蓝牙技术及应用

➢ 低能耗标准无线通信使蓝牙设备的潜在使用空间大大的增加。 可在心率监视器，血糖仪，智能手表，窗和防盗门传感器，汽 车钥匙链和血压测量手环等设备上使用。
➢ 2011年12月世界上第一款支持蓝牙4.0的手机IPhone 4s发布。 ➢ 目前，全球大约80%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近
100%的智能手机都已经使用了蓝牙技术。
DM3 DH3
DM5 DH5
Null Poll FHS DM1
在16种分组中，有4种是公共的，另外 12种根据SCO和ACL不同链路而不同。 ✓公共分组
✓NULL分组：仅包含 CAC（信道接入码）和 分组头，没有负载。NULL分组将链路信息返 回给发送端。NULL分组无需确认。
； ➢ 模块大小： 9x9 mm； ➢ 支持语音和数据传输；
3.1蓝牙技术简介
蓝牙设备功率等级
输出功率等级 一类
二类
三类
最大输出功率 最小输出功率 传输距离
100mW(20 2.5mW(4d 1mW(0dBm
dBm)
Bm)
)
1mW(0dBm 0.25mW(- --
)
6dBm)
100m
10m
10m
功率控制要求
表示处于active状态的从设备 表示16种类型的分组
FLOW ARQN SEQN HEC
ACL上的流量控制，1表示发送端发送、0表示发送端停止发送 0表示NAK，1表示ACK，表示负载传送正确性确认 每发送一个新的分组就翻转一次 校验码以检查头部的正确性
72 bits
有效负载
54 bits
0 - 2744 bits
接入码
54 bits
0 - 2744 bits
Access Header Code
Payload
接入码有三种类型：
✓CAC(channel access code):用于标识一个微微网
✓DAC(device access code):用于寻呼等特殊信令过程
✓IAC (inquiry access code):用于查询，发现其他的蓝 牙设备
Find My Car Smart
➢ Find My Car Smart的应用，是一款让 用户查换自己汽车停放位置的应用。 对于大型停车场遍地的情况来说，这 种应用非常流行。这款应用与之前的 寻找停车位置的应用不同，支持一种 USB蓝牙4.0感应适配器，与iPhone 4S 配对，离开车时，应用会自动记录地 理位置，完全无需手动操作。而且 Bluetooth 4.0后台运作耗电量极小。 iPhone就可以不依靠GPS也能准确快速 找到自己的汽车停放位置。对于室内 停车场来说，这款应用还是非常实用 的。
4.设备、微微网和散射网
散射网scatter net
3.2.2 蓝牙物理链路
SCO ( synchronous connection oriented)链路 – 是点到点的连接，类似电路交换 – 具备双向对称性，主设备在周期性的保留时隙上维 持SCO – 传输速率为 64Kbps – 主设备可与一个或多个从设备建立多达3个SCO链路 ；一个从设备也与多个主设备建立SCO（最多3条） – Full-duplex通信
– 所有的用户均用同一跳频序列同步
3.2.1蓝牙基带概述
4.设备、微微网和散射网
微微网Piconet
3.2.1蓝牙基带概述
4.设备、微微网和散射网
时间和空间层叠的多个piconets组成一个散射网
– 几个masters链接到同一个slave – 一个master可以是另一个网络的slave
3.2.1蓝牙基带概述
3.2 蓝牙技术基带与链路控制器规范
基带层基本功能 – 执行跳频 – 实现介质访问 – 定义了物理链路 – 定义了packet格式
3.2.1蓝牙基带概述
3.蓝牙设备的寻址
蓝牙设备地址 (BD_ADDR)
– 48-bit IEEE 802 address（全球唯一，见图3-3）
激活设备 地址 (Active Member Address： AM_ADDR)
– 只有被主设备轮询的从设备才能发送ACL数据 – Half-duplex通信
3.2.2 蓝牙物理链路
