再識藍牙技術

再識藍牙技術



作為便攜式設備的無線連接新技術藍牙(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，而實際上這項技術的研究開發(fā)工作早在1994年就已進行。當時，愛立信
移動通信公司成立了一個專項科研小組，對移動電話及其附件進行低能耗、低費用無線連接的可能
性進行研究，他們的目的在于建立無線電話與PC卡、耳機及桌面設備等產(chǎn)品的聯(lián)接。1997年，愛
立信與其他設備生產(chǎn)商聯(lián)系，并激發(fā)了他們對該項技術的濃厚興趣。1998年2月，5個跨國大公
司，包括愛立信、諾基亞、IBM、東芝及Intel組成了一個特殊興趣小組（SIG），它包含了商業(yè)領
域的最佳組合：兩個最大的移動通信公司，兩個最大的手提電腦生產(chǎn)商，一個數(shù)字信號處理技術的
領導者。他們共同的目標是建立一個全球性的小范圍無線通信技術，即藍牙。由于藍牙技術使用短
程無線電信號，將移動電話、便攜式計算機以及其他手持設備連接起來，所以可以應用到幾乎所有
具有開關功能的產(chǎn)品中，例如家用電器、汽車、家用電子設備與辦公設備。該標準推出后，包括摩
托羅拉、索尼、3Com、康柏、惠普、朗訊科技和戴爾在內的1100多家藍牙集團的成員公司都簽署
了相關協(xié)議，從而共享這一先進技術。

一、概述

藍牙技術是一種無線數(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，為
固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接的短程無線電技術。其實質內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準，使通信和計算機進一步結合，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，能在近距離范圍內具有相互操作的性能
（Interoperability）。其程序寫在一個9mmx9mm的微芯片中。

例如，如果把藍牙技術引入到移動電話和膝上型電腦中，就可以去掉移動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、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵盤、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。除此之外，藍牙無線技術還為已
存在的數(shù)字網(wǎng)絡和外圍設備提供通用接口以組建一個遠離固定網(wǎng)絡的個人特別連接設備群。

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

ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾
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，藍牙特別設計
了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。跳頻技術是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（即一定的規(guī)律，技術上叫做“偽隨機碼”，就是
“假”的隨機碼）不斷地從一個信道“跳”到另一個信道，只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)模進行通信
的，而其他的干擾不可能按同樣的規(guī)律進行干擾。跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術
使這個窄帶成百倍地擴展成寬帶頻，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，藍牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍牙比其他系統(tǒng)都要穩(wěn)定。
FEC(Forward Error Correction,前向糾錯)的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪音。應用了二進
制調頻（FM）技術的跳頻收發(fā)器被用來抑制干擾和防止衰落。

藍牙技術的無線電收發(fā)器的鏈接距離可達30英尺，不限制在直線范圍內，甚至設備不在同一房間內
也能相互鏈接，并且可以鏈接多個設備，這就可以把用戶身邊的設備都鏈接起來，形成一個“個人
領域的網(wǎng)絡”（Personal area network）。

二、藍牙技術

通過藍牙技術連接在一起的所有設備被認為是一個piconet，一個piconet可以只是兩臺相連的設
備，比如一臺便攜式電腦和一部移動電話，也可以是8臺連在一起的設備，在一個piconet中，所
有設備都是級別相同的單元，具有相同的權限。但是在piconet網(wǎng)絡初建時，其中一個單元被定義
為master unit，其時鐘和跳頻順序被用來同步其他單元的設備，而piconet中不是master的所有
設備被定義為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)絡保持同步但沒有Mac address的設備稱為Parkde units（暫停 單
元）。幾個獨立且不同步的piconet組成一個scatternet。

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）單
元等4個功能單元組成。

藍牙系統(tǒng)的主要技術包括：

1、 網(wǎng)絡技術

藍牙技術支持點對點和點對多點連接。幾個piconet可以被連接在一起，靠跳頻順序識別每個
piconet。同一piconet所有用戶都與這個跳頻順序同步。其拓撲結構可以被描述為“多
piconet”結構。在一個“多piconet”結構中，在帶有10個全負載的獨立的piconet的情況下，
全雙工數(shù)據(jù)速率超過6Mbit/s。

2、話音技術

藍牙話音信道采用連接可變斜率增量調制（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，即使比特錯誤率達4%，CVSD編碼的語音還是可聽
的。

