解读蓝牙技术

太原科技 TAIYUANSCI-TECH2003年第6期 12月26日出版

p应用技术研究

解读蓝牙技术

太原理工大学

王 华

1)

摘 要 蓝牙是短距离无线通信技术标准。主要介绍了蓝牙技术的基本概念、网络结构、组成、关键技术以

及未来的发展趋势。

关键词 蓝牙技术 网络结构 系统组成

中图分类号 TP393.17 文献标识码 A

1 蓝牙(Bluetooth)技术的特点

1998年,爱立信、IBM、英特尔、诺基亚和东芝公司联合成立了蓝牙特殊利益小组(SIG),负责开发设备间的无线传输数据标准。这项标准以10世纪挪威国王HaraldBluetooth的名字命名,即蓝牙。如今蓝牙已经是一个可实现小范围移动设备互连及其数据通讯的开放性无线通信技术标准,它具有灵活、安全、成本低和功耗小的特点。2 蓝牙系统的网络结构

蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式,这使得1个蓝牙设备可同时与7个其他的蓝牙设备相连接。蓝牙系统的网络结构为拓扑结构,有两种形式:微微网(piconet)和分布式网络(scatternet)。

微微网是通过蓝牙技术连接起来的一种微型网络,1个微微网可以只是2台相连的设备,比如1台便携式电脑和1部移动电话,也可以是8台连在一起的设备。在微微网中,所有设备的级别是相同的,具有相同的权限。在微微网初建时,定义其中1个蓝牙设备为主设备,其余设备则为从设备。

分布式网络是由多个的非同步的微微网组成的。它靠跳频顺序识别每个微微网。同一微微网所有用户都与这个跳频顺序同步。3 蓝牙系统组成

蓝牙系统一般由天线单元、链路控制(固件)单元、链路管理(软件)单元和蓝牙软件(协议栈)组成。3.1 天线单元

蓝牙是以无线LAN的IEEE802.11标准技术为基础,使用2.450GHzISM全球通自由波段。蓝牙天线属于微带天线,空中接口是建立在天线电平为0dBm基础上的,遵从FCC(美国联邦通信委员会)有关0dBm电平的ISM频段的标准。当采用扩频技术时,其发射功率可增加到100mW。频谱扩展功能是通过起始频率为2.402GHz、终止频率为2.480GHz、间隔为1.000MHz的79个跳频频点来实现的。其最大的跳频速率

文章编号 1006-4877(2003)04-0030-02

为1660次/s。系统设计通信距离为10cm~10m,如增大发射功率,其距离可长达100m。3.2 链路控制单元

链路控制单元(即基带)描述了硬件)))基带链路控制器的数字信号处理规范。基带链路控制器负责处理基带协议和其他一些低层常规协议。3.2.1 建立物理链路

微微网内的蓝牙设备之间的连接被建立之前,所有的蓝牙设备都处于待命(standby)状态。此时,未连接的蓝牙设备每隔1.28s就周期性地监听信息。每当一个蓝牙设备被激活,它就将监听划给该单元的32个跳频频点。跳频频点的数目因地理区域的不同而异(32这个数字只适用于使用2.400GHz~2.484GHz波段的国家)。作为主蓝牙设备首先初始化连接程序,如果地址已知,则通过寻呼(page)消息建立连接;如果地址未知,则通过一个后接寻呼消息的查询(inquiry)消息建立连接。在最初的寻呼状态,主单元将在分配给被寻呼单元的16个跳频频点上发送一串16个相同的寻呼消息。如果没有应答,主单元则按照激活次序在剩余16个频点上继续寻呼。从单元收到主单元发来的消息的最大延迟时间为激活周期的2倍(2.56s),平均延迟时间是激活周期的1/2(0.60s)。查询消息主要用来寻找蓝牙设备。查询消息和寻呼消息很相像,但是查询消息需要一个额外的数据串周期来收集所有的响应。

如果微微网中已经处于连接的设备在较长一段时间内没有数据传输,蓝牙还支持节能工作模式。主设备可以把从设备置为保持(hold)模式。在保持模式下,只有一个内部计数器在工作。从设备也可以主动要求被置为保持模式。一旦处于保持模式的单元被激活,则数据传递也立即重新开始。保持模式一般被用于连接几个微微网的情况下或者耗能低的设备。另外。蓝牙还支持呼吸(sniff)模式和暂停(park)模式。在呼吸模式下,从设备降低了从微微网/收听0消息的速率,/呼吸0间隔可以依应用要求适当调整。在暂停模式下,设备

1) 王 华,女,1978年10月生,2001年7月太原理工大学信息学院计算机科学技术系毕业,助理讲师,030024,太原市迎泽西大街79号

收稿日期:2003-02-10,修回日期:2003-08-21依然与微微网同步但没有数据传送。工作在暂停模式下的设备放弃了MAC地址,偶尔收听主设备的消息并恢复同步、检查广播消息。这几种工作模式按照节能效率以升序排队依次是:呼吸模式、保持模式和暂停模式。王 华:解读蓝牙技术

