01 蓝牙通信技术

蓝牙技术简介目录1蓝牙的基本概念2蓝牙的发展史3蓝牙的原理4蓝牙的协议体系结构5蓝牙技术的新标准6蓝牙技术的特点7蓝牙网络的构成8蓝牙技术的优势9蓝牙技术的安全机制10蓝牙技术的应用蓝牙的基本概念蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。•蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9x9mm的微芯片中，为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。目录1蓝牙的基本概念2蓝牙的发展史3蓝牙的原理4蓝牙的协议体系结构5蓝牙技术的新标准6蓝牙技术的特点7蓝牙网络的构成8蓝牙技术的优势9蓝牙技术的安全机制10蓝牙技术的应用蓝牙的发展史•蓝牙名字的来历“蓝牙”这个名称来自于第十世纪的一位丹麦国王HaraldBlatand,口齿伶俐,善于交际，统一了现在的挪威，瑞典和丹麦，在行业协会筹备阶段，需要一个极具有表现力的名字来命名一项高新技术，行业组织人员，在经过讨论后，认为用Blatand国王的名字命名再合适不过了，Blatand在英文里的意思可以被解释为Bluetooth(蓝牙)，所以就有了“蓝牙”这个名字。•蓝牙的标志蓝牙这个标志的设计：它取自HaraldBluetooth名字中的‘H’和‘B’这两个字母，用古北欧字母来表示，将这两者结合起来，就成为了蓝牙的logo。1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三康、朗讯与上述的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。蓝牙的形成背景1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。其中，Intel公司负责半导体芯片和传输软的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发，IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。目录1蓝牙的基本概念2蓝牙的发展史3蓝牙的原理4蓝牙的协议体系结构5蓝牙技术的新标准6蓝牙技术的特点7蓝牙网络的构成8蓝牙技术的优势9蓝牙技术的安全机制10蓝牙技术的应用蓝牙技术的原理◆蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学）频段。◆数据速率为1Mb/s。◆时分双工传输方案被用来实现全双工传输。◆使用IEEE802.15协议。◆特别设计了快速确认和跳频方案。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。◆使用FEC（前向纠错）抑制长距离链路的随机噪音。◆应用二进制调频（FM）技术的跳频收发器来抑制干扰和防止衰落。蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在被保留的时隙中可以传输同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。蓝牙可以支持异步数据信道、多达3个的同时进行的同步话音信道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。其中，每个话音信道支持64kb/s同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721kb/s而另一端速率为57.6kb/s的不对称连接，也可以支持43.2kb/s的对称连接。为避免蓝牙设备与其他系统互相干扰的方法之一是发送约1毫瓦的非常微弱的信号。低功率将蓝牙设备的传输范围限制在约10米范围内，消除了计算机和手提电话或电视之间的干扰。房间内的墙壁不会阻止蓝牙信号，这在控制不同房间内的多个设备时特别有用。蓝牙最多可同时连接8台设备，蓝牙采用了一种名为“展频跳频”的技术，可最大程度避免多台设备同时使用相同的频率进行传输。使用这种技术，每台设备都将使用指定范围内79个单独且随机选择的频率，同时有规律地从一个频率换到另一个频率。由于每个蓝牙发射器都自动使用展频传输，因此不太可能出现两个发射器同时使用相同的频率。因为在特定频率上产生的任何干扰持续的时间远不到1秒钟，所以该技术还将手提电话或婴儿监护器干扰蓝牙设备的风险降至最低。当蓝牙设备相互近距离接触时，就会发生电子会话，电子会话可自动进行。会话一旦开始，设备将形成一个网络。蓝牙系统会创建一个个人域网络或微微网，该网络也许充满一个房间，也许只是皮带夹上的手机至头上的耳机之间的距离。微微网一旦形成，各装置将和谐地随机跳频，以保持互相联系，同时又避免与同一房间内正在运行的其他微微网发生干扰。目录1蓝牙的基本概念2蓝牙的发展史3蓝牙的原理4蓝牙的协议体系结构5蓝牙技术的新标准6蓝牙技术的特点7蓝牙网络的构成8蓝牙技术的优势9蓝牙技术的安全机制10蓝牙技术的应用蓝牙的协议体系结构和OSI一样，蓝牙技术标准包括蓝牙核心协议和一些通用协议，在它的协议体系结构中也使用了分层的办法。不同的应用程序使用不同的协议栈，不管什么应用程序，蓝牙协议栈都使用通用的蓝牙数据链路层和物理层协议。蓝牙协议栈分为四层，每一层及相应的协议如表1所示。•蓝牙核心协议是蓝牙技术标准所特有的协议，由SIG开发制定。•在蓝牙的核心协议之上可以承载PPP、TCP/IP、UDP/IP、WAP等通用高层协议。蓝牙技术标准的开放性使设备制造商的应用程序可以方便地使用遵守蓝牙技术标准的软硬件系统。在蓝牙技术规范协议的上面，制造商可以自由的实现他们自己的或是通用的应用协议。•所有的蓝牙设备都必须支持核心协议，而其他的协议可以根据需要选用。