3、天線

藍牙空中接口是建立在天線電平為0dBm的基礎上的。空中接口遵循FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）有
關電平為0dB的ISM頻段的標準。如果全球電平達到100mW以上，可以使用擴展頻譜功能來增加一些
補充業(yè)務。頻譜擴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
跳頻頻點來實現(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)字信號處理規(guī)范�；鶐ф溌房刂曝撠熖幚砘鶐�協(xié)議和
其它一些低層常規(guī)協(xié)議。藍牙基帶協(xié)議是電路交換與分組交換的結合。在被保留的時隙中可以傳輸
同步數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包以不同的頻率發(fā)送。一個數(shù)據(jù)包名義上占用一個時隙，但實際上可以被擴
展到占用5個時隙。藍牙可以支持異步話音。每個話音信道支持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的不對稱連接，也可以支持
43.2kbit/s的對稱連接。

5、建立網(wǎng)絡連接

在piconet內的連接被建立之前，所有的設備都處于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。每當一個設備被激活，它就監(jiān)聽規(guī)劃給該單元的32個躒跳
頻頻點。跳頻頻點的數(shù)目因地理區(qū)域的不同而異，32這個數(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個跳頻頻點上發(fā)送一串16個相同的page消息。如
果沒有應答，master則按照激活次序在剩余16個頻點上繼續(xù)尋呼。Slave收到從master發(fā)來的消
息的最大延遲時間為激活周期的2倍（2.56s），平均延遲時間是激活周期的一半(0.6s)。
Inpuiry消息主要用來尋找藍牙設備，如共享打印機、傳真機和其他的一些地址未知的類似設備。
Inpuiry消息和page消息很相像，但是inpuiry消息需要一個額外的數(shù)據(jù)串周期來收集所有的響
應。

如果piconet中已經(jīng)處于連接的設備在較長一段時間內沒有數(shù)據(jù)傳輸，藍牙還支持節(jié)能工作模式。
Master可以把slave置為hold（保持）模式，在這種模式下，只有一個內部計數(shù)器在工作。Slave
也可以主動要求被置為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piconet的情況下或者耗脂低的設備，如溫度傳感器。除hold
模式外，藍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”間隔可以依應用要求做適當調
整。在park模式下，設備依然與piconet同步但沒有數(shù)據(jù)傳送。工作在park模式下的設備放棄了
Mac地址，偶爾收聽master的消息并恢復同步、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隊，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。藍牙基帶技術支持兩種連接類型，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piconet中不同的主從對可以使用不同的連接類型，而且在一個階段內可以任意改變連接類
型。每個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，這一點對SCO
和ACL來說都是相同的。兩種連接類型都使用TDD（時分雙工傳輸方案）實現(xiàn)全雙工傳輸。

SCO連接為對稱連接，利用保留時隙傳送數(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，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，它既支持對稱連接，也支持不對稱連接。Master負責控制鏈路帶
寬，并決定piconet中的每個slave可以占用多少帶寬和連接的對稱性。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

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

FEC（前向糾錯）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)傳輸負載。但是，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)
的無差錯傳輸，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。這是因為，數(shù)據(jù)
包對于是否使用FEC是彈性定義的。報頭總有占1/3比例的FEC碼起保護作用，其中包含了有用的鏈
路信息。

8、鑒權和保密

藍牙基帶部分在物理層為用戶提供保護和信息保密機制。鑒權基于“請求一響應”運算法則。鑒權
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，比如只允許主人自己的
筆記本電腦通過主人自己的移動電話通信。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)議和應用程度可以為用戶提供一個較強的安全機制。

9、鏈路管理

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

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告名稱或長度最大可達16位的設備ID。

③鏈路地址查詢。

④建立連接。

⑤鑒權。

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

⑨將設備設為hold模式。工作在hold模式的設備為了節(jié)能，在一個較長的周期內停止接收數(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當設備不需傳送或接收數(shù)據(jù)但仍需保持同步時將設備設為暫停模式。處于暫停模式的設備周期性
地激活并跟蹤同步，并檢查page消息。

10、軟件結構

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

軟件結構需要具有的功能包括：設置及故障診斷工具、能自動識別其它設備、取代電纜連接、與外
設通信、音頻通信與呼叫控制、商用卡的交易與號簿網(wǎng)絡協(xié)議等。

藍牙的軟件（協(xié)議）單元是一個獨立的操作系統(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)的藍牙規(guī)范正在完善中。

三、藍牙技術前景

近年來移動通信發(fā)展迅速，便攜式計算機如膝上型電腦（Laptop）、筆記本電腦（Notebook）、
手持式電腦（HPC）以及個人數(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。

藍牙技術把各種便攜式電腦與蜂窩移動電話用無線電線鏈路連接起來，使計算機與通信技術更加密
切的結合起來，使人們能隨時隨地進行數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸。因此計算機行業(yè)、移動通信行業(yè)都
對藍牙技術非常重視，認為藍牙技術將對未來的無線移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務產(chǎn)生巨大的促進作用。


預計在最近幾年內，藍牙技術、藍牙芯片、藍牙產(chǎn)品都將獲得重大進展。

王勝友（現(xiàn)代通信）