藍牙的發(fā)展與藍牙技術 原創(chuàng)論文.pdf

1 藍牙的發(fā)展與藍牙技術藍牙的發(fā)展與藍牙技術 摘要 藍牙 Bluetooth 是一種實現(xiàn)多種設備之間無線連接的協(xié)議 通過這種協(xié)議能 使包括蜂窩電話 掌上電腦 筆記本電腦 相關外設和家庭 Hub 等包括家庭 RF 的眾多設備之間進行信息交換 藍牙應用于手機與計算機的相連 可節(jié)省手機費 用 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享 因特網(wǎng)接入 無線免提 同步資料 影像傳遞等 藍牙技術 主要面向網(wǎng)絡中各類數(shù)據(jù)及語音設備 如 PC 撥號網(wǎng)絡 筆記本電腦 打印機 數(shù)碼相機 移動電話和高品質(zhì)耳機等 通過無線方式將它們連成一個微微網(wǎng) Piconet 多個微微網(wǎng)之間也可以互連形成分布式網(wǎng)絡 Scatternet 從而方便 快速地實現(xiàn)各類設備之間的通信 它是實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范 是一種低成本 短距離的無線連接技術 本文將主要介紹藍牙及藍牙技術 藍牙 協(xié)議 應用及發(fā)展前景 關鍵詞 藍牙 blue tooth 藍牙協(xié)議 微微網(wǎng) 2 1 引言 1 1 藍牙的歷史 1 1 1 名字起源 藍牙 這名稱來自 10 世紀的丹麥國王哈拉爾德 Harald Gormsson 的外號 出 身海盜家庭的哈拉爾德統(tǒng)一了北歐四分五裂的國家 成為維京王國的國王 由于 他喜歡吃藍莓 牙齒常常被染成藍色 而獲得 藍牙 的綽號 當時藍莓因為顏色 怪異的緣故被認為是不適合食用的東西 因此這位愛嘗新的國王也成為創(chuàng)新與勇 于嘗試的象征 1998 年 愛立信公司希望無線通信技術能統(tǒng)一標準而取名 藍牙 1 1 2 技術的產(chǎn)生 藍牙 Bluetooth 是一種無線個人局域網(wǎng) Wireless PAN 1994 年由愛立 信提出的短距離無線通信技術 1998 年 由日本東芝 瑞典愛立信 美國 IBM 和英特爾及芬蘭諾基亞等業(yè)界龍頭創(chuàng)立專門的藍牙特別興趣組 Bluetooth Special Interest Group SIG 制訂藍牙技術標準 其后 微軟 3COM 朗訊 摩托羅拉和原有的五家公司一起 成為藍牙 SIG 的 領導成員 1 2 發(fā)行版本 1998 年時 Bluetooth推出 0 7 版 支持 Baseband 與 LMP Link Manager Protocol 通訊協(xié)定兩部份 1999 年推出 0 8 版 0 9 版 1 0 Draft 版 1 0a 版 1 0B 版 1 0 Draft 版 完 成 SDP Service Discovery Protocol 協(xié)定 TCS Telephony Control Specification 協(xié)定 同時 1 0 版公布后 開始了大規(guī)模宣傳 2001 年的 1 1 版正式列入 IEEE 標準 Bluetooth 1 1 即為 IEEE 802 15 1 2001 年 SIG 成員公司超過 2000 家 Bluetooth 2 0 將傳輸率提升至 2Mbps 3Mbps 遠大于 1 x版的 1Mbps 實際約 723 2kbps 1 3 藍牙與紅外 紅外無線接入技術是以紅外線作為通信媒質(zhì)的一種無線接入技術 其標準化 3 進程相對要早紅外無線 技術比藍牙技術更加成熟 雖然藍牙技術和紅外無線接 入技術都是短距離的無線接入技術 但是由于兩種技術采用的電磁波頻段不同 因此具有完全不同的信號傳播特性 藍牙使用 2 4GHz的 ISM 公用頻段 實現(xiàn) 全雙工通信 通信距離在 10 米以內(nèi) 配置功率放大器可使通信距離進一步增加 紅外無線接入技術的工作頻段為 3 409 3 529 105GHz 采用半雙工技術 通 信距離 1m左右 2 藍牙技術概要 藍牙技術是一種短距離無線通信技術 它基于藍牙基帶協(xié)議 采用跳頻技術 標準是 IEEE802 15 帶寬為 1Mb s 使用 2 4GHz ISM 全球通用頻段 結(jié)合了電 