個人化無線網(wǎng)絡(luò)的利器

鄭之光 衛(wèi)耀輝 楊紅麗（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院）

　　摘要：系統(tǒng)的介紹了藍牙技術(shù)協(xié)議及應(yīng)用模式，全面詳細的對藍牙技術(shù)的應(yīng)用，其目前存在的問題及發(fā)展前景進行了討論。



　　關(guān)鍵詞：藍牙 協(xié)議棧



　　以丹麥國王哈拉德二世（King Harald Blatand）的綽號“Blutooth”命名藍牙技術(shù)意指通過建立一種開放性的、全球統(tǒng)一的標準，一統(tǒng)近距離無線世界天下。



　　藍牙技術(shù)使得配備有藍牙功能模塊的設(shè)備方便的構(gòu)成藍牙微微網(wǎng)（Picnet）和藍牙散射網(wǎng)（Scatternet），形成個人身邊的無線區(qū)域型網(wǎng)絡(luò)，從而共享同一個電話簿、電子郵件地址簿、電子秘書記事簿和更復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并且和家居或辦公室的固定設(shè)備連接起來，利用它們更強大的數(shù)據(jù)處理功能和信息輸入／輸出功能，實現(xiàn)特定的需求。其設(shè)備之間可以自動進行聯(lián)絡(luò)和確認，從而通過相應(yīng)的控制軟件進一步建立通信連接，實現(xiàn)相互間語音和文本數(shù)據(jù)的傳輸。



　　在以藍牙技術(shù)為通信支撐的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用戶可以通過裝有藍牙模塊的設(shè)備打電話，收發(fā)電子郵件和對智能家電設(shè)備進行控制管理，藍牙手機或者便攜設(shè)備在家中可控制各種信息家電設(shè)備；在辦公室可以做為內(nèi)部的集團電話移動分機和有關(guān)設(shè)備的操作終端，方便快捷；在商場可以進行商品查詢和信用卡劃款付帳，安全可靠；在路途上可以隨時與隨身攜帶的筆記本電腦或其他信息設(shè)備連接，并可以通過交通工具內(nèi)設(shè)置的嵌入藍牙技術(shù)的局域網(wǎng)移動接入點隨時在因特網(wǎng)上瀏覽，沖浪或?qū)�家居中的信息家電網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境進行實時監(jiān)控。藍牙技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用將對人類的工作、生活和通信方式帶來巨大的變化。



一、藍牙技術(shù)標準



　　1999年12月，藍牙特殊利益集團（Bluetooth SIG）發(fā)布了藍牙協(xié)議規(guī)范1.0B，推進了藍牙技術(shù)的發(fā)展，為克服在發(fā)展和應(yīng)用過程中遇到的各類困難和爭議提供了一個解決的基礎(chǔ)。當前加盟SIG的公司已超過2400多家，其中包括諸如AMD、康柏、戴爾、惠普、德州儀器、高通以及卡西歐、飛利浦、三星、LG、精工、夏普等世界著名計算機行業(yè)、通信領(lǐng)域以及消費電子領(lǐng)域，甚至汽車與相機的制造生產(chǎn)廠家。在不久的將來，基于藍牙技術(shù)的產(chǎn)品將會形成一個新的浪潮而席卷全球。



　　藍牙協(xié)議規(guī)范是語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性通信標準，其目的是建立低成本、短距離的無線連接，利用可操作的無線模塊和數(shù)據(jù)通信協(xié)議開發(fā)交互性服務(wù)。



