蓝牙技术

1蓝牙技术简介周杰英中山大学电子系2蓝牙(Bluetooth)是什么？•一个开放性的、短距离无线通信技术标准。本质上说它是一种代替线缆的技术。它可以用来在较短距离内取代目前多种线缆连接方案，穿透墙壁等障碍，通过统一的短距离无线链路，在各种固定与移动数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。•名称起源：“蓝牙（Bluetooth）”本是10世纪丹麦国王Harald的别名，他曾使丹麦归于一统。开发商瑞典的Ericsson使用这个名字，意在形成统一的标准，成为全球通用的无线技术。3蓝牙的发展历程•1994年，爱立信最早提出蓝牙概念•1998年5月，爱立信、诺基亚、IBM、英特尔和东芝组成了蓝牙特殊利益集团（BluetoothSIG）•1999年7月，蓝牙1.0标准公布•目前蓝牙SIG正式会员已经超过2200个•目前蓝牙的公开版本是1.1，正在酝酿2.0版本•蓝牙SIG的三种会员•发起会员(Promoter)：爱立信、诺基亚、IBM、英特尔、东芝、微软、3COM、朗讯、摩托罗拉•合作会员(AssociateMember)•接受会员(Adopter)4•蓝牙技术特征(1)——射频技术•蓝牙的载频选用全球通用、不需营运许可的2.45GHzISM频段（Industrial,ScienceandMedicine）•依据各国具体情况，可得到79或23个1MHz带宽的信道•最大发射功率：100mW，2.5mW和1mW•有效通信距离：一般连接范围是从1～10m，但通过增加传送能量的方法，其范围可扩大到100m•北美和欧洲多国：79个频道，载频为2402+kMHz(k=0,1,…,78)，频段范围2400～2483.5MHz•法国：23个频道，载频为2454+kMHz(k=0,1,…,22)•西班牙：23个频道，载频为2449+kMHz(k=0,1,…,22)，变更中•日本：原为23个频道，1999年10月起改为统一的79个频道•中国：信息产业部2001年已选定2400～2483.5MHz频段为ISM频段5•蓝牙技术特征(2)——TDMA结构•Bluetooth的基带符号速率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625ms(即1/1600ms)。•Bluetooth系统支持两种联接链路：•实时的同步定向连接：SCO链路（SynchronousConnection-OrientedLink）传送话音等实时性强的信息，在规定的时隙传输•非实时的异步不定向连接：ACL链路（AsynchronousConnection-LessLink）以数据为主，可在任意时隙传输•数据包分成链路控制包、SCO包和ACL包3大类。大多数数据包只占1个时隙，但有些占3个或5个时隙6•蓝牙技术特征(2)——TDMA结构•Bluetooth支持64kb/s的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音和数据可单独或同时传输•当仅传输语音时，Bluetooth设备最多可同时支持3路全双工的话音通信（SCO链路）•当语音和数据同时传输或仅传输数据时，支持433.9kb/s的对称全双工通信，或723.2kb/s、57.6kb/s的非对称双工通信（ACL链路），后者特别适合无线访问Internet•语音编码采用对数PCM或连续可变斜率增量调制CVSD（ContinuosVariableSlopeDeltaModulation），CVSD之抗干扰性能比PCM更好，更适宜于无线链路上的话音通信7•蓝牙技术特征(3)——跳频技术•跳频是Bluetooth的关键技术之一。•所谓跳频技术，就是将整个频带分成若干(79或23)跳频信道，即使在单一链接的情况下，蓝牙芯片所操控的收发器也会按照一定的码序列（“伪随机码”）不断地从一个信道“跳”转到另一个信道。而接收方亦按照同样的跳转规律进行信道切换。•这实际上属于一种硬件加密手段，除非第三方掌握了接收双方的切换信道规律，那么从理论上来讲是无法获得完整信息的。而对干扰来说不可能存在按同样的规律介入的干扰源存在，跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使Bluetooth系统具有够高的抗干扰能力，如此便可以保证传送的完整性。8•蓝牙技术特征(3)——跳频技术•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，这使蓝牙比其他系统都更稳定。•虽然采用了跳频技术避免了大部分干扰的发生，但在偶然的情况下，外界干扰仍然有可能扰乱某个跳频信道使接收受到影响，为此蓝牙设计中亦预设了纠错方案使传送错误可以得到纠正。Bluetooth的跳频速率：•对应于单时隙包，Bluetooth的跳频速率为1600跳每秒•对应于多时隙包，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跳每秒802.11无线局域网的跳频速率：•2.5跳每秒（至少30秒每访问79个信道）9•蓝牙技术特征(4)——网络结构•蓝牙系统采用分散式网络结构，支持点对点及点对多点通信•在蓝牙系统中，几个蓝牙组件unit(最多8个)以主从方式构成微微网(Piconet)，微微网之间以特定方式构成分散式网络(Scatternet)，每个微微网使用不同跳频序列来区分。•构成分散式网络的微微网之间是一种非固定的、临时的、甚至是随机性的连接，但这种连接是自动完成的。10•蓝牙技术特征(4)——网络结构•在任一有效通信范围内，所有设备的地位都是平等的。首先提出通信要求的设备称为主设备(Master)，被动进行通信的设备称为从设备(Slave)。•利用TDMA，一个Master最多可同时与7个Slave进行通信并和多个Slave（最多可超过200个）保持同步但不通信。一个Master和一个以上的Slave构成Piconet。