Bluetooth通信技术

Bluetooth通信技术

1.概念

蓝牙(Bluetooth®):是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4~2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波)。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制，当时是作为RS232数据线的替代方案。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。

如今蓝牙由蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group，简称SIG)管理。蓝牙技术联盟在全球拥有超过25,000家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络、和消费电子等多重领域。IEEE将蓝牙技术列为IEEE 802.15.1，但如今已不再维持该标准。蓝牙技术联盟负责监督蓝牙规范的开发，管理认证项目，并维护商标权益。制造商的设备必须符合蓝牙技术联盟的标准才能以"蓝牙设备"的名义进入市场。蓝牙技术拥有一套专利网络，可发放给符合标准的设备。蓝牙技术是实现语音和数据传输的开发式规范,是一种低成本,短距离的无线链路。除替代功能外(用无线链路替代电缆连接)还提供接入数据网功能、接口功能和组网功能。

2.系统组成

蓝牙系统由无线单元、链路控制器、链路管理器和提供到主机端接口功能的支持单元组成,如图1所示

图1蓝牙系统组成

1.无线单元——蓝牙微波收发信机

蓝牙无线单元是一个微波跳频扩频通信系统,数据和话音信息分组在指定时隙,指定跳频频率发送和接收。跳频序列由主设备设备地址决定,采用寻呼和查询方式建立信道连接。蓝牙微波收发信机的主要性能要求如下:

1蓝牙系统工作在2.4GHz ISM频段。虽全球适用,但实际配置和占用频带宽度因国家不同而不同。北美和欧洲大多数国家可用带宽为83.5 MHz,在此带宽内配置间隔为1 MHz的79个RF信道(79跳系统);在日本、法国、西班牙可用带宽较小,只配置间隔为1 MHz的23个RF信道(23跳系统)。

2蓝牙系统天线发射功率按标称0dBm设计。发射机功率分为三级:

100mW(20dBm),2.5mW(4dBm),1mW(0dBm)。对于一类设备(+20dBm),必须具有自动功率控制能力,能将其发射功率控制到+4dBm以下或更小。

3采用GFSK调制方式,BT=0.5,调制指数在0.28~0.35之间,比特1对应正频偏,比特0对应负频偏,符号实时精度优于±20×106,最小频偏不小于115 kHz。

4发射机初始频率精度在±75 kHz内。

5接收机实际灵敏度优于-70 dBm,最大可用电平大于-20 dBm。

6系统采用跳频扩频通信方式。跳频速率分别为1600跳/秒(连接状态)和3200跳/秒(寻呼和查询状态)。

7系统设计通信距离为10厘米到10米,增大发射功率可达100米。

8采用时分全双工(TDD)方式。

2.链路控制器(LC)

链路控制(基带控制)器包括基带数字信号处理的硬件部分并完成基带协议和其它底层链路规程,包括:

1建立物理链路。在主设备和从设备之间建立两种物理连接:

(1)面向连接的同步链路SCO,用于同步话音传输;

(2)无连接异步链路ACL,用于分组数据传输。

2确认分组类型。针对上述两种物理链路,有16种不同类型分组帧,其中4种是通用控制分组(两种链路通用),4种SCO分组,6种ACL分组。另外还有2种ID(身份)分组。

3产生时钟信号和随机跳频序列,完成跳频同步和定时。时钟产生器由28位计数器组成,时钟速率3.2 kHz,分辨率312.5Ls,产生625Ls、1.25 ms、1.28 s 等时钟信号,完成TDD双工TX/RX定时。随机跳频序列分为5种:信道跳频序列、寻呼跳频序列、寻呼响应跳频序列、查询跳频序列和查询响应跳频序列。信道跳频序列用于建立信道,跳频包含79个RF信道,跳变速率为1600跳/秒。其余4

种跳频序列包含32个特定频率,跳变速率为3200跳/秒,而且寻呼跳频序列和寻呼响应跳频序列,查询跳频序列和查询响应跳频序列中的跳频频率一一对应,分别用于主设备寻呼(查询)和从设备寻呼响应(查询响应)。寻呼用于对已知设备地址的蓝牙设备建立连接,查询用于发现新蓝牙设备并建立连接。

4进行信道控制和模式设置,建立连接。蓝牙设备有两种主要状态:待机状态和连接状态;7种子态:寻呼子态、寻呼搜索子态、主设备响应子态、查询子态、从设备响应子态、查询搜索子态、响应子态。蓝牙设备要建立连接,从待机状态到连接状态,需要采用寻呼和查询程序,完成各种状态的转换,并设置低功率监听模式、保持模式和休眠模式。

5执行分组的发送和接收。分组的发送和接收采用缓冲和存贮方式,由缓冲器执行。

6差错校验:基带控制器采用3种纠错方式:

(1) 1/3正向纠错编码(1/3 FEC),用于分组头纠错;

(2) 2/3正向纠错编码(2/3 FEC),用于部分分组;

(3)数据自动请求重传(AQR),用于带有CRC(循环冗余校验)的数据分组。差错校验用于提高分组传送的安全性和可靠性。

7验证和加密。验证采用口令/应答方式,在连接进程中进行,是蓝牙系统的重要组成部分。它允许蓝牙系统自行添加可信任的设备,例如只有用户自己的笔记本电脑才可以通过自己的手机进行通信。加密采用流密码加密技术,适于硬件实现。密钥长度可以是0、40或60位,密钥由高层软件管理。

3.链路管理器

链路管理器(LM)软件实现链路的建立、验证、链路配置及其协议。链路管理器可以发现其它的链路管理器,并通过连接管理协议LMP建立通信联系。链路管理器通过链路控制器提供的服务实现上述功能,链路控制器的服务项目包括: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、设置监听方式、设置保持方式、设置休眠方式。

3.软件结构和协议体系

1.软件结构和功能

蓝牙设备应具有互通性,即任何带有蓝牙标记的设备都能互通,包括软件和硬件。软件互通性要求采用相同的应用层协议。为了实现互通性,蓝牙软件构架将用现有的规范。设备兼容性要求符合蓝牙技术规范和现有协议。软件结构将实现以下功能:配置和诊断、蓝牙设备的发现、电缆仿真、与外网设备的通信、音频通信及呼叫控制、交换名片和电话号码的协议。

2.协议系统

(1)设计协议和协议栈的主要原则是尽可能地利用现有的各种高层协议,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。蓝牙协议系统中的协议按SIG(蓝牙利益集团)的需要分为4层:

(2)核心协议:包括BaseBand(基带协议)、LMP(链路管理协议)、L2CAP(逻辑链路控制和适配协议)、SDP(服务发现协议)。其中LMP和L2CAP为SIG专利协议。

(3)电缆替代协议:RFCOMM是一种仿真协议,在蓝牙基带协议上仿真RS

-232控制和数据信号,为上层协议(如OBEX)提供服务。

(4)电话传送控制协议:TCS Binary(二元电话控制协议)是面向比特的协议,定义蓝牙设备间建立数据和话音呼叫的控制信令和处理蓝牙TCS设备群的移动管