路交換與分組交換的特它是實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范 是一種低 成本 短距離的無線連接技術 其無線收發(fā)器是很小的一塊芯片 大約 9mm 9mm 可方便地嵌入到便攜式設備中 從而增加設備的通信選擇性 藍牙 技術實現(xiàn)了設備的無連接工作 提供了接入數(shù)據(jù)網(wǎng)的功能 并且具有外圍設備接 口 可以組成一個特定的小網(wǎng)點 能同時傳送語和數(shù)據(jù) 2 1 藍牙技術的特點包括 采用跳頻技術 抗信號衰落 采用快跳頻和短分組技術 減少同頻干擾 保證傳輸?shù)目煽啃?采用前向糾錯 FEC 編碼技術 減少遠距離傳輸時的隨機噪聲影響 使用 2 4GHz 的 ISM 頻段 無需申請許可證 采用 FM 調(diào)制方式 降低設備的復雜性 該技術的傳輸速率設計為 1MHz 以時分方式進行全雙工通信 其基帶協(xié)議 是電路交換和分組交換的組合 使用跳頻頻譜擴展技術 把頻帶分成若干個跳頻 信道 hop channel 在一次連接中 無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一 個信道 跳 到另一個信道 一個跳頻頻率發(fā)送一個同步分組 每個分組占用一 個時隙 也可擴展到 5 個時隙 藍牙技術支持一個異步數(shù)據(jù)通道 或 3 個并發(fā) 4 的同步話音通道 或一個同時傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音的通道 每一個話音通道 支持 64kbps 的同步話音 異步通道支持最大速率 721kbps 反向應答速率為 57 6kbps 的非對稱連接 或者是 432 6kbps 的對稱連接 2 2 藍牙的系統(tǒng)構(gòu)成 藍牙系統(tǒng)一般由天線單元 鏈路控制 固件 單元 鏈路管理 軟件 單元和藍牙 軟件 協(xié)議棧 單元四個功能單元組成 如圖 1 所示 圖 1 藍牙系統(tǒng)構(gòu)成 天線單元 藍牙的天線部分體積十分小巧 重量輕 屬于微帶天線 鏈路控制 硬件 單元 目前藍牙產(chǎn)品的鏈路控制硬件單元包括 3 個集成芯片 連接控制器 基帶處理器 以及射頻傳輸 接收器 此外還使用了 3 5 個單獨調(diào)諧元件 基帶鏈路控制器負 責處理基帶協(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議 鏈路管理 軟件 單元 鏈路管理 LM 軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設置 鑒權(quán) 鏈路硬件配置和其它一 些協(xié)議 LM 能夠發(fā)現(xiàn)其他遠端 LM 并通過 LMP 鏈路管理協(xié)議 與之通信 軟件 協(xié)議棧 單元 藍牙的軟件 協(xié)議棧 是一個獨立的操作系統(tǒng) 不與任何操作系統(tǒng)捆綁 它符合已 經(jīng)制定好的藍牙規(guī)范 藍牙系統(tǒng)的通信協(xié)議大部分可用軟件來實現(xiàn) 加載到中即 可進行工作 2 3 藍牙協(xié)議 藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)采用分層方式 包括藍牙專用協(xié)議和一些通用協(xié)議 專用 協(xié)議位于協(xié)議棧的底部 從底到上依次是藍牙無線層 Bluetooth Radio 基帶層 5 Baseband LMP 層 Link Manager Protocol 鏈路管理層 L2CAP 層 Logical link Control and Adaptation Protocol 邏輯鏈路控制與適應協(xié)議 SDP 層 Service Discovery Protocol業(yè)務搜尋協(xié)議 鏈路管理 LMP 負責藍牙設備之間的鏈路建立 通過連接的發(fā)起 交換 核實 進行身份鑒權(quán)和加密等安全方面的任務 通過協(xié)商確定基帶數(shù)據(jù)分組大小 它還控制無線單元的電源模式和工作周期 以及微微網(wǎng)內(nèi)藍牙組件的連接狀態(tài) 邏輯鏈路控制與適應協(xié)議 L2CAP 位于基帶協(xié)議層之上 屬于數(shù)據(jù)鏈路層 