若两个以上的Piconet之间存在著设备间的通信，则构成Scatternet。•基於TDMA原理和Bluetooth设备的平等性，任一Bluetooth设备在Piconet和Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，还可同时既是Master又是Slave。因此，在Bluetooth中没有基站的概念。另外，所有设备都是可移动的。11•蓝牙技术特征(5)——其他•全球性地址任一蓝牙设备，都可根据IEEE802标准得到一个全球唯一的48bit的BD_ADDR。它是一公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在BD_ADDR基础上，使用一些性能良好的算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码(ID)在全球的惟一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。•协议分层和许多通信系统一样，Bluetooth的通信协议采用层次结构。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体上分为计算机背景和非计算机背景两种方式，这种层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。12•蓝牙协议简述•整个蓝牙协议体系结构分4层:1.核心协议层2.线缆替代协议层3.电话控制协议层4.选用协议层•核心协议是蓝牙专利协议，完全由蓝牙SIG开发，它包括:1.基带协议(Baseband)2.连接管理协议(LMP)3.逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)4.以及服务发现协议(SDP)13•蓝牙协议简述•基带BB和射频部分一起工作，负责建立微微网内各蓝牙设备单元之间的物理射频链路，控制数据分组在指定的时隙和指定频率上发送，使用查询和寻呼进程实现不同蓝牙组件的发送频率和时钟的同步。•连接管理协议LMP负责蓝牙组件间连接的建立和控制。包括：进行身份鉴权和加密；确定基带数据分组大小；控制微微网内蓝牙组件的连接状态等。•逻辑链路控制和适配协议L2CAP是基带的上层协议，可以认为它与连接管理协议平行工作，当业务数据不经过连接管理协议时，L2CAP为上层提供服务。•服务发现协议SDP在蓝牙协议栈中具有重要作用，它是所有用户模式的基础，使用SDP可以查询到蓝牙组件信息和服务类型，从而在蓝牙组件间建立相应的连接。14•蓝牙协议简述•电缆替代协议层RFCOMM是蓝牙SIG基于欧洲电信标准协会的ETSITS07.10标准开发的协议，用于在蓝牙基带协议上仿真RS232的控制和数据信号，为使用串行线传送机制的上层协议提供支持。•电话控制协议层TCP包括电话控制二进制协议(TCSBinary)和电话控制AT命令两部分，前者是蓝牙SIG基于国际电联的ITU－TQ.931标准开发的面向比特协议，定义了蓝牙组件间建立语音和数据呼叫的控制信令，以及处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程。•选用协议层是根据具体应用选择采纳的现有高层协议，使原有的应用程序可用于蓝牙技术，保证了蓝牙技术能够与现有协议的融合以及各种应用之间的互通性。选用协议包括点对点协议(PPP)、TCP/UDP/IP、对象交换协议(OBEX)和无线应用协议(WAP)等。15•蓝牙VS其它无线技术•红外•850nm的红外线，通信速率4Mbit/s,发射功率100mW，通信范围1m，点对点，要求直线视距•HomeRF(HomeRadioFrequency)•2.4GHzISM频段，跳频扩频技术，通信速率1～2Mbit/s，通信范围50m，最多支持127个设备•HomeRF主要是针对家庭无线局域网的目标•IEEE802.11•802.11无线局域网标准，又称Wi-Fi•2.4GHzISM频段，跳频扩频/直接扩频技术，通信速率1～11Mbit/s，通信范围100m，支持多个设备。只支持数据通信，VoIP语音信道16•蓝牙的前景蓝牙技术是2001年无线通信业界和家用电器业界最热门的话题之一。今年以来，蓝牙产品陆陆续续进入市场：•爱立信推出了蓝牙手机及耳机•摩托罗拉、诺基亚和Alcatel也推出了具有蓝牙功能的手机；•东芝和IBM公司推出了笔记本电脑的蓝牙PC卡；•IBM和联想推出了具有蓝牙功能的笔记本电脑；•还有，具有蓝牙功能的打印机、数码相机、手表和收音机也已推出。•获得蓝牙认证的产品数目前已超过157种。17•蓝牙的前景•进入2001年，蓝牙技术面临挑战，部分技术开发商们正在背弃蓝牙，转向802.11：•英特尔通讯策略主管表示，蓝牙在无线网络标准竞赛中已经被淘汰出局，无法成为主流技术，取而代之的无线上网标准将会是IEEE802.11。•微软公司宣布放弃在下一代视窗操作系统软件WindowsXP中支持蓝牙技术的计划，并解释主要因为市面上工作非常稳定的蓝牙产品还十分缺乏。•与蓝牙相比，802.11技术上已经比较成熟，目前市场正迅速扩大，成本却与蓝牙大抵相当。•一些业界权威专家的看法是在相当长一段时间之内，蓝牙与802.11这两种标准是可以共存的，各有各的市场和用武之地。18•蓝牙在中国•“第一届中国蓝牙技术国际交流会”于2001年3月1日在广州召开。市政府认为：蓝牙有很大的市场及产业化前景，国际上发展很快，国内尚未得到开发，广州要积极主动攻关高新技术领域。日前一家民营科技企业研发的“通用蓝牙模块组件的研究与生产”也被列入广州市2000年重点攻关项目。•广东省电子信息工程技术研究中心研制开发蓝牙ＵＳＢ终端机等产品。•重庆蓝牙无线技术研究所成立于2000年12月。•东南大学早在1998年开始进行跟踪蓝牙技术，有关研究已列入了“十五”优先启动的重点科技攻关项目。以外，南京大学、南京理工大学、南京邮电学院及部分企业也在进行蓝牙技术的研发运用。19ThankYou！