藍牙技術調研報告

1、CENTRAL SOUTH UNIVERSITY課外研學調研報告題 目關于無線藍牙技術的調研學生姓名指導教師鄧曉衡學 院信息科學與工程學院專業(yè)班級20120113完成時間摘要如今的信息時代，“無線”這個名詞已經深入到生活和工作的各 個領域，越來越多的產品都用上了無線，其中的典型就是無線網(wǎng)絡和 無線通信。目前，作為新興無線通信技術的無線個域網(wǎng)絡(WPAN)與無 線局域網(wǎng)絡(WLAN)正在迅速發(fā)展。而作為WPAN主導技術的藍牙目的是 取代有線連接，能夠支持10 m范圍內的700 kb/s數(shù)據(jù)或語音傳輸。藍 牙作為一種無線電的典型，在各類產品中應用范圍廣泛，現(xiàn)已涉及到 辦公自動化、家庭娛樂、電子商務

2、、工業(yè)控制、智能化建筑等方面， 而且應用前景良好、發(fā)展勢頭強勁。藍牙無線技術能夠提供比有線連 接更加自由的連接方式，被稱為個人通信技術領域的一次革命。為了 更好了解我們生活中的領先技術，改善我們的生活，跟上時代的腳步, 此次調研至關重要。本文將從藍牙的形成背景、發(fā)展歷程及現(xiàn)狀、基 本原理和特點、關鍵技術及應用、存在的關鍵問題及發(fā)展趨勢等方面 對無線藍牙技術進行粗略的介紹。關鍵詞：無線通信藍牙技術無線個域網(wǎng) 藍牙應用目錄前言1第一章 藍牙技術的形成背景、發(fā)展歷程及現(xiàn)狀1形成背景1發(fā)展歷程1藍牙技術最初由愛立信創(chuàng)制1藍牙版本及版本1藍牙版本2藍牙版本2藍牙+EDR版本2藍牙+EDR版耒2藍牙+HS

3、版本2藍牙版本3現(xiàn)狀3第二章 基本原理和特點4基本原理4蒔解決的問題4藍牙的解決方案4特點4第三章 關鍵技術及應用6關鍵技術6IEEE 802. 11 b 標準6自適應跳頻技術6應用6第四章 存在的關鍵問題及發(fā)展趨勢8存在的關鍵問題8發(fā)展趨勢9第五章結束語10參考文獻11前言近年來因特網(wǎng)(Internet)技術和移動通信技術已經成為整個通信業(yè)高速發(fā) 展的兩大支柱。以Internet為代表的數(shù)據(jù)通信的普及使得整個社會已經步入了 網(wǎng)絡社會。移動通信技術的迅猛發(fā)展也已經極大地改變了人們生活和工作方式。 人們在享受著移動電話帶來方便的同時，逐漸出現(xiàn)了移動數(shù)據(jù)通信的需求，推動 著Internet技術和移

4、動通信技術進一步緊密地集成。另外，隨著家用電子電器 的發(fā)展，無論在辦公室還是居室到處都布滿了各種各樣的電纜，而有線電纜卻有 相當多的的固有缺點(如使用不便、連線頻出故障、各種電纜之間不通用等諸多 傷腦筋的問題)。藍牙技術正是在此種情況下應運而生的。所謂藍牙技術，是一種低功率短距離的無線連接技術標準的代稱，其實實質 是要建立通用的無線空中接口及其控制軟件的公開標準八使通信和計算機進一 步結合，使不同廠家生產的便攜式設備在沒有電線或電纜相互連接情況下，能在 近距離范圍內具有互用、互操作的性能。一般來說，它的鏈接范圍為1 OcnflOm； 如果增加傳輸功率的話，其鏈接范圍可以擴展到100mo藍牙技術