是一個為高層傳輸和應用層協(xié)議屏蔽基帶協(xié)議的適配協(xié)議 它與 LMP 是并列 的 區(qū)別在于 L2CAP 向高層提供負載的傳送 它允許高層協(xié)議和應用接收或發(fā) 送長過 64K 字節(jié)的 L2CAP 數(shù)據(jù)包 而 LMP 不能 L2CAP 向高層提供面向連 接的和無連接的數(shù)據(jù)服務 具備多協(xié)議復用功能和拆 裝適配功能 業(yè)務搜尋協(xié)議 SDP 是藍牙體系中非常關鍵的部分 它是所使用模式的基 礎 只有通過 SDP 查詢通信雙方的設備信息 業(yè)務類型及業(yè)務特征 然后才能 在藍牙設備之間建立通信連接 SDP 支持 3 種查詢方式 按業(yè)務類別搜尋 按 業(yè)務屬性搜尋和業(yè)務瀏覽 browsing 2 4 基帶層協(xié)議體系 2 4 1 跳頻 跳頻技術是物理信道內(nèi)的每個時隙上所發(fā)送的數(shù)據(jù) 不斷地從一個頻道跳到 另一個頻道 主設備與從設備會根據(jù)彼此間相同的跳頻序列 從當前頻道跳到下 一個頻道 跳頻序列決定于主設備內(nèi) 48 位的 BD ADDR 藍牙設備地址 地址 2 4 2 設備地址 藍牙設備內(nèi)有一個惟一的 48 位 BD ADDR Bluetooth Device Address 藍牙設 備地址 地址 這個地址可以說是藍牙技術的運算核心 幾乎所有負責藍牙系統(tǒng) 正常工作的控制參數(shù) 如跳頻序列 頻道訪問碼 加密密鑰都由此地址求得 2 4 3 數(shù)據(jù)傳輸類型 藍牙技術可同時發(fā)送語音和數(shù)據(jù) 因為藍牙技術支持電路交換和包交換兩種數(shù)據(jù) 傳輸方式 在藍牙技術標準中電路交換的傳輸稱為 SCO 鏈路 包交換的傳輸稱 為 ACL 鏈路 SCO 鏈路面向連接的同步傳輸 Synchronous Connection Oriented SCO 鏈 6 路屬于電路交換的同步傳輸類型 電路交換是指 當主設備與從設備一旦建立連 接后 不管有無數(shù)據(jù)發(fā)送 系統(tǒng)都會給主設備與從設備預留固定間隔的時隙 其 他從設備則不能利用此連接上的時隙來發(fā)送數(shù)據(jù) SCO 屬于點對點的對稱連接 即連接建立在一個主設備和一個從設備之間 SCO 比較適合語音的傳輸 ACL 鏈路無連接的異步傳輸 Asychronous Connection Less ACL 鏈路屬 于包交換的異步傳輸類型 包交換是將高層的數(shù)據(jù)切割成一段段包進行交換 ACL 鏈路可以占用任意時隙來傳輸數(shù)據(jù) 但它只能在 SCO 鏈路不使用的時隙上 傳輸 ACL 鏈路適合傳輸突發(fā)性的數(shù)據(jù)信息 其主設備可以同時和多個從設備 建立 ACL 鏈路 屬于點對多點的非對稱連接 2 5 藍牙網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu) 2 5 1 微微網(wǎng) Piconet 藍牙最基本的網(wǎng)絡組成是微微網(wǎng) Piconet 同一微微網(wǎng)上的單元之間共享一 條信道 其成員通過這個信道進行通信 這個信道由一個明確的跳頻序列組成 微微網(wǎng)的成員以同步的方式跟蹤跳頻序列 跳頻序列由主設備來控制 一個微微網(wǎng)必須有而且只有一個主單元 master unit 其余為從單元 slave unit 主單元控制微微網(wǎng)從建立到數(shù)據(jù)傳送到最后結(jié)束通信的整個過程 主單元 與從單元在硬件與軟件構(gòu)成上沒有任何區(qū)別 兩個藍牙設備建立連接后 形成了 微微網(wǎng)的個人區(qū)域 每個微微網(wǎng)有且只有一個主設備 同時有一個或多個從設備 它們可以互相轉(zhuǎn)換角色 不過 每個微微網(wǎng)只能有 7 個活躍的從設備 因為在 Active 狀態(tài)下 主設備分配給每個連接的從設備一個活動的成員地址 AM ADDR 主設備通過這個地址來辨別微微網(wǎng)中不同的從設備 AM ADDR 由 3bits 組成 所以在一個微微網(wǎng)中最多只能有 8 個設備 換言之 最多有 7 個 從設備處于活動態(tài) 其結(jié)構(gòu)圖如圖 2 7 圖 