　　藍牙協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)分底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高層應(yīng)用三大部分。底層硬件部分包括無線跳頻（RF）、基帶（BB）和鏈路管理（LM）部分。它們分別定義了藍牙收發(fā)器在2.4GHz頻段上，以跳頻的方式傳輸信息幀和傳輸鏈路連接的建立／拆除以及鏈路的安全和控制所必須滿足的要求。中間協(xié)議層包括邏輯鏈路控制和適應(yīng)協(xié)議（L2CAP）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）、串口仿真協(xié)議RFCOMM和電話通信協(xié)議（TCS）。它們分別完成數(shù)據(jù)的拆裝、服務(wù)質(zhì)量控制、協(xié)議復(fù)用、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可用的服務(wù)及服務(wù)特性、仿真R-232串口、提供藍牙設(shè)備間話音和數(shù)據(jù)的呼叫控制信令等功能。在這兩層之間規(guī)定了一個主機控制接口層（HCI）。這是協(xié)議中軟硬件之間的接口，該層以上的協(xié)議軟件實體運行在主機上，而HCI以下的功能由藍牙設(shè)備來完成。在協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的最上部是高層應(yīng)用的框架（Profiles）。目前僅規(guī)定了撥號網(wǎng)絡(luò)、耳機、局域網(wǎng)訪問、文件傳輸?shù)瘸Ｒ?guī)應(yīng)用，將會不斷增加。各種應(yīng)用程序可以通過各自對應(yīng)的Profi1e實現(xiàn)無線通信。



　　在這個標準的支持下，藍牙系統(tǒng)支持點對點和點對多點的連接，每個藍牙系統(tǒng)可以連接200個以上藍牙裝置。藍牙系統(tǒng)的傳輸特性是在供工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域自由使用的ISM2.4GHz頻段內(nèi)用單工或全雙工的方式進行信息傳輸。每個藍牙信道的帶寬是1MHz，它支持三個同步數(shù)據(jù)信道或同時支持一個同步數(shù)據(jù)信道和一個異步數(shù)據(jù)信道。每個同步數(shù)據(jù)信道的數(shù)據(jù)傳輸率是64Kb/s，用于語音數(shù)據(jù)的傳輸，異步數(shù)據(jù)信道的傳輸率是下行721 Kb/s和上行57.6Kb/s，用于數(shù)字數(shù)據(jù)的傳輸。若設(shè)置為上下行對稱的傳輸方式，傳輸率上下行各是432.6kb/s。一般情況下的傳輸距離是10M（30FEET），最大可達100M，自動調(diào)整。希望達到的功率消耗水平是在待機狀態(tài)下的典型值為30微安，工作時最大值為30毫安，大約是移動電話的3％。



二、藍牙模塊及應(yīng)用



　　實現(xiàn)一個藍牙應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)方案要點是把一個專門設(shè)計的藍牙模塊嵌入有關(guān)應(yīng)用設(shè)備之內(nèi)，該模塊實現(xiàn)藍牙協(xié)議底層功能并且具有微型、廉價和低功耗的特點。



　　藍牙模塊包括3個主要功能塊——RF收發(fā)信機單元，基帶鏈路控制器單元，以及用于鏈路管理和主控制器接口（HCI）功能的支持單元，如圖1所示。當然還有天線這一功能部件，天線可以集成到電路板上，也可作為獨立部件。全功能的藍牙模塊融入高級軟件協(xié)議（可駐存在閃速存儲器中），負責管理功能和與其它模塊的互操作。RF收發(fā)信機規(guī)范定義藍牙系統(tǒng)的頻帶、信道排列和收發(fā)信機特性。基帶處理器規(guī)范定義包格式、物理和邏輯信道、以及支持設(shè)備間語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌�工作模式。主控制器接口（HCI）提供藍牙模塊與主設(shè)備間的公共接口。







