再識(shí)藍(lán)牙技術(shù)

再識(shí)藍(lán)牙技術(shù)



作為便攜式設(shè)備的無線連接新技術(shù)藍(lán)牙(Blue-tooth)，是由愛立信、IBM、諾基亞、英特爾和東芝
于1998年5月共同推出的，而實(shí)際上這項(xiàng)技術(shù)的研究開發(fā)工作早在1994年就已進(jìn)行。當(dāng)時(shí)，愛立信
移動(dòng)通信公司成立了一個(gè)專項(xiàng)科研小組，對(duì)移動(dòng)電話及其附件進(jìn)行低能耗、低費(fèi)用無線連接的可能
性進(jìn)行研究，他們的目的在于建立無線電話與PC卡、耳機(jī)及桌面設(shè)備等產(chǎn)品的聯(lián)接。1997年，愛
立信與其他設(shè)備生產(chǎn)商聯(lián)系，并激發(fā)了他們對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的濃厚興趣。1998年2月，5個(gè)跨國大公
司，包括愛立信、諾基亞、IBM、東芝及Intel組成了一個(gè)特殊興趣小組（SIG），它包含了商業(yè)領(lǐng)
域的最佳組合：兩個(gè)最大的移動(dòng)通信公司，兩個(gè)最大的手提電腦生產(chǎn)商，一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的
領(lǐng)導(dǎo)者。他們共同的目標(biāo)是建立一個(gè)全球性的小范圍無線通信技術(shù)，即藍(lán)牙。由于藍(lán)牙技術(shù)使用短
程無線電信號(hào)，將移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)以及其他手持設(shè)備連接起來，所以可以應(yīng)用到幾乎所有
具有開關(guān)功能的產(chǎn)品中，例如家用電器、汽車、家用電子設(shè)備與辦公設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)推出后，包括摩
托羅拉、索尼、3Com、康柏、惠普、朗訊科技和戴爾在內(nèi)的1100多家藍(lán)牙集團(tuán)的成員公司都簽署
了相關(guān)協(xié)議，從而共享這一先進(jìn)技術(shù)。

一、概述

藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信開放性全球規(guī)范，它是以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為
固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接的短程無線電技術(shù)。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是建立通用的無線電空
中接口(radio air interface)及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)，使通信和計(jì)算機(jī)進(jìn)一步結(jié)合，使不同
廠家生產(chǎn)的便攜式在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)具有相互操作的性能
（Interoperability）。其程序?qū)懺谝粋�(gè)9mmx9mm的微芯片中。

例如，如果把藍(lán)牙技術(shù)引入到移動(dòng)電話和膝上型電腦中，就可以去掉移動(dòng)電話與膝上型電腦之間的
令人討厭的連接電纜而可通過無線方式建立通信。打印機(jī)、PDA、桌上型電腦、傳真機(jī)、鍵盤、游
戲操縱桿以及所有其他的數(shù)字設(shè)備都可以成為藍(lán)牙系統(tǒng)的一部分。除此之外，藍(lán)牙無線技術(shù)還為已
存在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外圍設(shè)備提供通用接口以組建一個(gè)遠(yuǎn)離固定網(wǎng)絡(luò)的個(gè)人特別連接設(shè)備群。

藍(lán)牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)速率為1Mbit/s。
時(shí)分雙工傳輸方案被用來實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。

ISM頻帶是對(duì)所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個(gè)頻段都會(huì)遇到不可預(yù)測的干擾
源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等，都可能是干擾。為此，藍(lán)牙特別設(shè)計(jì)
了快速確認(rèn)和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。跳頻技術(shù)是把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道(hop channel)，
在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列（即一定的規(guī)律，技術(shù)上叫做“偽隨機(jī)碼”，就是
“假”的隨機(jī)碼）不斷地從一個(gè)信道“跳”到另一個(gè)信道，只有收發(fā)雙方是按這個(gè)規(guī)模進(jìn)行通信
的，而其他的干擾不可能按同樣的規(guī)律進(jìn)行干擾。跳頻的瞬時(shí)帶寬是很窄的，但通過擴(kuò)展頻譜技術(shù)
使這個(gè)窄帶成百倍地?cái)U(kuò)展成寬帶頻，使干擾可能的影響變得很小。

與其他工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍(lán)牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍(lán)牙比其他系統(tǒng)都要穩(wěn)定。
FEC(Forward Error Correction,前向糾錯(cuò))的使用抑制了長距離鏈路的隨機(jī)噪音。應(yīng)用了二進(jìn)
制調(diào)頻（FM）技術(shù)的跳頻收發(fā)器被用來抑制干擾和防止衰落。

