藍(lán)牙技術(shù)及其系統(tǒng)原理

藍(lán)牙技術(shù)及其系統(tǒng)原理

“藍(lán)芽”（Bluetooth）技術(shù)是由世界著名的5家大公司――愛(ài)立信（Ericsson）、諾基亞 (Nokia)、東芝(Toshiba)、國(guó)際商用機(jī)器公司(IBM)、英特爾(Intel)，于1998年5月聯(lián)合宣布的一種無(wú)線通信新技術(shù)。它是針對(duì)目前相距很近的便攜式設(shè)備之間的鏈接主要是用紅外線鏈路 (infrared lind,簡(jiǎn)稱IrDA)進(jìn)行而提出的。應(yīng)用紅外線收發(fā)器鏈接雖然能免去電線或電纜的連接，但是使用起來(lái)有許多不便，不僅距離只限于1~2m，而且必須在視線上直接對(duì)準(zhǔn)，中間不能有任何阻擋，同時(shí)只限于在兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行鏈接，不能同時(shí)鏈接更多的設(shè)備。另一方面，人們對(duì)無(wú)線電通信技術(shù)很熟悉，無(wú)線電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信以至宇宙太空的通信。但人們也許沒(méi)有注意到，在同一間屋內(nèi)或在相距咫尺的地方，無(wú)線電也能發(fā)揮巨大的作用?！八{(lán)芽”技術(shù)的目的是使特定的移動(dòng)電話、便攜式電腦以及各種便攜式通信設(shè)備的主機(jī)之間在近距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的資源共享。
1. 藍(lán)芽技術(shù)
“藍(lán)芽”（Bluetooth）原為歐洲中世紀(jì)的丹麥國(guó)王Harald II的名字，他為統(tǒng)一四分五裂的瑞典、芬蘭、丹麥有著不朽的功勞。瑞典的Ericsson公司為這種即將成為全球通用的無(wú)線技術(shù)命此名，也許大有一統(tǒng)天下的含義。
藍(lán)芽技術(shù)是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無(wú)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(wú)線電技術(shù)。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是要建立通用的無(wú)線電空中接口（radio air interface）及其控制軟件的公開(kāi)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)的便攜式設(shè)備在沒(méi)有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)具有互用、相互操作的性能（interoperability）。其程序?qū)懺谝粋€(gè)9mm×9mm的微芯片中。
“藍(lán)芽”技術(shù)的作用是簡(jiǎn)化小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如移動(dòng)PC、掌上電腦、手機(jī)）之間以及這些設(shè)備與Internet之間的通信，免除在無(wú)繩電話或移動(dòng)電話、調(diào)制解調(diào)器、頭套式送/受話器、PDAs、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、幻燈機(jī)、局域網(wǎng)等之間加裝電線、電纜和連接器。而且，這種技術(shù)可以延伸到那些完全不同的新設(shè)備和新應(yīng)用中去。例如，如果把藍(lán)芽技術(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通過(guò)無(wú)線使其建立通信。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它的數(shù)字設(shè)備都可以成為藍(lán)芽系統(tǒng)的一部分。除此之外，藍(lán)芽無(wú)線技術(shù)還為已存在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)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)芽”技術(shù)的無(wú)線電收發(fā)器的連接距離可達(dá)30英尺，不限制在直線范圍內(nèi)，甚至設(shè)備不在同一間房?jī)?nèi)也能相互鏈接；并且可以鏈接多個(gè)設(shè)備，最多可達(dá)7個(gè)，這就可以把用戶身邊的設(shè)備都鏈接起來(lái)，形成一個(gè)“個(gè)人區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)”（Personal area network）。
2. 藍(lán)芽系統(tǒng)
在了解藍(lán)芽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之前，先熟悉藍(lán)芽系統(tǒng)幾個(gè)常用的專有名詞。
Piconet：通過(guò)藍(lán)芽技術(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，其它單元被定義為slave。
Master unit：其它單元，即在一個(gè)piconet中，其時(shí)鐘和跳頻順序被用來(lái)同步其它單元的設(shè)備。
Slave units：從單元，即piconet中不是master的所有設(shè)備。
Scatternet：幾個(gè)獨(dú)立且不同步的piconet組成一個(gè)scatternet。
Mac address：用來(lái)區(qū)分piconet中各單元的長(zhǎng)度為3比特的地址。
Parked units：暫停單元，即piconet中與網(wǎng)絡(luò)保持同步但沒(méi)有Mac address的設(shè)備。
Sniff and hold mode：呼吸與保持模式，與網(wǎng)絡(luò)同步但進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能源的一種工作模式。
藍(lán)芽系統(tǒng)一般由以下4個(gè)功能單元組成：天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍(lán)芽軟件（協(xié)議）單元。
2.1天線單元
藍(lán)芽要求其天線部分體積十分小巧、重量輕，因此，藍(lán)芽天線屬于微帶天線。藍(lán)芽空中接口是建立在天線電平為0dBm的基礎(chǔ)上的?？罩薪涌谧裱璅ederal Communications Commission(簡(jiǎn)稱FCC，即美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì))有關(guān)電平為0dBm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(lái)增加一些補(bǔ)充業(yè)務(wù)。頻譜擴(kuò)展功能是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。出于某些本地規(guī)定的考慮，日本、法國(guó)和西班牙都縮減了帶寬。最大的跳頻速率為1660跳/s。理想的連接范圍為100mm~10m。但是通過(guò)增大發(fā)送電平可以將距離延長(zhǎng)至100m。
