 產(chǎn) 生 的 移 動 電 話 使 用 。 圖 7為 無 繩 電 話 和 對 講 應(yīng) 用 所 采 用 的 協(xié) 議 棧 ， 話 音 流 直 接 連 接 到 基 帶 協(xié) 議 。







　　4.6 極 限 耳 機



　　用 無 線 的 方 式 將 耳 機 與 遠 端 設(shè) 備 相 連 ， 從 而 使 用 戶 可 以 自 由 活 動 且 同 時 確 保 私 密 性 。 常 見 的 應(yīng) 用 是 將 它 作 為 蜂 窩 手 機 、 無 繩 手 機 、 或 PC的 音 頻 輸 入 輸 出 接 口 。 其 音 頻 流 也 是 直 接 連 接 到 基 帶 協(xié) 議 。 該 耳 機 必 須 能 夠 發(fā) 送 AT命 令 并 接 收 回 碼 ， 以 允 許 耳 機 應(yīng) 答 并 終 止 來 電 ， 而 勿 需 實 際 去 操 作 手 機 。 協(xié) 議 棧 見 圖 8。







　　5、結(jié) 束 語



　　盡 管 藍 牙 協(xié) 議 及 其 規(guī) 范 還 有 待 于 完 善 和 發(fā) 展 ， 但 相 對 于 其 它 無 線 通 信 標 準 而 言 ， 藍 牙 具 有 高 可 靠 性 、 低 復(fù) 雜 度 、 低 功 耗 、 低 成 本 的 特 點 。 而 且 ， 由 于 它 可 同 時 支 持 數(shù) 據(jù) 、 音 頻 和 視 頻 信 號 ， 其 應(yīng) 用 可 擴 展 到 成 千 上 萬 種 產(chǎn) 品 ， 典 型 的 應(yīng) 用 環(huán) 境 包 括 無 線 辦 公 室 、 信 息 家 電 、 汽 車 工 業(yè) 、 醫(yī) 療 設(shè) 備 、 學 校 教 育 、 工 廠 自 動 控 制 等 。 因 此 ， 誰 都 無 法 忽 視 藍 牙 的 魅 力 ， 有 人 將 它 稱 為 即 將 來 臨 的 通 信 技 術(shù) 革 命 。 短 短 兩 年 多 時 間 ， 國 際 上 通 信 及 計 算 機 、 網(wǎng) 絡(luò) 巨 頭 ， 以 及 幾 大 芯 片 和 軟 件 廠 商 紛 紛 成 為 SIG成 員 ， 并 相 繼 推 出 相 關(guān) 產(chǎn) 品 。 由 此 可 見 ， 它 蘊 藏 著 巨 大 的 商 機 ， 正 在 成 為 21世 紀 的 投 資 熱 點 。


摘自《移動通信》2001.6