Half-duplex通信（ACL） – 一次往一个方向发送 – 不对称最大速率723.3kbps，反向为57.6kpbs – 对称速率双向发送，每个方向可达433.9kpbs
Full-duplex通信（SCO） – 可同时双向发送 – 速率>64Kbps – 使用M预留的slot（避免同步和冲突） – 没有为SCO链路预留的Slot可用于ACL链路
3.2.1蓝牙基带概述
4.设备、微微网和散射网
Piconet的组成 – 1个Master节点控制跳频通信的同步 – 7个Slave active节点
• 3-bit Active Member address (AM_ADDR)
– 255个非活跃Parked节点
• 保持与master的同步 • 没有AM_ADDR • 8-bit Parked Member Address (PM_ADDR)
3.2 蓝牙技术基带与链路控制器规范
规范 – 定义了载波频率和输出功率 – 主要处理空中数据的接收和发送
特点 – 低功率 – 传输距离为10米 – 2.4GHz的ISM – 79个信道，1MHz （2402 to 2480 MHz ） – 跳频扩频技术 – 收发器的能量分3级 • 1级：100mW，强制功率控制 • 2级：2.5mW，功率控制可选 • 3级：1mW
三星T628
蓝牙技术简介-bluetooth的历史
➢ 2003年，bluetooth 1.2列入IEEE 802.15.1a，改进了加密性能和 底层跳频技术，抗干扰性和传输稳定性能进一步增强；市场情 况不太理想
➢ 受WiFi（802.11b） 的冲击，WiFi产品的价格大幅度下 降在某些应用方面抑制了蓝牙的优势。
Heade r
0 - 2744 bits
Payload
有两种分组类型：控制分组、数据/语音分组
Control packets
ID* Null Poll FHS DM1
Data/voice packets
Voice
HV1 HV2 HV3 DV
data
DM1
DH1
DM3
DH3
DM5
DH5
72 bits
➢ 1994年Ericsson发起multi-communicator link的研究 ➢ 1998成立了特别兴趣小组（SIG）并更名bluetooth；
➢ 创始成员：Ericsson、Agere、IBM(Lenovo)、Intel、 Nokia、Motorola、Toshiba；
➢ 目标：将计算、通信设备以及附加设备通过短程、低耗 、低成本的无线电波连接起来
✓ 只能是一个微微网的主设备，可以是其他微微网的从设备 ✓ 可实施呼叫和连接建立过程
✓ 从设备（Slave Unit）：
✓ 除主设备以外的设备，为从设备 ✓ 一个微微网的从设备可以是另一个微微网的主设备 ✓ 连接建立被分配一个临时的3比特成员地址
✓ 主设备和从设备的角色可以互换，互换后是另一个 新的微微网
➢ 为了覆盖更多的应用和提供QoS，使其偏离了原来设计 简单的目标，复杂使蓝牙变得昂贵，不再适合要求低功 率、低成本的简单应用。
蓝牙技术简介-bluetooth的历史
➢ 2004年推出bluetooth 2.0+EDR版本，传输率提升至2-3Mbps，(实际测 试速度为576Kbps);
➢ 2007年推出bluetooth 2.1+EDR版本，简易安全配对、暂停与继续加密 、Sniff省电;
➢ 发展：Lucent、3Com、Microsoft和Motorola加入SIG； 现SIG成员超过14000个，大多来自计算机、通信、网络 和电子消费领域；
➢ 1999 Bluetooth 1.0发布，最高传输速为721kbps，实际测试约为 ➢ 192Kbps左右；
蓝牙技术简介-bluetooth的历史
– 3-bit active slave address – 全0代表广播地址
休眠设备地址 (Parked Member Address：PM_ADDR)
– 8-bit parked slave address
3.2.1蓝牙基带概述
4.设备、微微网和散射网
✓ 主设备（Master Unit）：
✓ 某台设备的时钟和跳频序列用于同步其他设备，称为主设 备