藍(lán)芽工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段。藍(lán)芽的數(shù)據(jù)速率為1Mb/s。 ISM頻帶是對(duì)所有無(wú)線電系統(tǒng)都開(kāi)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(cè)的干擾源。例如某些家電、無(wú)繩電話、汽車房開(kāi)門器、微波爐等等，都可能是干擾。為此，藍(lán)芽特別設(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(wú)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)律進(jìn)行通信的，而其它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(guò)擴(kuò)展頻譜技術(shù)使這個(gè)窄帶成百倍地?cái)U(kuò)展成寬頻帶，使干擾可能造成的影響變得很小。時(shí)分雙工（Time Division Duplex，簡(jiǎn)稱TDD）方案被用來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。
與其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍(lán)芽跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍(lán)芽比其它系統(tǒng)都更穩(wěn)定。FEC（Forward Error Correction,前向糾錯(cuò)）的使用抑制了長(zhǎng)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(lái)抵制干擾和防止衰落。
2.2鏈路控制（固件）單元
在目前藍(lán)芽產(chǎn)品中，人們使用了3個(gè)IC分別作為聯(lián)接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器，此外還使用了30~50個(gè)單獨(dú)調(diào)諧元件。
基帶鏈路控制器負(fù)責(zé)處理基帶協(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議。
基帶控制器有3種糾錯(cuò)方案：1/3比例前向糾錯(cuò)（FEC）碼；2/3比例前向糾錯(cuò)碼；數(shù)據(jù)的自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)方案。
采用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(wú)差錯(cuò)傳輸，F(xiàn)EC就必然要生成一些不必要的開(kāi)銷比特而降低數(shù)據(jù)的傳送效率。這是因?yàn)閿?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。
在無(wú)編號(hào)的ARQ方案中，在一個(gè)時(shí)隙中傳送的數(shù)據(jù)必須在下一個(gè)時(shí)隙得到收到的確認(rèn)。只有數(shù)據(jù)在收端通過(guò)了報(bào)頭錯(cuò)誤檢測(cè)和循環(huán)冗余檢測(cè)后認(rèn)為無(wú)錯(cuò)才向發(fā)端發(fā)回確認(rèn)消息，否則返回一個(gè)錯(cuò)誤消息。比如藍(lán)芽的話音信道采用Continuous Variable Slope Delta Modulation(簡(jiǎn)稱 CVSD，即連續(xù)可變斜率增量調(diào)制技術(shù))語(yǔ)音編碼方案，獲得高質(zhì)量傳輸?shù)?a target="_blank">音頻編碼。CVSD編碼擅長(zhǎng)處理丟失和被損壞的語(yǔ)音采樣，即使比特錯(cuò)誤率達(dá)到4%，CVSD編碼的語(yǔ)音還是可聽(tīng)的。
而Cambridge Consultants的分公司Cambridge Silicon Radio就提出了他們的看法。這個(gè)公司的入門產(chǎn)品是一個(gè)單芯片傳輸器和聯(lián)接控制器。公司稱之為BlueCore和BlueStack。這是一個(gè)完整的藍(lán)芽，不需要外部的SAW濾波器、陶瓷電容或感應(yīng)器，產(chǎn)品集成度非常高，使用了 0.18μm或0.15μm技術(shù)，能夠在幾乎不增加成本的情況下把基帶電路加到芯片中。
2.3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(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并通過(guò)LMP（鏈路管理協(xié)議）與之通信。LM模塊提供如下服務(wù)：
（1）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
（2）請(qǐng)求名稱。
（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。
（7）決定幀的類型。
（8）將設(shè)備設(shè)為sniff模式。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(zhǎng)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)備不需要傳送或接收數(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，同時(shí)檢查page消息。
（11）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(待命)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(tīng)”信息。每當(dāng)一個(gè)設(shè)備被激活，它就監(jiān)聽(tīng)規(guī)劃給該單元的32個(gè)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)字適用于除日本、法國(guó)和西班牙之外的大多數(shù)國(guó)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(guò)尋呼（page）消息建立連接，如果地址未知，則通過(guò)一個(gè)后接page消息的inquiry(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(méi)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(lái)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）。