5、以無線局域網(wǎng)的標準技術為基礎，工作在ISM頻段，在世界范圍 內都可以自由使用。藍牙技術規(guī)范中采用了一種Plonk and play的概念，其作 用是讓用戶只要在能建立連接的情況下都可以使用，而且是即時的。另外，藍牙 技術在關于安全性研究方面采用了獨特的跳頻技術，每隔一段時間就從一個頻率 跳到另一個頻率，這樣既能保障安全，又能減小干擾。本文主要從藍牙的形成背景、發(fā)展歷程及現(xiàn)狀、基本原理和特點、關鍵技術及應 用、存在的關鍵問題及發(fā)展趨勢等方面對無線藍牙技術進行粗略的介紹，并提出 一些個人的問題。第一章藍牙技術的形成背景、發(fā)展歷程及現(xiàn)狀形成背景1998年5月，愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾公司

6、等五家著名廠商， 在聯(lián)合開展短程無線通信技術的標準化活動時提出了藍牙技術，其宗旨是提供一 種短距離、低成本的無線傳輸應用技術。這五家廠商還成立了藍牙特別興趣組， 以使藍牙技術能夠成為未來的無線通信標準。芯片霸主Intel公司負責半導體芯 片和傳輸軟件的開發(fā)，愛立信負責無線射頻和移動電話軟件的開發(fā)，IBM和東芝 負責筆記本電腦接口規(guī)格的開發(fā)。1999年下半年，著名的業(yè)界巨頭微軟、摩托 羅拉、三康、朗訊與藍牙特別小組的五家公司共同發(fā)起成立了藍牙技術推廣組織, 從而在全球范圍內掀起了一股藍牙”熱潮。全球業(yè)界即將開發(fā)一大批藍牙技術 的應用產品，使藍牙技術呈現(xiàn)出極其廣闊的市場前景，并預示著21世紀初將迎

7、 來波瀾壯闊的全球無線通信浪潮。關于藍牙這個名字的由來還有一個小故事。“?！八{牙”這名稱來自10世紀 的丹麥國王哈拉爾德(Harald Gormsson)的外號岀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”。發(fā)展歷程藍牙技術最初由愛立信創(chuàng)制1999年5月20日，索尼愛立信、IB英特爾、諾基亞及東芝等業(yè)界龍頭創(chuàng)立 藍牙特別興趣組，制訂藍牙技術標準。藍牙

8、版本及版本早期的和版本存在很多問題，不同廠商的產品也互不兼容。同時，在兩 個裝置“握手”的過程中，藍牙硬件的位址會被傳送出去，在協(xié)定的層面上 不能做到匿名，有泄漏資料的危險。藍牙的標準是IEEE ,藍牙協(xié)議工作在 無需許可的ISM頻段。最高速度可達kb/s。為了避免干擾可能使用的其它協(xié) 議，藍牙協(xié)議將該頻段劃分成79條渠道，并且最多每秒可更換渠道1600次。藍牙版本2000年11月，SIG通過了藍牙版本，這是一個成功的操作藍牙版本， 更正了先前版本中出現(xiàn)的問題。此版本中涉及的改變有以下幾個方面：在無 線電方面，版本升級了對無線電波的選擇范圍；在IA方面，其改變主要包 括主從關系分類和關鍵字互換

9、鏈接備用，這解決了由CVSD編碼器中混亂字 符產生的互通性問題；在鏈接管理方面，鏈接管理部分在所有內容中修改最 多，共有25處修改，這些修改包括對其他設備附屬傳送及相互電文鑒別的 阻止路徑。藍牙版本藍牙版本的發(fā)表，被SIG視為能夠讓藍牙產品更易于使用的具有里程碑 意義的技術，其相較于版本而言，主要加入了 4項新增功能：1)自適應跳 頻；2)加入延伸同步連接導向信道技術；3)FasterConnection,加入FirstFHS 與Interlacedscan技術；4)向后兼容，確保其能兼容版本藍牙+EDR版本該版本是藍牙版本的改良版，主要有五大改進：3倍于藍牙版本的數(shù)據(jù) 傳輸速率；通過減少工作

