蓝牙技术踪述

蓝牙技术踪述
赵志法
“蓝牙”是一种开放的短距离无线通信技术规范，起源于爱立信公司从1994年开始推动的一项技术开发计划。

这项新的无线通信技术被命名为“蓝牙”(Bluetooth)，名字取自10世纪丹麦国王HaraldBluetooth——这位国王统一了丹麦和挪威，而“蓝牙”的发起者想要统一无线局域网通信技术标准。

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蓝牙技术的概貌brR6ahpU5QFiAAMg
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蓝牙技术融合了无线通信技术与数据通信技术，要在所有的移动装置之间建立一种有效的无线连接。

移动电话、无线电台、笔记本电脑、手持电话、个人数字助理、数码相机、游戏机、MP3播放机、手表等，都可通过蓝牙技术连接起来。

brR6ahpU5QFiAAMg 1998年5月，爱立信公司联合英特尔、诺基亚、东芝和IBM共5家公司正式成立了一个“蓝牙特别兴趣组”(BSIG)，负责蓝牙的技术标准制定和产品测试，并协调蓝牙在各国的应用。

1999年11月，又有4家著名的美国公司——3Com、朗讯、微软和摩托罗拉加盟，与原来5个创始公司一同成为“蓝牙特别兴趣组”的9个倡导发起者，使其成为一种全球的无线技术规范。

自1999年7月BSIG推出蓝牙技术1.0版以来，蓝牙技术的推广和应用得到了迅猛发展。

截至目前，BSIG的成员已经超过了2500家，几乎覆盖了全球各行各业，包括通信、网络、外设、芯片、软件等厂商，甚至消费类电器厂商和汽车制造商也加入BSIG组织。

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蓝牙技术的工作频段为无须授权的2.4吉赫“工科医”频段；采用频率调制方式，以降低设备的复杂性；数据传输速率为1兆比特／秒，以时分方式进行全双工通信，其基带协议是电路交换和分组交换的组合。

蓝牙技术采用快速响应和跳频技术，在接收或发送一个分组数据后，随即跳到另一个频率点，跳频速率为1600跳／秒。

采用“前向纠错”编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响。

话音采用“连续可变斜率增量调制”编码方案。

1个跳频频率发送1个同步分组，每个分组占用1个时隙，也可扩展到5个时隙。

蓝牙技术支持1个异步信道，或3个并发的同步话音信道，或1个同时传送异步数据和同步话音的信道。

每个话音信道支持64千比特／秒的同步话音，异步信道的最大速率为721千比特／秒。

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蓝牙系统的天线发射功率为标称的1毫瓦。

由于采用了扩频技术，发射功率可增加到100毫瓦。

将2.402～2.480吉赫频段分成79个频率点，相邻的频率点间隔为1兆赫。

系统的最大跳频速率为1600跳／秒，每个频率持续625微秒。

系统的设计通信距离为10厘米到10米，如果增加发射功率，可以达到100米。

蓝牙技术可以在较小的范围内、通过无线连接方式实现固定设备和移动设备之间的网络互连，可以在各种设备之间实现灵活、安全、低成本、小功率的话音和数据通信。

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蓝牙系统的组成brR6ahpU5QFiAAMg
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蓝牙系统一般由天线、链路控制、链路管理和软件等单元组成。

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(1)天线单元。

体积十分小巧、重量轻，属于微带天线。

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(2)链路控制单元。

包括射频收发器、连接控制器和基带处理器3个集成芯片，以及3～5个单独调谐元件。

射频收发器将基带处理器的数据包通过无线电信号、以一定的功率和跳频频率发送出去，实现蓝牙设备的无线连接。

连接控制器负责处理基带协议和其他一些低层
常规协议。

基带处理器采用查询和寻呼方式，使跳频时钟和跳频频率同步，为数据分组提供对称连接和非对称连接，并实现数据的定义、前向纠错、循环冗余校验、逻辑信道选择、认证、加密、编解码等功能。

它采用电路交换和分组交换的混合方式，既适合于语音传送，也适合于一般的数据传送。

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(3)链路管理单元。

负责连接、建立和拆除链路，并进行安全控制。

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(4)软件单元。

蓝牙的软件(协议栈)是一个独立的操作系统，不与其他任何操作系统捆绑。

它包括：①链路管理协议。

通过对链接的发送、交换、身份认证和加密并通过协商，确定基带数据分组的大小，控制射频部分的电源模式、工作周期和网络内蓝牙设备的连接状态。

②逻辑链路控制与应用协议。

与链路管理协议平行工作，共同实现开放系统互连的数据链路层功能，可提供对称连接和非对称连接的数据服务。

③串行仿真协议。

在蓝牙的基带上仿真RS－232串口的功能，实现设备串行通信。

④服务发现协议。

按照用户需要，发现相应服务和有关设备，并给出服务与设备列表。

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蓝牙系统的工作原理brR6ahpU5QFiAAMg
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系统的基本工作原理是：一种以专用的蓝牙芯片做成的设备发送无线电信号，寻找另一个近距离范围内、采用蓝牙技术的设备：一旦找到，相互之间就开始通信和交换信息。