Inquiry消息主要用來(lái)尋找藍(lán)芽設(shè)備，如共享打印機(jī)、傳真機(jī)和其它一些地址未知的類似設(shè)備。Inquiry消息和page消息很想像，但是inquiry消息需要一個(gè)額外的數(shù)據(jù)串周期來(lái)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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)芽還支持節(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(kāi)始。Hold模式一般被用于連接好幾個(gè)piconet的情況下或者耗能低的設(shè)備，如溫度傳感器。除 hold模式外，藍(lán)芽還支持另外兩種節(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(tīng)”消息的速率，“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(méi)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(tīng)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)能效率以升序排一下隊(duì)，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式。
（12）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)芽基帶技術(shù)支持兩種連接類型：同步定向連接（Synchronous Connection Oriented，簡(jiǎn)稱 SCO）類型，主要用于傳送語(yǔ)音；異步無(wú)連接（Asynchronous Connectionless,簡(jiǎn)稱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)還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4個(gè)控制分組，這一點(diǎn)對(duì) SCO和ACL來(lái)說(shuō)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?jǐn)?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只有被選中時(shí)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。
（13）鑒權(quán)和保密。藍(lán)芽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(qǐng)求一響應(yīng)”運(yùn)算法則。鑒權(quán)是藍(lán)芽系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它允許用戶為個(gè)人的藍(lán)芽設(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(guò)主人自己的移動(dòng)電話通信。加密被用來(lái)保護(hù)連接的個(gè)人信息。密鑰由程序的高層來(lái)管理。網(wǎng)絡(luò)傳送協(xié)議和應(yīng)用程序可以為用戶提供一個(gè)較強(qiáng)的安全機(jī)制。
3.4軟件（協(xié)議）單元
Bluetooth 基帶協(xié)議結(jié)合電路開(kāi)關(guān)和分組交換機(jī)，適用于語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)聲道支持 64kb/s同步鏈接。而異步信道支持任一方向上高達(dá)721 kb/s和回程方向57.6kb/s的非對(duì)稱鏈接，也可以支持43.2 kb/s的對(duì)稱鏈接。因此，它可以足夠快地應(yīng)付蜂窩系統(tǒng)上的非常大的數(shù)據(jù)比率。一般地說(shuō)，他的鏈接范圍為100mm~10m；如果增加傳輸功率的話，其鏈接范圍可以擴(kuò)展到100m。 Bluetooth軟件構(gòu)架規(guī)范要求與Bluetooth相順從的設(shè)備支持基本水平的互操作性。這種順從水平由不同的應(yīng)用來(lái)決定。
藍(lán)芽設(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(wú)線模塊、空中協(xié)議及應(yīng)用層協(xié)議和對(duì)象交換格式。Bluetooth1.0標(biāo)準(zhǔn)由兩個(gè)文件組成：一個(gè)叫Foundation Core , 它規(guī)定的是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；另一個(gè)是Foundation Profile，它規(guī)定的是相互操作性準(zhǔn)則。但對(duì)另外一些設(shè)備，比如耳機(jī)，這種要求就簡(jiǎn)單得多。藍(lán)芽設(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)芽對(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，你無(wú)法期望一個(gè)藍(lán)芽耳機(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特性。軟件（協(xié)議）結(jié)構(gòu)需有如下功能：設(shè)置及故障診斷工具；能自動(dòng)識(shí)別其他設(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。
藍(lán)芽的軟件（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)芽規(guī)范正在完善中。
近年來(lái)，移動(dòng)通信發(fā)展迅速，便攜式計(jì)算機(jī)如掌上電腦（LAPTOP）、筆記本電腦（NOTEBOOK）手持式電腦（HPC）以及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(zhǎng)。
藍(lán)芽技術(shù)把各種便攜式電腦與蜂窩電話用無(wú)線電連接起來(lái)，使計(jì)算機(jī)與通信更加密切結(jié)合起來(lái)，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)芽技術(shù)很重視，認(rèn)為將對(duì)未來(lái)的無(wú)線移動(dòng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)有巨大的促進(jìn)作用，預(yù)計(jì)在最近幾年內(nèi)無(wú)線數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)將迅速增長(zhǎng)。藍(lán)芽技術(shù)被認(rèn)為是無(wú)線數(shù)據(jù)通信最為重大的進(jìn)展之一。