10、負載循環(huán)達到較低電力消耗；增加帶寬簡化了多連 接模式；向后兼容早期藍牙設備；降低了比特誤差率BE.藍牙+EDR版本該版本是針對藍牙版本提出的改良版的技術標準。主要修改包括2個方 面：改善裝置配對流程；具有更佳的省電效果藍牙+HS版本2009年4月藍版本標準正式發(fā)布，其名稱為+HS。使用了 AMP (genericalternaterrLAC/PHY)技術，其速度可以比得 上Wi-Fi無線網(wǎng)絡，同時透過與通訊協(xié)議的整合，安裝有藍牙模塊的終端不 僅可以被用在手持裝置間傳輸一些小檔案，而且連接DV、HDTV、PC 多媒 體隨身播放器、UPHC打印機等不同的組合，都是+HS有可能被應用的范圍。藍牙版本

11、2010年4月20日，SIG表示，藍牙技術規(guī)范已經基本成型，藍牙包括 三個子規(guī)范，即傳統(tǒng)藍牙技術、高速藍牙和新的藍牙低功耗技術。藍牙的 改進之處主要體現(xiàn)在三個方面，電池續(xù)航時間、節(jié)能和設備種類上?，F(xiàn)狀目前，藍牙技術已獲得了全球認可，世界各地的藍牙設備都可以與其鄰 近的藍牙設備連接。藍牙電子設備可以通過短距離的即時網(wǎng)絡(稱為微微網(wǎng)) 進行無線連接和通信。每個設備最多可以在微微網(wǎng)中同時與七個其它設備進 行通信。每個設備還可以同時屬于多個微微網(wǎng)。當藍牙設備進入然后離開無 線電鄰近區(qū)域時，微微網(wǎng)可在此期間自動動態(tài)建立?，F(xiàn)在，藍牙有超過1 0 億的無線用戶，其中包括5億多使用無線互聯(lián)網(wǎng)訪問服務的用戶。第

12、三代移 動通信技術將為藍牙互聯(lián)提供更大的市場，藍牙互聯(lián)技術允許手機、便攜設 備、筆記本電腦和第三方的接入設備互相連接在一起。表1藍牙技術的基本指標情況主要技術指 標基本情況核心規(guī)格版 本版本+增強數(shù)據(jù)率(EDR), 2004年11月正式采用。版本+HS, 2009年4月正式發(fā)布。ISO協(xié)議層Bluetooth無線規(guī)格為產品開發(fā)商提供了鏈路層和應用層 定義，可以支持數(shù)據(jù)和語音應用。頻譜運行于至波段，使用擴頻跳頻全雙工信號，額定速率為1600 跳/秒。ISM波段在大多數(shù)國家都可用，且不需申請許可證。傳輸范圍1類無線 電主要用于工業(yè)應用案例-擁有100米或300英 尺的作用范圍2類無線 電通常用于移

13、動設備-擁有10米或30英尺的作 用范圍3類無線 電最大范圍可達1米或3英尺功率最常用的2類無線電使用的功率。數(shù)據(jù)率版本+ EDR支持3 Mbps；版本+HS可支持24 Mbps第二章基本原理和特點基本原理藍牙解決的問題如果任意兩個設備需要相互對話”，則在開始對話”之前，它們需要在 很多方面達成“協(xié)議”。首先是物理層：它們是通過線纜，還是通過某種形式的 無線信號進行對話”如果使用線纜，那么需要多少條，1條、2條、8條，還 是25條確定好物理特性后，還會出現(xiàn)以下問題：（1）一次要發(fā)送多少數(shù)據(jù)例如，串行端口一次可發(fā)送1比特的數(shù)據(jù)，而并行端口 一次可發(fā)送若干比特的數(shù)據(jù)。（2）它們將如何進行“對話”參