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蓝牙系统的点对点和点对多点通信，是借助蓝牙设备以特定方式组成的网络——“微微网”(piconet)来实现的。

在微微网建立之前，所有的设备(如便携电脑和蜂窝电话)都处于等待状态，未连接的设备每隔1.28秒监听一次信息；设备一旦被唤醒，就在预先设定的跳频频率上监听信息。

跳频数目因地区而异，但绝大多数国家采用32个跳频(3200跳／秒)。

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连接进程从主设备的初始化开始。

如果一个设备的地址已知，就采用寻呼信息方式建立连接：如果地址未知，就采用查询信息方式建立连接。

查询信息主要用来查询未知地址的设备，如公用打印机、传真机等，它与寻呼信息类似，但需要附加一个周期来收集所有的应答。

在初始寻呼状态，主设备在16个跳频频率上发送一串相同的寻呼信息给从设备；如果没有收到应答，主设备就在其他的16个跳频频率上发送寻呼信息。

主设备到从设备的平均时延为半个唤醒周期(0.64秒)，最大时延为2个唤醒周期(2.56秒)。

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在微微网中，设备在无数据传输时转入节能工作状态。

主设备可将从设备设置为保持方式，此时，只有内部定时器工作；从设备也可以自己要求转入保持方式。

设备由保持方式转出后，可以立即恢复数据传输。

连接几个微微网或管理低功耗器件(如温度传感器)时，常使用保持方式。

监听方式和休眠方式是另外两种低功耗工作方式。

在监听方式下，从设备监听网络的时间间隔增大，大小视应用情况由编程确定；在休眠方式下，设备仅偶尔监听网络同步信息和检查广播信息。

各节能方式的电源能耗由低到高依次为：休眠方式→保持方式一监听方式(见下图)。

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蓝牙基带技术支持两种连接方式：“面向连接”(SCO)方式，主要用于话音传输；以及“无连接”(ACL)方式。

两种连接方式均采用时分双工(TDD)通信，主要用于分组数据传输。

面向连接是对称连接，支持限时话音传输，主从设备无需轮询即可发送数据。

其分组既可以是话音又可以是数据，当发生中断时，只有数据部分需要重传。

无连接是面向分组的连接，它支持对称和非对称两种传输流量，也支持广播信息。

在无连接方式下，主设备控制链路的带宽，负责从设备的带宽分配；从设备依次轮询发送数据。

在同一微微网中，不同的主从设备可以采用不同的连接方式，在一次通信中，连接方式也可以任意改变。

每一连接方式可支持16种不同的分组类型，其中控制分组有4种，是面向连接和无连接的通用分组。

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蓝牙的关键技术iykIlsBkLbqV5bQH
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微微网和分散网技术iykIlsBkLbqV5bQH
微微网由2～8台蓝牙设备构成。

所有的蓝牙设备都是对等的，以同样的方式工作，然而，一个微微网只有一台为主设备，其他均为从设备，在一个微微网存在期间一直维持这一状况。

在同一微微网中，所有的用户均使用同一跳频序列同步。

蓝牙系统还允许多个微微网在同一区域内同时工作，被称为分散网络(见下图)。

几个相对独立的、以特定方式连接在一起的微微网构成一个分散网，各微微网之间用不同的跳频序列来区分。

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iykIlsBkLbqV5bQH 在微微网中，如果某台设备的时钟和跳频序列被用来同步其他的设备，则称它为主设备，非主设备的设备均为从设备。

不收发信息的休眠设备，在微微网中只参与同步。

在微微网中，从设备在监听及保持方式时，进入节电模式，处于非激活状态。

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蓝牙系统基于分组传输。

信息流被分成多个组，每个组都有相同的结构(地址、分组报头和有效负载)。

各组依据主机的标识(即物理地址)来区分，因此可以有多个组在一个微微网中互不干扰地同时工作。

由于蓝牙系统是利用不同时隙传送分组的，不同微微网之间可以互相通信。

也就是说，一台蓝牙设备可以加入到不同的微微网中；同样，一台蓝牙设备也可以通过调整微微网的信道参数(标识和时钟)从一个微微网跳到另一个微微网中，作为后一个微微网的从设备。

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跳频技术iykIlsBkLbqV5bQH
蓝牙的载频选用全球通用的2.4吉赫“工科医”频段。

