蓝牙核心技术

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2 蓝牙应用模型
蓝牙应用模型展示了蓝牙技术的实际用途 。尽管蓝牙规范 定义了很多应用模型 (如文件传输 、数据访问点 、实时同步 、终端 耳机等) , 但不外乎分为三大范畴 : 语音/ 数据访问点 、外设连接 和个人网络 ( PAN) 。
(1) 语音/ 数据访问点 语音/ 数据访问点是最先提出的应用模型 ,它的目的是通过 安全的无线链路把计算设备和通信设备连接起来 。比如 , 一台 装备了蓝牙芯片的计算机连接到一个装备了蓝牙芯片的手机上 以收取 Internet 上的 E - mail ,这时手机就是数据访问点 。换句话 说 ,如果口袋里放了手机 ,那么手里的笔记本电脑就可以上网 。 蓝牙规范允许装备了蓝牙芯片的任何设备只要位于数据访问点 的有效范围内 , 就可以轻易的上网 。当然这些数据访问点支持 的速率比现今的调制解调器更高 。 (2) 外设连接 设想键盘 、鼠标和操纵杆通过无线链路工作的情形 ,此时蓝 牙链路被嵌入到计算机内部 ,根本无需电缆接口 ,因此外设的成 本会下降 。另外 ,不少外设还可以有不同的使用环境 (而只需一 个统一的蓝牙接口) 。例如 ,一个蓝牙耳机既可以享受来自计算 机的多媒体播放 ,又可以接听电话 。 (3) 个人网络 个人网络重点解决特制 (ad2hoc ,即有意地与众不同) 个人 网络的建立和解除 。假设两个人在机场会面并交换机密文 件 , 这时只要建立一个两人之间的特制 piconet 网 , 他们就可 以快速安全地交换笔记本电脑里的资料 , 而无需担心被人窃 取。
一旦某个设备加入 piconet 中 , 它就被分配给一个 3 比特的 主动成员地址 (AMA) ,其他成员可以用其访问该设备 。一旦 pi2 conet 内有 8 个活动从属设备 , 主控设备必须把一个从属设备强 制成停等 ( Park) 模式 。在 Park 模式中 ,此设备仍然存在于 piconet 中 ,但是它释放了 AMA 地址而得到一个 8 比特的被动成员地址 ( PMA) 。AMA 和 PMA 的结合允许超过 256 个设备同时存在于一 个 piconet 中 , 但是只有 8 个具有 AMA 地址的设备 (包括主控设 备) 才能进行通信 。
1 蓝牙简介
随着计算机网络和移动电话技术的迅猛发展 , 人们越来越 感到发展微小范围内的无线数据与语音通信的迫切需要 。于是 在 1998 年 ,爱立信 、IBM、Intel 、诺基亚和东芝等公司联合推出了 一项最新的无线网络技术 ,即蓝牙 (Bluetooth) 技术 。随后这五家 公司组建了一个特殊兴趣组织 (SIG) 来负责此项技术的开发 。 1999 年 7 月份蓝牙 SIG推出了蓝牙协议的 1. 0 版 , 从而将其推 向应用阶段 。如今 , SIG已经拥有 9 个成员 , 近 100 个辅助商和 2000 多名参与者 。
为了形成 piconet ,主控蓝牙设备会用所需设备的 ID 号寻呼 这个设备 (此 ID 号是在先前的 Inquiry 中得到的) 。被呼设备将
用自己的 ID 号回应 , 然后主控设备会再发一个 FHS 包 (包括主 控设备的 ID 号和时钟偏移) 给被呼设备 , 随后被呼设备便加入 了主控设备的 piconet 中 。
3 蓝牙协议概述
蓝牙技术规范包括协议 ( Protocol) 和应用规范 ( Profile) 两个 部分 。协议定义了各功能元素 (如串口仿真协议 、逻辑链路控制 和适配协议等) 各自的工作方式 ,而应用规范则阐述了为了实现 一个特定的应用模型 , 各层协议间的运转协同机制 。显然 , Pro2 to典 型的 Profile 有拨号网络 、耳机 ( Headset) 、局域网访问和文件传输 等 , 它们分别对应一种应用模型 。图 1 简要刻画了蓝牙的协议 栈。
中间协议层包括逻辑链路控制和适配协议 (L2CAP) 、服务 发现协议 (SDP) 、串口仿真协议 (RFCOMM) 和电话通信协议 ( TCS) 。L2CAP 完成数据拆装 、服务质量控制和协议复用等功 能 ,是其他上层协议实现的基础 ,因此也是蓝牙协议栈的核心成 分 。SDP 为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服 务及其特性 。RFCOMM依据 ETSI 标准 TS07. 10 在 L2CAP 上仿真 9 针 RS232 串口的功能 。TCS 提供蓝牙设备间话音和数据的呼叫
通常未连接进 piconet 的设备处于旁观 (Standby) 模式 。此时 这些设备监听其他设备的搜询 ( Inquiry) 消息或者构建 piconet 的 请求 ( Page) 。当某个设备发出查询命令时 ,接收设备将用它们的 FHS 包发送自己的 ID 号和时钟偏移给询问者 , 以便使其形成一 个完整的覆盖范围内的设备情况表 。
蓝牙技术力图吸取通用电缆在成本 、安全和承载能力等方 面的种种优势 。即该技术必须像电缆一样安全 (支持应用层和 链路层的认证和加密) , 必须降到和电缆一样的成本 (远期蓝牙 CMOS 芯片的价格是 5 美元) , 必须可以同时连接移动用户的众 多设备 (形成微微网 , 称为 piconet , 且最多可有 8 个活动设备) , 必须支持不同 piconet 间的互连 (形成 scatternet) , 必须支持高速 率 (每个 piconet 的数据速率每秒将近 1 兆字符) , 必须支持不同 的数据类型 (声音和数据) , 必须满足低功耗和致密性要求以便 能够嵌入到小型的移动设备中 。最后 , 该技术必须具备全球通 用性以方便用户徜徉于世界的各个角落 。