藍(lán)牙技術(shù)的無線電收發(fā)器的鏈接距離可達(dá)30英尺，不限制在直線范圍內(nèi)，甚至設(shè)備不在同一房間內(nèi)
也能相互鏈接，并且可以鏈接多個(gè)設(shè)備，這就可以把用戶身邊的設(shè)備都鏈接起來，形成一個(gè)“個(gè)人
領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)”（Personal area network）。

二、藍(lán)牙技術(shù)

通過藍(lán)牙技術(shù)連接在一起的所有設(shè)備被認(rèn)為是一個(gè)piconet，一個(gè)piconet可以只是兩臺(tái)相連的設(shè)
備，比如一臺(tái)便攜式電腦和一部移動(dòng)電話，也可以是8臺(tái)連在一起的設(shè)備，在一個(gè)piconet中，所
有設(shè)備都是級(jí)別相同的單元，具有相同的權(quán)限。但是在piconet網(wǎng)絡(luò)初建時(shí)，其中一個(gè)單元被定義
為master unit，其時(shí)鐘和跳頻順序被用來同步其他單元的設(shè)備，而piconet中不是master的所有
設(shè)備被定義為slave units。用來區(qū)分piconet中各單元的長度為3比特的地址稱為Mac
address。Piconet中與網(wǎng)絡(luò)保持同步但沒有Mac address的設(shè)備稱為Parkde units（暫停 單
元）。幾個(gè)獨(dú)立且不同步的piconet組成一個(gè)scatternet。

藍(lán)牙系統(tǒng)一般由天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍(lán)牙軟件（協(xié)議）單
元等4個(gè)功能單元組成。

藍(lán)牙系統(tǒng)的主要技術(shù)包括：

1、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接。幾個(gè)piconet可以被連接在一起，靠跳頻順序識(shí)別每個(gè)
piconet。同一piconet所有用戶都與這個(gè)跳頻順序同步。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以被描述為“多
piconet”結(jié)構(gòu)。在一個(gè)“多piconet”結(jié)構(gòu)中，在帶有10個(gè)全負(fù)載的獨(dú)立的piconet的情況下，
全雙工數(shù)據(jù)速率超過6Mbit/s。

2、話音技術(shù)

藍(lán)牙話音信道采用連接可變斜率增量調(diào)制（CVSD）話音編碼方案，并且從不重發(fā)話音數(shù)據(jù)包。
CVSB編碼擅長處理丟失和被損壞的語音采樣，即使比特錯(cuò)誤率達(dá)4%，CVSD編碼的語音還是可聽
的。

3、天線

藍(lán)牙空中接口是建立在天線電平為0dBm的基礎(chǔ)上的。空中接口遵循FCC（美國聯(lián)邦通信委員會(huì)）有
關(guān)電平為0dB的ISM頻段的標(biāo)準(zhǔn)。如果全球電平達(dá)到100mW以上，可以使用擴(kuò)展頻譜功能來增加一些
補(bǔ)充業(yè)務(wù)。頻譜擴(kuò)展功能是通過起始頻率為2.402GHz，終止頻率為2.480GHz，間隔為1MHz的79個(gè)
跳頻頻點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。出于某些本地規(guī)定的考慮，日本、法國和西班牙都縮減了帶寬。最大的跳頻速
率為1660跳/秒。理想的連接范圍為10cm-10m，但是通過增大發(fā)送電平可以將距離延長至100m。


4、基帶

基帶部分描述了硬件----基帶鏈路控制的數(shù)字信號(hào)處理規(guī)范�；鶐ф溌房刂曝�(fù)責(zé)處理基帶協(xié)議和
其它一些低層常規(guī)協(xié)議。藍(lán)牙基帶協(xié)議是電路交換與分組交換的結(jié)合。在被保留的時(shí)隙中可以傳輸
同步數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包以不同的頻率發(fā)送。一個(gè)數(shù)據(jù)包名義上占用一個(gè)時(shí)隙，但實(shí)際上可以被擴(kuò)
展到占用5個(gè)時(shí)隙。藍(lán)牙可以支持異步話音。每個(gè)話音信道支持64kbit/s同步話音鏈路。異步信道
可以支持一端最大速率為721kbit/s而另一端速率為57.6kbit/s的不對(duì)稱連接，也可以支持
43.2kbit/s的對(duì)稱連接。