目录1蓝牙的基本概念2蓝牙的发展史3蓝牙的原理4蓝牙的协议体系结构5蓝牙技术的新标准6蓝牙技术的特点7蓝牙网络的构成8蓝牙技术的优势9蓝牙技术的安全机制10蓝牙技术的应用蓝牙技术新标准•Bluetooth2.1+EDR目前应用最为广泛的是Bluetooth2.0+EDR标准，该标准在2004年已经推出，支持Bluetooth2.0+EDR标准的产品也于2006年大量出现。虽然Bluetooth2.0+EDR标准在技术上作了大量的改进，但从1.X标准延续下来的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。1、改善装置配对流程由于配对的过程与必要操作过于繁杂，以往在连接过程中，需要利用个人识别码来确保连接的安全性，而改进过后的连接方式则是会自动使用数字密码来进行配对与连接。举例来说，只要在手机选项中选择连接特定装置，在确定之后，手机会自动列出目前环境中可使用的设备，并且自动进行连结。2、更佳的省电效果蓝牙2.1版透过设定在2个装置之间互相确认讯号的发送间隔来达到节省功耗的目的。一般来说，当2个进行连结的蓝牙装置进入待机状态之后，蓝牙装置之间仍需要透过相互的呼叫来确定彼此是否仍在联机状态，当然，也因为这样，蓝牙芯片就必须随时保持在工作状态。为了改善了这样这样的状况，蓝牙2.1将装置之间相互确认的讯号发送时间间隔从旧版的0.1秒延长到0.5秒左右，如此可以让蓝牙芯片的工作负载大幅降低，也可让蓝牙可以有更多的时间可以彻底休眠。根据官方的报告，采用此技术之后，蓝牙装置在开启蓝牙联机之后的待机时间可以有效延长5倍以上。•蓝牙3.0技术规范2009年4月21日，蓝牙技术联盟正式颁布了新一代标准规范——蓝牙核心规范3.0版，蓝牙3.0的核心是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。蓝牙3.0的传输速度更高。通过集成协议适应层，蓝牙3.0的数据传输率提高到了大约24Mbps，是蓝牙2.0的八倍。功耗方面，引入了增强电源控制机制，实际空闲功耗会明显降低，蓝牙设备的待机耗电问题有望得到初步解决。•蓝牙4.0技术规范蓝牙技术联盟于2010年4月20日表示，蓝牙4.0技术规范已经基本成型。蓝牙4.0实际是个三位一体的蓝牙技术，它将三种规格合而为一，分别是传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙技术，这三个规格可以组合或者单独使用。蓝牙4.0继承了蓝牙技术无线连接的所有固有优势，同时增加了低耗能蓝牙和高速蓝牙的特点。此外，蓝牙4.0的有效传输距离也有所提升。当前，蓝牙的有效传输距离为10米(约32英尺)，而蓝牙4.0的有效传输距离可达到100米(约328英尺)。目录1蓝牙的基本概念2蓝牙的发展史3蓝牙的原理4蓝牙的协议体系结构5蓝牙技术的新标准6蓝牙技术的特点7蓝牙网络的构成8蓝牙技术的优势9蓝牙技术的安全机制10蓝牙技术的应用蓝牙技术的特点蓝牙支持64kb/s的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数PCM或连续可变斜率增量调制语音和数据可单独或同时传输。当仅传输语音时，蓝牙设备最多可同时支持3路全双工的话音通信；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，后者特别适合无线访问Internet。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对应于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳每秒，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。蓝牙的基本出发点是可使其设备能够在全球范围内应用於任意的小范围通信。任一蓝牙设备，都可根据IEEE802标准得到一个唯一的48-bit的公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在此基础上，使用一些性能良好的演算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码(ID，Identification)在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。和许多通信系统一样，蓝牙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，前者通过主机控制接口实现高低层的联接，后者则可不用。这种层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它蓝牙设备，实现系统提供的各种功能。目录1蓝牙的基本概念2蓝牙的发展史3蓝牙的原理4蓝牙的协议体系结构5蓝牙技术的新标准6蓝牙技术的特点7蓝牙网络的构成8蓝牙技术的优势9蓝牙技术的安全机制10蓝牙技术的应用蓝牙网络的构成微网与扩散网1台主设备和1台以上从设备构成的网络称为微网（Piconet）。一个蓝牙单元作为微网的主单元，其余的可作为从单元看待。在一个微网中最多可有七个活动从单元。另外，更多的从单元被锁定在休眠状态中。这些处于休眠状态的从单元在该信道中不能被激活，但对主单元来讲它们仍与主单元同步。无论对激活或休眠状态来讲，信道访问都由主单元控制。具有重叠覆盖域的微网之间存在设备间的通信，形成一个扩散网络（Scatternet）结构。每个微网只能具有一个单独主单元，然而从单元可分享基于时分多址的不同微网。另外，在一个微网中主单元可视为另一个微网的从单元。且各微网间不再是以时间或频率同步，各微网有自己的跳频信道。蓝牙扩散网结构示意图对等网络Ad-hoc蓝牙设备在规定的范围内和规定的数量限制下，可以自动建立相互之间的联系，而不需要一个接入点或者服务器，由于这种网络是由某些蓝牙设备临时构成的网络，所以对等网络又称临时网。由于网络中的每台设备在物理上都是完全相同的，因此又称为对等网。目录1蓝牙的基本概念2蓝牙的发展史3蓝牙的原理4蓝牙的协议体系结构5蓝牙技术的新标准6蓝牙技术的特点7蓝牙网络的构成8蓝