蓝牙基带技术支持两种连接类型:同步定向连接(SCO)类型和异步无连接(ACL)类型。前者主要用于同步话音传送,后者主要用于分组数据传送。同一个微微网中不同的主从对可以使用不同的连接类型,而且在一个阶段内还可以任意改变连接类型。3.2.2 差错控制

基带控制器有3种纠错方式。1/3比例前向纠错(1/3FEC)码,用于分组头;2/3比例前向纠错(2/3FEC)码,用于部分分组;数据的自动请求重发方式(ARQ),用于带有CRC(循环冗余校验)的数据分组。差错控制用于提高分组传送的安全性和可靠性。3.2.3 验证和加密

蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息加密机制。在连接过程中,以口令一应答方式验证用户身份,同时在数据传输中通过加密保证其安全性。3.3 链路管理单元

链路管理器(LM)软件模块设计了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。链路管理器能够发现其他蓝牙设备的链路管理器,并通过链路管理协议(LMP)建立通信联系。链路管理器提供的服务项目包括:发送和接收数据、设备号请求、链路地址查询、建立连接、验证、协商并建立连接方式、确定分组类型、设置保持方式及休眠方式等。3.4 软件单元3.4.1 软件结构

软件结构的功能有:配置及故障诊断工具、自动识别其他蓝牙设备、电缆仿真、与设备的通信、音频通信与呼叫控制和商用卡的交易与号簿网络协议。

蓝牙的软件体系是一个的操作系统,不与任何操作系统捆绑。蓝牙规范接口可以直接集成到蜂窝电话、笔记本电脑等设备中,也可以通过PC卡或USB接口附加设备连接。3.4.2 协议体系

协议和协议栈的主要原则是尽可能地利用现有各种高层协议,保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互通性;充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统和蓝牙技术规范的开放性,便于开发新的应用。蓝牙标准包括core和profiles两大部分。Core是蓝牙的核心,主要定义蓝牙的技术细节;Profiles部分定义了在蓝牙的各种应用中的协议栈组成及相应的实现协议栈。这样就为全球兼容性打下了基础。蓝牙标准主要定义的是底层协议,也定义了一些高层协议和相关接口。具体的协议按SIG的需要分为4层:核心协议、RF-COMM电缆替代协议、TCS电话控制协议、与Internet相关的高层协议。

2003年第6期 12月26日出版

4 蓝牙关键技术4.1 射频技术

#31#

蓝牙的载频选用全球通用的2.45GHzISM频段,采用跳频扩谱技术。依据各国的具体情况,以2.45GHz为中心频率,最多可以得到79个1MHz带宽的信道。在发射带宽为1MHz时,其有效数据速率为721kb/s,并采用低功率时分复用方式发射,有效通信距离大约为10m~100m。4.2 基带

当两个蓝牙设备成功建立链路后,一个piconet便形成了。两者之间的通信通过无线电波在这79个信道中随机跳转而完成。蓝牙给每个piconet提供特定的跳转模式,因此它允许大量的piconet同时存在。4.3 TDMA结构

在1.0版本的标准中,蓝牙的基带比特速率为1Mb/s,采用TDD方案来实现全双工传输,因此蓝牙的一个基带帧包括两个分组,首先是发送分组,然后是接收分组。蓝牙系统既支持电路交换也支持分组交换,支持实时的同步定向连接(SCO)和非实时的异步不定向连接(ACL)。前者主要传送话音等实时性强的信息,在规定的时隙传输,后者则以数据为主,可在任意时隙传输。4.4 跳频技术

跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对应于单时隙分组,蓝牙的跳频速率为1600次/s;对应于时隙包,跳频速率有所降低,但在建链时(包括寻呼和查询)则提高为3200次/s。使用这样高的跳频速率,蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力。它采用以多级蝶形运算为核心的映射方案,与其他方案相比,具有硬件设备简单、性能优越、便于79/23频段两种系统的兼容以及各种状态的跳频序列使用统一的电路来实现等特点。与其他工作在相同频段的系统相比,蓝牙跳频更快,数据包更

短,因此更稳定。4.5 安全性

蓝牙系统的移动性和开放性使得安全问题极其重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术就已经提供了一定的安全保障,但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层的安全管理。5 蓝牙技术市场的前景

在无线网络标准中蓝牙技术总是被人们拿来与Wi-Fi(802.11)标准相比较,我们不能否认Wi-Fi在速度和覆盖能力上的优势,但是也应该看到人们在蓝牙面向多平台开发方面的努力。因此未来由蓝牙构成的无线个人网络将成为整个移动通信领域的重要组成部分,推动GPRS和3G的发展。

(责任编辑 薛培荣)

IntroductiontoBluetoothTechnologyStandard

TaiyuanUniversityofTechnology WangHua

Abstract:Thispaperintroducesthebasicconcepts,networkstructure,composition,keytechnologyandnextdevelopmenttrendofBlue-toothtechnologystandard.

Keywords:Bluetoothstandard,networkstructure,systemcomposition