5、建立網(wǎng)絡(luò)連接

在piconet內(nèi)的連接被建立之前，所有的設(shè)備都處于standby(待令)狀態(tài)。在這種模式下，未連接
單元每隔1.28s周期性地“監(jiān)聽”信息。每當(dāng)一個(gè)設(shè)備被激活，它就監(jiān)聽規(guī)劃給該單元的32個(gè)躒跳
頻頻點(diǎn)。跳頻頻點(diǎn)的數(shù)目因地理區(qū)域的不同而異，32這個(gè)數(shù)字只適用于除日本、法國和西班牙之外
的大多數(shù)國家。作為master的設(shè)備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過尋呼(page)消息
建立連接，如果地址未知，則通過一個(gè)后接page消息的inpuiry(查詢)消息建立連接。在最初的尋
呼狀態(tài)，master單元將在分配給被尋呼單元的16個(gè)跳頻頻點(diǎn)上發(fā)送一串16個(gè)相同的page消息。如
果沒有應(yīng)答，master則按照激活次序在剩余16個(gè)頻點(diǎn)上繼續(xù)尋呼。Slave收到從master發(fā)來的消
息的最大延遲時(shí)間為激活周期的2倍（2.56s），平均延遲時(shí)間是激活周期的一半(0.6s)。
Inpuiry消息主要用來尋找藍(lán)牙設(shè)備，如共享打印機(jī)、傳真機(jī)和其他的一些地址未知的類似設(shè)備。
Inpuiry消息和page消息很相像，但是inpuiry消息需要一個(gè)額外的數(shù)據(jù)串周期來收集所有的響
應(yīng)。

如果piconet中已經(jīng)處于連接的設(shè)備在較長一段時(shí)間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙還支持節(jié)能工作模式。
Master可以把slave置為hold（保持）模式，在這種模式下，只有一個(gè)內(nèi)部計(jì)數(shù)器在工作。Slave
也可以主動(dòng)要求被置為hold模式。一旦處于hold模式的單元被激活，則數(shù)據(jù)傳遞也立即重新開
始。Hold模式一般被用于連接好幾個(gè)piconet的情況下或者耗脂低的設(shè)備，如溫度傳感器。除hold
模式外，藍(lán)牙還支持另外兩種節(jié)能工作模式：sniff（呼吸）模式和park（暫停）模式。在sniff
模式下，slave降低了從piconet“收聽”消息的速度，“呼吸”間隔可以依應(yīng)用要求做適當(dāng)調(diào)
整。在park模式下，設(shè)備依然與piconet同步但沒有數(shù)據(jù)傳送。工作在park模式下的設(shè)備放棄了
Mac地址，偶爾收聽master的消息并恢復(fù)同步、檢查廣播消息。如果我們把這幾種工作模式按照節(jié)
能效率以升序排一個(gè)隊(duì)，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式。

6、連接類型和數(shù)據(jù)包類型

連接類型定義了哪種類型的數(shù)據(jù)包能在特別連接中使用。藍(lán)牙基帶技術(shù)支持兩種連接類型，即同步
定向連接（SCO）類型（主要用于傳送話音）和異步無連接（ACL）類型（主要用于傳送數(shù)據(jù)
包）。

同一個(gè)piconet中不同的主從對(duì)可以使用不同的連接類型，而且在一個(gè)階段內(nèi)可以任意改變連接類
型。每個(gè)連接類型最多可以支持16種不同類型的數(shù)據(jù)包，其中包括四化上控制分組，這一點(diǎn)對(duì)SCO
和ACL來說都是相同的。兩種連接類型都使用TDD（時(shí)分雙工傳輸方案）實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。

SCO連接為對(duì)稱連接，利用保留時(shí)隙傳送數(shù)據(jù)包。連接建立后，master和slave可以不被選中就發(fā)
送SCO數(shù)據(jù)包。SCO數(shù)據(jù)包既可以傳送話音，也可以傳送數(shù)據(jù)，但在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，只用于重發(fā)被損
壞的那部分的數(shù)據(jù)。

ACL鏈路就是定向發(fā)送數(shù)據(jù)包，它既支持對(duì)稱連接，也支持不對(duì)稱連接。Master負(fù)責(zé)控制鏈路帶
寬，并決定piconet中的每個(gè)slave可以占用多少帶寬和連接的對(duì)稱性。Slave只有被選中才能傳
送數(shù)據(jù)。ACL鏈路也支持接收master發(fā)給piconet中所有slave的廣播消息。

7、糾錯(cuò)

基帶控制器有3種糾錯(cuò)方案：即1/3比例前向糾錯(cuò)（FEC）碼、2/3比例前向糾錯(cuò)碼和數(shù)據(jù)的自動(dòng)請
求重發(fā)方案。

FEC（前向糾錯(cuò)）方案的目的是為了減少數(shù)據(jù)重發(fā)的次數(shù)，降低數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載。但是，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)
的無差錯(cuò)傳輸，F(xiàn)EC就必然要生成一些不必要的開銷比特而降低數(shù)據(jù)的傳送效率。這是因?yàn)�，�?shù)據(jù)
包對(duì)于是否使用FEC是彈性定義的。報(bào)頭總有占1/3比例的FEC碼起保護(hù)作用，其中包含了有用的鏈
路信息。