短距离区域内不同用户的ad hoc网络互连 只要进入范围内，一个配备蓝牙的设备能与另一个无线电设
备即时连接
数据与语音接入点
采用蓝牙作为AP，从而与蜂窝网络、有线连接或卫星链路所 提供的广域语音和数据服务相连
连接计算机以及其他外部设备
支持自组织网络
构建家庭网络
运动中的连接
蓝牙技术简介-bluetooth的历史
➢ 蓝牙WPAN工作组 蓝牙是无线个域网的先驱。在初始阶段 ，IEEE并没有制定蓝牙相关的标准，经过一段快速发展时 期后，蓝牙很快就有了产品兼容性的问题。2001年，IEEE 决定制定行业标准来开发能够相互兼容的蓝牙芯片、网络 和产品；
➢ 2001年推出bluetooth 1.1版本，修正了1.0版本的BUG，以 及非加密高速信道的支持，市场巨大成功；
➢ 2009年推出bluetooth 3.0 + HS版本，最高速度可达24Mbps。是2.0速度 的8倍。 引入了增强电源控制，实际空闲功耗明显降低;
蓝牙技术简介-bluetooth的历史
➢ 2010年7月推出bluetooth 4.0（智能蓝牙）实现了传统蓝牙技术 、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术的融合，传输范围可达100米 ，最短延迟(3毫秒启动) 。
✓ID分组( )：由DAC或IAC组成，用于寻呼、探询 、响应
72 bits
头部
54 bits
0 - 2744 bits
Access Header Code
Payload
3
AM_ADDR
4
TYPE
1
FLOW
1
ARQN
1
SEQN
8
HEC
＋1/3FEC
parameter AM_ADDR TYPE
information
type SCO link ACL link
0000 0001 0010 0011
0100 0101 0110 0111 1000 1001
1010 1011 1100 1101
1110 1111
NULL NULL POLL POLL FHS FHS DM1 DM1
HV1 HV2 HV3 DV
DH1 AUX1
+4～
-30～ -30～
Leabharlann Baidu
+20dBm( +4dBm(可 +4dBm(可
必有) 选)
选)
-30～
+4dBm(可
蓝牙技术的应用
电缆替代(cable replacement)：
替代PC机与打印机、鼠标、扫描仪、投影仪等外设的连接电 缆，
无线互连PDA、移动电话以及PC机等
Ad hoc个人无线网络
3.2.2 蓝牙物理链路
MASTER
SCO
ACL
SCO ACL ACL SCO
SLAVE 1
SCO ACL
SLAVE 2
SLAVE 3
Mixed Link Example
3.2.3 蓝牙基带分组
蓝牙分组结构和分组类型
每个分组由三部分组成：接入码、头部、负载
72 bits
Access Code
54 bits
Access Header Code
Payload
Voice
header Data CRC
✓在负载中要区分语音（同步）字段和数据（异步）字段 ：
✓ACL分组仅包含数据字段，包含3部分：负载头、负载 体和CRC校验码（AUX1例外）
✓SCO分组包含语音字段，语音字段长度固定为240比特
分组类型（1）
蓝牙技术及应用
3.1蓝牙技术简介 Bluetooth的技术规范
➢ 频带使用2.4Ghz频段； ➢ 短程：class B低能状态最大传输距离10m（class A高能
状态达到100m）； ➢ 性能中等：2.1+EDR 2-3Mbps，3.0后可达24Mbps； ➢ 动态配置：自组联网/漫游； ➢ 低能耗(< 2.5mW)：适用于手持应用，待机时仅有1mw
3.2.2 蓝牙物理链路
ACL (asynchronous connectionless)链路 – 是点到多点的连接，类似分组交换 – 主设备可以利用SCO未被占用的时隙建立ACL – 支持对称连接和不对称连接 – 一对主从设备之间只有1条ACL
• 分别对应1-slot、3-slot、5-slot分组 • 正向最大速率：723.3Kbps (5-slot) • 反向最大速率：57.6Kbps