　　藍牙模塊的應(yīng)用是廣泛的，它可以作為各種設(shè)備的適配器，為此類設(shè)備提供無線鏈路。也可以作為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于各種信息家電及智能通卡例如：（1）無線連接取代電纜：隨著通信、計算機以及信息家電的發(fā)展，各種通信設(shè)備之間的電纜連接無處不在，電纜和接口故障是有線連接的最大缺點。藍牙技術(shù)則可以使鍵盤、鼠標、打印機、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備利用無線鏈路連接而替代電纜。（2）多功能電話：可以作為蜂窩移動電話、無繩電話以及公共普通電話的電話三合一版本，實現(xiàn)各種環(huán)境下的電話自切換。（3）家庭信息網(wǎng)絡(luò)：家庭信息化是信息化發(fā)展的一種趨勢，構(gòu)成家庭信息網(wǎng)絡(luò)是未來信息社會發(fā)展的的必然趨勢。藍牙技術(shù)注重于便攜式移動計算設(shè)備、手持式通信設(shè)備以及其他信息設(shè)備的技術(shù)規(guī)范和家庭信息網(wǎng)絡(luò)的組建。（4）互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)橋及局域網(wǎng)訪問：藍牙技術(shù)可以消除人們隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)的最后10米，具有藍牙功能的筆記本電腦可以通過手機或無線Modem直接訪問Internet，多功能數(shù)據(jù)終端（DT）可經(jīng)局域網(wǎng)訪問點（LAP）無線接入局域網(wǎng)。（5）數(shù)字影像服務(wù)：可用兼容藍牙技術(shù)的數(shù)碼相機拍攝相片后，傳送給其他數(shù)碼相機以及移動電話、終端臺式機、便攜式電腦和PDA。（6）智能汽車系統(tǒng)應(yīng)用：通過車內(nèi)藍牙微微網(wǎng)實現(xiàn)免提電話、鎖車、防盜、報警等各種汽車智能需求功能。同時未來的藍牙規(guī)范還可以提供車內(nèi)音響、視頻、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。（7）移動辦公和電子商務(wù)：實現(xiàn)計算機與Internet、PSDN、ISDN、LAN/MAN／WAN及xDSL等各種設(shè)備間互聯(lián)工作，形成移動型辦公室，并可以實施電子付賬等服務(wù)。



　　如上所述，基于藍牙模塊和應(yīng)用模式的藍牙產(chǎn)品將層出不窮，各種新型的應(yīng)用也在不斷提出。隨著藍牙芯片價格的進一步降低，同時集成藍牙RF收發(fā)器、鏈路控制器和微控制器以及存儲固件程序的Flash的藍牙單芯片的出現(xiàn)，藍牙應(yīng)用將會更加廣泛。



三、藍牙技術(shù)面臨的問題和解決前景



1.2.4GHz ISM頻段使用的電磁兼容與頻率復(fù)用問題



　　潛在的藍牙用戶關(guān)心的一個問題是在未經(jīng)特許的發(fā)送器的柵內(nèi)存在著干擾或性能下降。藍牙設(shè)備會與諸如無繩電話機、無線視頻設(shè)備、IEEE 802.11局域網(wǎng)爭奪帶寬。隨著爭奪帶寬的設(shè)備數(shù)量增加，大量的兼容設(shè)備工作在同一個局部地區(qū)時，藍牙設(shè)備的性能會下降。頻率沖突和重發(fā)數(shù)據(jù)都會使有效的數(shù)據(jù)速率減慢。模擬試驗表明，在有效范圍內(nèi)即使只有6個藍牙設(shè)備，話音質(zhì)量也會下降，具體要視每個微微網(wǎng)內(nèi)的使用情況而定。因此與ISM頻段的其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作以及頻率干擾對藍牙的廣泛應(yīng)用非常重要。電氣與電子工程師學(xué)會（IEEE）業(yè)已成立了一個協(xié)調(diào)無線標準的802.15個人區(qū)域網(wǎng)工作小組，為此積極參與IEEE802.15的共存問題的研究將對解決此問題有重要作用。