14、與電子“討論”的各方需要知道比特數(shù)據(jù)的含 義，以及接收到的信息與發(fā)送的信息是否相同。這意味著需要開發(fā)一組命令 和響應，稱為“協(xié)議”。藍牙的解決方案藍牙主要應用于以下兩個層上：它促成物理層達成協(xié)議，藍牙屬于無線電頻率標準。它不需要用戶干預，且 始終保持極低的傳輸功率。它促成協(xié)議層達成協(xié)議，產品必須就何時發(fā)送比特、一次發(fā)送多少比特，以 及如何讓對話各方確信接收信息與發(fā)送信息相同達成協(xié)議。特點1. 適用設備多藍牙技術最大的優(yōu)點是使眾多電信和計算機設備無須電纜就能聯(lián)網(wǎng)。例如， 如果把藍牙技術引入到移動電話和膝上型電腦中，就可以去掉連接電纜而通過無 線使其建立通信。打印機、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵

15、盤、游戲操縱桿以及 所有其他的數(shù)字設備都可以成為藍牙系統(tǒng)的一部分。2. 工作頻段全球通用藍牙技術以無線局域網(wǎng)的標準技術為基礎，工作在ISM頻段，該頻段用戶 不必經過允許，在世界范圍內都可以自由使用，這就消除了國界的障礙。3. 使用方便藍牙技術規(guī)范中采用了 一種Plonk and play的概念，它有點類似即插即用。 這樣，用戶不必再需要學習如何安裝和設置，凡是潛入藍牙技術的設備一旦搜尋 到另一個藍牙設備，馬上就可以建立聯(lián)系，利用相關的控制軟件，無需用戶干預 即可傳輸數(shù)據(jù)。4. 安全加密、抗干擾能力強為了避免干擾，藍牙技術特別設計了快速確認和跳頻方案，每隔一段時間就 從一個頻率跳到另一個頻率，不

16、斷搜尋干擾比較小的信道。5. 多路多方向鏈接藍牙無線收發(fā)器的鏈接距離可達10m,不限制在直線范圍內，甚至設備不在 同一間房內也可以相互連接，并且可以連接多個設備，最多可 達7個，這就 可以把用戶身邊的設備都連接起來，形成一個個人領域的網(wǎng)絡。第三章關鍵技術及應用關鍵技術IEEE 802. 11 b 標準它工作在GHz ,直接序列擴頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mb/s ,無須 直線傳播支持的范圍在室外為300 m ,在辦公環(huán)境中最長為100 m.使用 與以太網(wǎng)類似的連接協(xié)議和數(shù)據(jù)包確認，來提供可靠的數(shù)據(jù)傳送和網(wǎng)絡帶寬 的有效使用。自適應跳頻技術自適應跳頻技術是建立在自動信道質量分析基礎上的一種頻率

17、自適應和功 率自適應控制相結合的技術。他能使跳頻通信過程自動避開被干擾的跳頻頻點， 并以最小的發(fā)射功率、最低的被截獲概率，達到在無干擾的跳頻信道上長時間保 持優(yōu)質通信的目的。所謂頻率自適應控制是在跳頻通信過程中，拒絕使用那些曾 經用過但是傳輸不成功的跳頻頻率集中的頻點，即實時去除跳頻頻率集中被干擾 的頻點，使跳頻通信在無干擾的可使用的頻點上進行，從而大大提高跳頻通信中 接收信號的質量。糾錯技術在藍牙技術中使用了三種糾錯方案:1/3比例前向糾錯碼（1/3FEC）、2/3 比例前向糾錯碼（2/3FEC）和用于數(shù)據(jù)的自動請求重發(fā)（ARQ）方式。1/3比例 前向糾錯碼是一種較簡單的糾錯碼方式，屬于重復

18、碼，實現(xiàn)時對每位信息重復三 次。2/3比例前向糾錯碼是一種（15, 10）精簡的漢明碼表示方法，用于部分分 組。使用ARQ方式，在一個時隙中傳送的數(shù)據(jù)必須在下一個時隙得到確認（或超時） 信息。只有數(shù)據(jù)在接收端通過了報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余檢測，被認為無錯后， 才向發(fā)送端反回確認信息；否則，返回一個錯誤信息。微微網(wǎng)藍牙支持點對點和點對多點的通信，其最基本的網(wǎng)絡組成是微微網(wǎng)。微微網(wǎng) 是通過藍牙技術連接起來的一種微型網(wǎng)絡，由一個主設備（Master）和若干個從 設備（Slave）組成，且從設備最多為7臺。主設備負責通信協(xié)議的動作，而從 設備則受控于主設備。一個微微網(wǎng)可以是2臺相連的設備，也可以是8臺連