蓝牙既支持电路交换也支持分组交换 。蓝牙基带帧保留 一部分时隙用于同步分组 (对应于电路交换) , 每个分组在不 同的跳频中发射 , 一个分组通常占用 1 个时隙 , 最多能扩展 到 5 个时隙 。蓝牙支持最大可达 3 个同步语音信道 , 同时也 支持非同步数据信道 , 或者一个信道同时支持同步语音和非 同步数据 。
为了形成 piconet ,蓝牙设备需要知道两个参数 ,即它希望连 接到的设备的跳转模式及其相应相位 。每个蓝牙设备都有一个 唯一的用于标识自身跳转模式的全球标识符 ( Global ID) 。在形 成 piconet 时 , 主控设备先和其他设备分享自己的 ID 号 , 再向那 些设备提供自己的时钟偏移信息 , 这些信息由所谓的跳频包 ( FHS) 发送 。
如前所述 , 蓝牙在 2. 4 GHz 的 ISM频段的 79 个信道里以跳 频方式工作 。当两个蓝牙设备成功建链后 , 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 。
电信科学 2001 年第 1 期
蓝牙核心技术
萧 杨涛
(北方交通大学现代通信研究所 北京 100044)
摘 要 本文以核心协议为切入点 ,详细阐述了蓝牙的工作原理 ,同时也对蓝牙 、IEEE802. 11 和 HomeRF 这三种主流个人无 线局域网技术作了扼要的分析比较 ,从而说明了蓝牙巨大的市场与技术优势 。 关键词 蓝牙 应用模型 核心体系结构 链路管理与控制
图 1 蓝牙协议栈
整个蓝牙协议体系结构可分为底层硬件模块 、中间协议层 (软件模块) 和高端应用层三大部分 。图 1 中所示的链路管理层 (LM) 、基带层 (BB) 和射频层 (RF) 属于蓝牙的硬件模块 。RF 层 通过 2. 4 GHz 无需授权的 ISM频段的微波 , 实现数据位流的过 滤和传输 , 它主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所满足 的要求 。BB 层负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输 。LM层负 责连接的建立和拆除以及链路的安全和控制 , 它们为上层软件 模块提供了不同的访问入口 , 但是两个模块接口之间的消息和 数据传递必须通过蓝牙主机控制器接口 ( HCI) 的解释才能进 行 。也就是说 , HCI 是蓝牙协议中软硬件之间的接口 , 它提供 了一个调用下层 BB、LM、状态和控制寄存器等硬件的统一命 令接口 。HCI 协议以上的协议软件实体运行在主机上 , 而 HCI 以下的功能由蓝牙设备来完成 , 二者之间通过传输层进行交 互。
蓝牙技术解决了小型移动设备间的无线互连问题 。它的硬 件市场非常广阔 ,涵盖了局域网络中的各类数据及语音设备 (如 计算机 、移动电话 、小型个人数字助理 ( PDA 等) 。该技术并不想 成为另一种无线局域网 (WLAN) 技术 , 显然后者在市场上已经 出现了很多成品 。虽然 WLAN 通过一个公用的主干可以有效地 连接庞大的人群 , 但蓝牙技术面向的却是移动设备间的小范围 连接 ,因而本质上说它是一种代替电缆的技术 。
蓝牙采用时分双工 ( 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包 ,首先是发送包 ,然后是接收包 。每 个包可由 1 个 、3 个或 5 个时隙组成 ,每个时隙 625 us。一个典型 的单时隙帧 (如图 2 所示) 每秒跳 1 600 次 。多时隙帧由于节省 了头信息开销而具有更高的数据速率 。比如 , 单时隙帧的单向
蓝牙设备互连形成 piconet , 每个 piconet 包括一个且只有一 个主控设备和最多 7 个从属设备 。任何一个蓝牙设备既可以成 为主控设备又可成为从属设备 。角色的分配是在 piconet 形成时 临时确定的 。一般而言 ,发出连接指令的设备将成为主控设备 , 但是蓝牙系统的“主/ 从转换”功能可使角色改变 。
蓝牙规定的天线功率以 0 dBm(1 mW) 为基准 , 最大可达 20 dBm(100 mW) , 其工作频率符合大多数国家 (如美国 、欧洲 、 日本等) 的 ISM频段标准 (之所以选取此频段是为了能达到在全 球均能运作的目标 , 即系统所需之频带必须是全球各地均能很 容易取得 , 且此频带必须是未受法规限定及公开给无线电使用 的 ,唯一符合此项要求的便是 2. 4 GHz ———称为工业 、科学 、医疗 ( ISM) 的频带) 。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带 ,因 此使用其中的任一频段都会遇到不可预测的干扰 。例如某些家 电 、无绳电话 、汽车房开门器 、微波炉等 , 都可能是干扰源 。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 。蓝 牙 通 过 跳 频 方 式 将 能 量 扩 散 到 起 始 于 2. 402 GHz 终 止 于 2. 480 GHz 的 ISM频段中 ,并将其划分为 79 个跳频信道 ,每个信 道 1 MHz 。当前 ,蓝牙 SIG正试图在全世界的范围内协调这 79 个 信道 ,并已促使日本 、西班牙等国政府调整了相应的限制政策 。 蓝牙的通信半径通常为 10 cm～10 m , 但是如果增加发射功率 , 可以将半径扩展到 100 m 外 。 4. 2 基带