2.藍牙的互操作性



　　互操作性一直是藍牙社團最難以排除的障礙之一。由于藍牙軟件結(jié)構(gòu)的局限性，帶來藍牙互操作能力與兼容性的不足，藍牙產(chǎn)品可能的組合很多，制造廠商無法預(yù)計其應(yīng)用軟件中的每一種組合。SIG定義了一系列應(yīng)用，以便有助于保證不同制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品之間的互操作性。目前大約有10多種應(yīng)用，如一般性接入、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、內(nèi)部通信、串行端口、局域網(wǎng)接入和文件傳送。在認證過程中，制造商必須針對一種或多種應(yīng)用，對每一種產(chǎn)品進行測試。



3.藍牙的安全性



　　雖然藍牙系統(tǒng)擁有跳頻技術(shù)、用戶個人標識、鏈路密鑰認證和保密密鑰加密多重處理，但鑒于藍牙系統(tǒng)的移動性、普遍性與無執(zhí)照全面開放性，使得其安全保密問題顯得尤為敏感與重要，而且在初始密鑰的生成方面也存在著問題。初始密鑰的可靠性建立在所用PIN碼的基礎(chǔ)上。E22初始化密鑰生成算法的輸入?yún)��?shù)是PIN碼。PIN碼的長度和一個隨機數(shù)字，這些都在空中傳播，對PIN碼造成不被信任的因素。當使用一個4位的PIN碼時，只有10000種可能性，所以初始化密鑰的可信度是相當?shù)偷模�需要在網(wǎng)絡(luò)高層上實施更加復(fù)雜的安全措施。



4.藍牙專用嵌入模塊的成本和功耗



　　現(xiàn)在藍牙專用集成電路的價格和功耗水平還沒有降低到能被接受的程度，這就影響了當前藍牙產(chǎn)品的普及應(yīng)用和大規(guī)模開發(fā)，隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，集成電路技術(shù)水平，集成度進一步提高，這個問題有望在近年得到解決。據(jù)悉，藍牙技術(shù)嵌入模塊的成本可望下降到5美元的水平。



5.與其它技術(shù)的競爭



　　藍牙主要是與紅外線連接，與IEEE802.11以及Home RF在速率、價格、可靠性、可用性等方面的競爭，藍牙產(chǎn)品應(yīng)比同類產(chǎn)品具有更高的可靠性、兼容性以及性價比，才能保持與發(fā)揚目前已持有的綜合主導(dǎo)地位，在競爭中確立自己的應(yīng)有地位。低廉的附加價格和極低的功耗將是藍牙技術(shù)最主要的競爭優(yōu)勢。



四、光明的市場前景



　　預(yù)測指出：在全球市場范圍內(nèi)，隨著藍牙技術(shù)日益完善和用戶群體的擴大，到2002年，與藍牙相關(guān)的元器件、芯片、產(chǎn)品及系統(tǒng)的銷售額將達到25億美元以上；到2004年，價格在5美元以下的藍牙芯片銷售量將達到5億套以上；藍牙產(chǎn)品的銷售臺數(shù)年平均增長率是360％，到2005年規(guī)模將顯著擴大，達到9.55億臺，內(nèi)置藍牙芯片能高度支持數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃{牙手機，將占全部手機的50％以上。藍牙擁有不可限量的市場前景。



　　我國具有全世界最多的人口，估計到2005年，中國的移動電話用戶量、家電量、固定電話用戶量、甚至Internet用戶及上網(wǎng)手機量，均可能居全球榜首。藍牙作為嵌入式設(shè)備的應(yīng)用將成為最通用方式，藍牙在中國的市場潛力在全球?qū)⑹亲畲蟮�。�?jù)預(yù)測，中國將占整個亞太地區(qū)的65％藍牙市場份額，10年內(nèi)藍牙相關(guān)產(chǎn)品將達到400億人民幣市場。加入WTO后的中國將面臨來自國際的競爭，中國的制造商、操作運營者、科研部門及投資商必須建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，快速發(fā)展中國的藍牙民族產(chǎn)業(yè)以滿足中國市場的巨大需求。


摘自《數(shù)據(jù)通信》2002.1期