19、在一起的設備，所有設備單元均釆用同一跳頻序列。主從設備的拓撲結構如圖1所示(a)點對點(b)點對筆點圖1微微網(wǎng)中主從設備的拓扌卜結構圖藍牙給每個微微網(wǎng)都提供了特定的跳轉模式，因此，它允許大量的微微網(wǎng)同 時存在。同一區(qū)域內，多個微微網(wǎng)互聯(lián)形成了分散網(wǎng)。不同的微微網(wǎng)信道有不同 的主單元，因而存在不同的跳轉模式。安全性藍牙技術的無線傳輸特性使它非常容易受到攻擊，因此，安全機制在藍牙技 術中顯得尤為重要。雖然藍牙系統(tǒng)所采用的跳頻技術已經提供了一定的安全保 障，但藍牙技術仍然需要在應用層和鏈路層上提供安全措施。該措施將用于對等 環(huán)境，即藍牙系統(tǒng)每個單元中設備的匹配和加密規(guī)則都將以同樣的方法實現(xiàn)。在 鏈路

20、層，藍牙的使用四個參數(shù)來保證系統(tǒng)的安全性：每個用戶唯一的48位地址、 用戶的128位驗證密鑰、用戶的8128位加密密鑰、設備產生的一個128位隨 機數(shù)RANDo藍牙的低層安全是通過基帶和鏈路管理中的鑒權、匹配和加密完成的。鑒權基于“競爭-應答”算法，是藍牙系統(tǒng)中的關鍵部分，它允許用戶為個 人的藍牙設備建立一個信任域。校驗器發(fā)送一個LMP-au-rand PDU分組給請求者, 該PDU (協(xié)議數(shù)據(jù)單元)分組含有一個隨機數(shù)。請求者根據(jù)獲取的分組計算出應 答值，然后將應發(fā)回給校驗器，驗證應答值是否正確。當兩臺設備無共用鏈接字時，則基于個人識別碼PIN和隨機數(shù)創(chuàng)建初始化字 Kinit,這一過程為匹配。

21、Kinit字在校驗器向請求者發(fā)岀LMP-in-rand時創(chuàng)建, 然后進行鑒權，共計算過程基于Kinit字，而不是鏈接字。通過鑒權后，鏈接字 即被創(chuàng)建。加密被用來保護連接中的個人信息，密鑰由程序的高層來管理。網(wǎng)絡傳送協(xié) 議和應用程序，可以為用戶提供一個較強的安全機制，需要注意的是，加密字節(jié) 全不同于鑒權字。鑒權字具有靜態(tài)性，而一旦建立加密字，就由運行在藍牙設備 上的具體應用，來決定什么時候和是否需要修改加密字。應用1. 居家現(xiàn)代家庭與以往的家庭有許多不同之處。在現(xiàn)代技術的幫助下，越來越多的 人開始了居家辦公，生活更加隨意而高效。通過使用藍牙技術產品，人們可以免 除居家辦公電纜纏繞的苦惱。鼠標、鍵

22、盤、打印機、膝上型計算機、耳機和揚聲 器等均可以在PC環(huán)境中無線使用，這不但增加了辦公區(qū)域的美感，還為室內裝 飾提供了更多創(chuàng)意和自由。2. 工作過去的辦公室因各種電線糾纏不清而非?；靵y，現(xiàn)在，通過無線藍牙技術, 辦公室里再也看不到凌亂的電線，整個辦公室也像一臺機器一樣有條不紊地髙 效運作。PDA可與計算機同步以共享日歷和聯(lián)系人列表，外圍設備可直接與計 算機通信，員工可通過藍牙耳機在整個辦公室內行走時接聽電話，所有這些都 無需電線連接。啟用藍牙的設備還能夠創(chuàng)建自己的即時網(wǎng)絡，讓用戶能夠共享 演示稿或其它文件，不受兼容性或電子郵件訪問的限制。Bluetooth設備能方 便地召開小組會議，通過無線網(wǎng)