该频段是对所有无线电系统开放的频段，有可能遇到不可预测的干扰，采用跳频技术是避免干扰的有效措施。

跳频技术是把使用频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器随机地从一个频率跳到另一个频率进行通信，而干扰不可能按同样的规律来进行，因而使干扰的影响变得很小。

若以2.4吉赫为中心频率，最多可有79个1兆赫带宽的信道，有效数据速率为721千比特／秒，并采用低功率时分复用方式发射。

对于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1600跳／秒，对于时隙包，跳频速率有所降低，但在建立链路时则提高为3200跳／秒。

这样高的跳频速率，使蓝牙系统具备足够高的抗干扰能力。

与工作在相同频段的其他系统相比，蓝牙系统跳频更快、数据包更短、工作更稳定。

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差错控制技术iykIlsBkLbqV5bQH
蓝牙系统采用1／3速率前向纠错编码、2／3速率前向纠错编码和自动请求重发(ARQ)三种纠错方式。

1／3速率前向纠错编码，用在分组报头和面向连接链路同步分组的有效负载上。

2／3速率前向纠错编码，用在“面向连接”链路同步分组的有效负载和“无连接”链路异步分组的有效负载上。

在“无连接”链路上，应用自动请求重发作为分组重发的算法。

蓝牙系统可采用快速自动请求重发机制，当数据在一个时隙中传送时由收方在下一个时隙确认。

如果在自动请求重发基础上加上2／3速率前向纠错编码，则生成一种混合的自动请求重发机制。

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采用前向纠错编码方式的目的，在于减少数据重发次数。

但在无差错环境下，前向纠错编码产生的无用检验位降低了数据吞吐量，因此业务数据是否采用前向纠错编码应视需要而定。

分组报头含有重要的连接信息和纠错信息，始终采用1／3速率前向纠错编码方式进行保护性传输。

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认证与加密技术iykIlsBkLbqV5bQH
蓝牙系统在3个层次上提供系统安全。

首先，如前所说，每个蓝牙单元拥有一个全球唯一的48位物理地址，数据只能由对应的蓝牙单元接收；其次，蓝牙提供一个128位密钥的身分认证机制，保证了通信双方身份的可靠性：第三，蓝牙提供一个8～128位密钥(位数在出厂前指定)的数据加密机制，保证了数据传输的可靠性。

iykIlsBkLbqV5bQH 蓝牙系统的认证采用查询／应答方式，可以是单向认证、双向认证或无须认证。

认证对任何一个蓝牙系统都是重要的组成部分，它允许用户自行添加可信任的蓝牙设备，例如，只有用户自己的笔记本电脑才可以通过用户自己的手机进行通信。

蓝牙系统采用流密码加密技术，适于硬件实现，密钥由高层软件管理。

蓝牙的安全机制可提供适当级别的保护，认证与加密服务由物理层提供。

如果用户有更高级别的保密要求，可以使用有效的传输层和应用层安全机制。

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蓝牙存在的问题iykIlsBkLbqV5bQH
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在推广应用过程中，蓝牙出现了不少阻碍其发展的问题：iykIlsBkLbqV5bQH
(1)电磁兼容性。

蓝牙设备共用的2.4吉赫频段对所有的工、科、医无线设备开放，在这个频段中有不少其他无执照运行的无线电设备同时工作。

其中，微波炉(2.45吉赫，数百一数千瓦高功率运行)等家电、无绳电话、无线局域网，以及符合HomeRF、Wi-Pi等标准的系统，都是蓝牙的重要干扰源。

蓝牙系统要小心地处理由此引发的电磁兼容性问题。

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(2)互连互通。

蓝牙标准的确立经历了几次反复，同时由于生产厂家众多、大多数蓝牙产品(包括芯片、协议栈及应用)是合作开发的，再加上蓝牙的测试、认证相当复杂，要实现不同厂家的产品互连互通很困难。

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(3)保密安全。

诺基亚公司曾证实，其蓝牙手机有被攻击的危险索尼·爱立信公司也证实，两款索爱手机和三款爱立信手机也有可能受到类似的攻击。

由于蓝牙技术存在漏洞，攻击者可以在未经用户许可、甚至用户根本不知道的情况下连接用户的蓝牙手机，下载、修改和复制用户手机上的电话薄、日程表等个人信息。

攻击者还可以入侵具备蓝牙功能的电脑，远程连接用户的手机(即使这些蓝牙手机没有与其他设备相连)，获取用户手机中的资料。

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(4)价格偏高。

价格是蓝牙技术生存的命脉，“蓝牙特别兴趣组”希望将蓝牙芯片的价格控制在5美元左右，将支持蓝牙规范2．0的芯片控制在10美元以下。

当前，由于蓝牙芯片的价格偏高，导致蓝牙产品的价格居高不下，因此阻碍了蓝牙技术的推广。

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(5)使用不便。

消费者打开包装盒后，应该在几分钟内就能启动并运行这个产品。

但是很多蓝牙产品不是这样，操作过于复杂，这也可能导致蓝牙推广速度减缓。

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蓝牙技术的发展趋势iykIlsBkLbqV5bQH
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(1)向单芯片方向发展。