2 微微網(wǎng)結(jié)構(gòu) 2 5 2 微微網(wǎng)中的通信 單元在加入微微網(wǎng)之前處于待機 standby 狀態(tài) 這時單元處于低功耗模式 但每隔 1 28s 會對某一個跳頻信道進行搜索尋找消息并作出回答 每一個單元 只在 32 個信道中進行搜索 西班牙與法國是 16 個 而且搜索的順序是固定的 由單元識別碼決定 為了與某個從單元建立聯(lián)系 主單元需要知道從單元的識別 碼與系統(tǒng)時鐘信息 從中計算出從單元的跳頻順序 這樣主單元就可以按從單元 的時鐘在這些信道中發(fā)送含有從單元識別碼的尋呼信息并確認識別碼后就可以 進一步與主單元進行聯(lián)系 為了知道從單元的識別碼與時鐘信息 此單元可以發(fā) 送查詢消息 接收到這個消息的單元以它們識別碼與系統(tǒng)時鐘信息來回答 通過 這樣的查詢過程 主單元就可以知道在通信范圍內(nèi)有哪些藍牙設備 2 5 3 散射網(wǎng) 為了連接 8 個以上的活躍的設備 必須建立多個微網(wǎng) 然后連接每個微網(wǎng)的 主設備 這個聯(lián)合結(jié)構(gòu)就是散射網(wǎng) 散射網(wǎng)在空間和時間上交疊 一個微網(wǎng)中的 從設備可以是多個微網(wǎng)的從設備 也可以是另一個微網(wǎng)的主設備 這樣就使微網(wǎng) 之間通信成為可能 因為只有 79 個頻點 所以一個散射網(wǎng)最多只有 10 個微網(wǎng) 為了消除限制數(shù)量對通信的影響 也為了提高頻譜的利用效率 藍牙允許同一區(qū) 域同時存在多個微微網(wǎng) 這樣的多個微微網(wǎng)就構(gòu)成一個分布式散射網(wǎng) Scatter net 各微微網(wǎng)擁有自己的信道 微微網(wǎng)之間不做任何協(xié)調(diào) 這樣藍牙利用簡單 的網(wǎng)絡控制就達到多對多的通信 但也增加了藍牙器件之間相互干擾的可能性 2 6 藍牙的應用 8 藍牙技術產(chǎn)品與因特網(wǎng) Internet 之間的通信 使得家庭和辦公室的設備不需要電 纜也能夠?qū)崿F(xiàn)互通互聯(lián) 大大提高辦公和通信效率 因此 藍牙將成為無線通信 領域的新寵 將為廣大用戶提供極大的方便而受到青睞 目前已開發(fā)的應用包括 在手機上的應用 在掌上電腦上和其它數(shù)字設備上的應用 在傳統(tǒng)家電中的應用 等等 在以上的應用中 目前應用最廣的就是在支持藍牙的手機通話設備上 如手機藍 牙耳機 藍牙使駕駛更安全 開車時接聽電話不方便 而且會影響交通安全 容 易造成交通事故 車載免提系統(tǒng)接聽電話雖然比較方便 但容易對個人隱私的泄 露 如果使用有線耳機 耳機線四處晃蕩影響手臂的活動 耳機線屏蔽效果差經(jīng) 常受到電磁噪音干擾 配合手機使用的藍牙耳機則可以避免這些問題 使駕駛更 加安全 通過配有藍牙功能的耳塞 使手機用戶可以實現(xiàn)無線免提功能 用戶還 可以通過車載藍牙通訊設備來使用手機 不用從包中掏出手機就可以實現(xiàn)通話 3 藍牙的發(fā)展前景 Internet 和移動通信的迅速發(fā)展 使人們對電腦以外的各種數(shù)據(jù)源和網(wǎng)絡服 務的需求正在增長 藍牙作為一個全球開放性無線應用標準 通過把各種語音和 數(shù)據(jù)設備用無線鏈路連接起來 使人們能夠隨時隨地實現(xiàn)個人區(qū)域內(nèi)語音和數(shù)據(jù) 通信的交換與傳輸 隨著技術的發(fā)展和完善 藍牙必將對人們的生活和工作產(chǎn)生 重大影響 3 1 發(fā)展阻力 價格因素 產(chǎn)品推出的因素中 芯片價格是主要的問題 例如要想將藍牙芯片嵌入手機 中而將手機改造成 三合一 移動電話 藍牙芯片的價格相對與現(xiàn)在手機的制作 成本而言還是太高 而且擁有藍牙技術的手機不是光一個藍牙芯片就能實現(xiàn)的 它還需要藍牙協(xié)議和應用程序方面的投入 這無疑也要增加成本 由于芯片的制 約 藍牙產(chǎn)品的成本不能降下來 目前市場上的藍牙產(chǎn)品價格都比較昂貴 所以 對廣大用戶而言 當電纜線還沒有到確實無法忍受的時候 是很少有人愿意去花 錢買一個昂貴的藍牙設備的 兼容性問題 使用藍牙技術的產(chǎn)品 由于歷史和技術的原因 各自采用不同的 CPU 操作 9