8、鑒權(quán)和保密

藍(lán)牙基帶部分在物理層為用戶提供保護(hù)和信息保密機(jī)制。鑒權(quán)基于“請求一響應(yīng)”運(yùn)算法則。鑒權(quán)
是藍(lán)牙系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它允許用戶為個(gè)人的藍(lán)牙設(shè)備建立一個(gè)信任域，比如只允許主人自己的
筆記本電腦通過主人自己的移動(dòng)電話通信。加密被用來保護(hù)連接中的個(gè)人信息。密鑰由程序的高層
來管理。網(wǎng)絡(luò)傳送協(xié)議和應(yīng)用程度可以為用戶提供一個(gè)較強(qiáng)的安全機(jī)制。

9、鏈路管理

鏈路管理（LM）軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設(shè)置、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其它一些協(xié)議。LM能夠
發(fā)現(xiàn)其它遠(yuǎn)端LM遠(yuǎn)端并通過LMP（鏈路管理協(xié)議）與之通信。LM模塊提供的服務(wù)包括：

①發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

②請求名稱。LM能夠有效地查詢和報(bào)告名稱或長度最大可達(dá)16位的設(shè)備ID。

③鏈路地址查詢。

④建立連接。

⑤鑒權(quán)。

⑥鏈路模式協(xié)商和建立，比如數(shù)據(jù)模式或者話音/數(shù)據(jù)模式。在連接建立過程中模式是可以變更
的。

⑦決定幀的類型。

⑧將設(shè)備設(shè)為sniff模式。工作在sniff模式的設(shè)備只接收M時(shí)隙的數(shù)據(jù)。M時(shí)隙的位置是LM協(xié)商決
定的。Master只能有規(guī)律地在特定的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。

⑨將設(shè)備設(shè)為hold模式。工作在hold模式的設(shè)備為了節(jié)能，在一個(gè)較長的周期內(nèi)停止接收數(shù)據(jù)，
平均每4s激活一次鏈路，這由LM定義，LC（鏈路控制器）具體操作。

⑩當(dāng)設(shè)備不需傳送或接收數(shù)據(jù)但仍需保持同步時(shí)將設(shè)備設(shè)為暫停模式。處于暫停模式的設(shè)備周期性
地激活并跟蹤同步，并檢查page消息。

10、軟件結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙設(shè)備需要支持一些基本互操作特性要求。對(duì)某些設(shè)備，這種要求涉及到無線模塊、空中協(xié)議以
及應(yīng)用層協(xié)議和對(duì)象資格式。但對(duì)另外一些設(shè)備，比如耳機(jī)這種要求就簡單得多。藍(lán)牙設(shè)備必須能
夠彼此識(shí)別并裝載與之相應(yīng)的軟件以支持設(shè)備更高層次的性能。藍(lán)牙對(duì)不同級(jí)別的設(shè)備（如PC、手
持機(jī)、移動(dòng)電話、耳機(jī)等）有不同的要求，例如，無法期望一個(gè)藍(lán)牙耳機(jī)提供地址簿，但是移動(dòng)電
話、手持機(jī)、筆記本電腦就需要有更多的功能特性。

軟件結(jié)構(gòu)需要具有的功能包括：設(shè)置及故障診斷工具、能自動(dòng)識(shí)別其它設(shè)備、取代電纜連接、與外
設(shè)通信、音頻通信與呼叫控制、商用卡的交易與號(hào)簿網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。

藍(lán)牙的軟件（協(xié)議）單元是一個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)，不與任何操作系統(tǒng)捆綁。適用于幾種不同商用操
作系統(tǒng)的藍(lán)牙規(guī)范正在完善中。

三、藍(lán)牙技術(shù)前景

近年來移動(dòng)通信發(fā)展迅速，便攜式計(jì)算機(jī)如膝上型電腦（Laptop）、筆記本電腦（Notebook）、
手持式電腦（HPC）以及個(gè)人數(shù)字輔助器（PDA）等也迅速發(fā)展，還有因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，使人們
對(duì)電話通信以外的各種數(shù)據(jù)信息傳遞的需求日益增長。

藍(lán)牙技術(shù)把各種便攜式電腦與蜂窩移動(dòng)電話用無線電線鏈路連接起來，使計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)更加密
切的結(jié)合起來，使人們能隨時(shí)隨地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸。因此計(jì)算機(jī)行業(yè)、移動(dòng)通信行業(yè)都
對(duì)藍(lán)牙技術(shù)非常重視，認(rèn)為藍(lán)牙技術(shù)將對(duì)未來的無線移動(dòng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用。


預(yù)計(jì)在最近幾年內(nèi)，藍(lán)牙技術(shù)、藍(lán)牙芯片、藍(lán)牙產(chǎn)品都將獲得重大進(jìn)展。

王勝友（現(xiàn)代通信）