23、絡與其它辦公室進行對話，并將干擦白板上的 構思傳送到計算機。3. 生活目前藍牙技術在日常生活中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，車載免提藍牙，使駕駛更安全；使用藍牙耳機，還有一 個我們絕對不能忽視的好處：健康！4. 娛樂玩游戲.聽音樂、結交新朋、與朋友共享照片，越來越多的消費者希望能 夠方便即時地享受各種娛樂活動，而又不想再忍受電線的束縛。藍牙無線技術 是唯一一種能夠真正實現(xiàn)無線娛樂的技術。內置了藍牙技術的游戲設備，讓您 能夠在任何地方與朋友展開游戲競技一-在地下通道、在飛機場或在起居室中。 由于不需任何電線，玩家能夠輕松地發(fā)現(xiàn)對方，甚至可以匿名查找然后開始令 人愉快

24、的游戲。第四章 存在的關鍵問題及發(fā)展趨勢存在的關鍵問題盡管藍牙技術現(xiàn)在的應用還算廣泛，但其仍處于快速發(fā)展階段，面臨著 許多亟待解決的問題，有以下：1. 安全性問題藍牙設備在通信時，都需進行鑒權和加密，雖然規(guī)范中嚴格定義了安全機構， 但仍有不足。如當設備A與設備B和設備C同時通信，如果這兩條通信鏈路均釆 用A的BD ADDR作為鏈路地址，這是B有了 A的單元地址，在與A通信時可以冒 充C,在與C通信時可以冒充A,這樣就給安全帶來了問題。2. 能源消耗攻擊現(xiàn)在的藍牙技術大多數(shù)采用電池供電，為了節(jié)約能源，均采用了節(jié)能機制， 在不通信時進入休眠狀態(tài)?！澳茉聪墓簟蹦康木褪瞧茐墓?jié)能機制，如不斷的 發(fā)送

25、連接請求使設備無法進入節(jié)能狀態(tài)，達到消耗能源的目的。目前，對這種攻 擊還沒有有效的方法制止。3Wi-Fi與藍牙的干擾問題藍牙與Wi-Fi共處于的ISM頻段，如果二者在重疊頻段同時通信將會產生干 擾。為了減少干擾，現(xiàn)在有以下四個方案：1）改變頻帶分配規(guī)則和標準規(guī)范。2）禁止在一種環(huán)境下使用另一種技術。3）技術層次解決方案。4）頻帶解決方案。4. 基于大規(guī)模散射網(wǎng)的PAN現(xiàn)在的藍牙規(guī)范大多強調單個微微網(wǎng)的應用，而對多個微微網(wǎng)組成的散射 網(wǎng)缺乏討論。在大規(guī)模散射網(wǎng)的PAN中，要考慮的安全復雜性大大增加，其中 存在許多的技術挑戰(zhàn)。5. 藍牙互操作性問題藍牙未蓬勃發(fā)展，互操作性不理想是原因之一。由于藍牙技術產生不久。 版本雖有所改進，但許多不確定性問題仍然存在，廠商根據(jù)本身的要求開發(fā)設 備，造成互操作性問題。SDP和HCI的很好實現(xiàn)，是解決胡操作性問題的關鍵 之一。6 測試問題藍牙的測試仍然是藍牙技術的難點之一，測試還沒有統(tǒng)一的標準。藍牙認 證測試概念對于測試設備制造商來說是開放的，不同的制造商具有不同的測試 實驗，至今協(xié)議測試系統(tǒng)的確認還沒有定義。發(fā)展趨勢藍牙技術未來的發(fā)展主要在于實現(xiàn)更加安全、快速的出傳輸，另外，在考慮 市場方面，