用户看到的蓝牙是各种时尚的电子产品(如蜂窝电话手机)，而其核心则是嵌入其中的专用半导体集成电路芯片。

这些蓝牙芯片必须小巧、廉价、结构紧凑和功能强大，发展单芯片是重要的技术途径。

目前，单芯片的发展已有所突破。

如法国阿尔卡特微电子公司用于蓝牙的单芯片大规模集成电路，剑桥硅无线电(CSR)公司也推出嵌入电池中的单芯片蓝牙集成电路BlueCore 01。

随着各公司陆续推出新产品，预计蓝牙芯片的价格将持续下降。

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(2)与其他技术共存。

蓝牙是重要的无线局域网技术，但无线局域网的实现需要多种技术的结合。

比如蓝牙技术与涉及10米近距离无线通信技术的IEEE 802.11b标准的融合，开发可以同时接收和发送全球移动通信系统(GSM)和全球定位系统(GPS)信号的单芯片蓝牙系统：取蓝牙技术与超宽带无线技术之长等等。

以便进一步拓展蓝牙技术，满足高速度同步传输大容量数据的需求，实现便携式设备的高质量视频应用。

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(3)解决抗干扰问题。

由于IEEE802.11b标准的无线局域网和蓝牙的载波都使用2.4吉赫频段，在同时收发这两种规格的数据时，有可能引起数据包冲突等电波干扰。

美国Mobilian 公司推出了兼具无线局域网和蓝牙功能、由2个芯片构成的芯片组，这种芯片组消除了电波干扰，可同时进行两种规格的数据通信。

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(4)解决兼容性问题。

蓝牙只有成为无线通信的“世界语”才有意义。

目前，蓝牙产品
一致性测试已经没有问题，但是在互通上问题很多。

“蓝牙特别兴趣组”已召集制造商开了两次会议，测试各蓝牙产品基础组件间的兼容情况，并解决测试中发现的不兼容问题。

在操作系统方面，PocketPC、Windows 、苹果电脑的MacOSX操作系统、Palm与多数手机操作系统以及WindowsXP操作系统，都支持蓝牙技术。

以IBM为首的许多计算机厂商正在努力达成协议，为个人计算机平台制定蓝牙标准，以解决不同设备之间的兼容性。

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(5)支持漫游功能。

蓝牙技术可以在微微网或分散网之间切换，但每次切换都必须断开与当前局域网的连接。

为解决此问题，Commil技术公司设计了一种系统，即使在不同的蓝牙模式之间漫游，仍可以维持连续、不中断的数据和声音交流。

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蓝牙的应用与市场前景FWjSuZkBdqlsZIyk
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蓝牙技术的最终目标是要建立一种全球统一的无线连接标准，使不同厂家生产的各种移动、便携设备和固定终端，在短距离内不用线缆即可自动彼此连接，实现信息的自动交换和处理。

目前，蓝牙技术的开发重点是多点连接，即一台设备同时与多台(最多7台)其他设备互联。

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蓝牙技术主要有以下3类应用：语音／数据接入，是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的连接；外围设备互连，是指将各种设备通过蓝牙链路链接到主机上；个人局域网(PAN)，主要用于个人网络与信息的共享与交换。

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蓝牙产品涉及笔记本电脑、移动电话等信息设备，以及汽车电子、家用电器和工业设备领域。

蓝牙在个人局域网中获得了很大的成功，其应用包括无绳电话、个人数字助理与计算机的互联，笔记本电脑与手机的互联，以及无线RS232、RS 485接口等。

IBM、索尼和东芝等公司已经推出同时支持蓝牙和802．11b标准的笔记本电脑。

微软也表示，一旦支持蓝牙的外围设备开始问世，出现了足够多的设备驱动程序，他将在Win－dowsXP中增加对蓝牙的支持。

韩国的许多公司也利用在手机、电脑开发制造上的优势，积极介入蓝牙技术的研发，并不断有产品推出。

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2003年，世界上只有约20％的手机在出厂时安装了蓝牙芯片，具备蓝牙功能的设备约有2亿台，2004年，具备蓝牙功能的设备约有4～5亿台，其中美国约1亿台。

美国一家高科技市场调研机构预计，2005年，50％以上的手机将应用蓝牙芯片，具备蓝牙功能的设备将达到9.55亿台。

个人电脑与笔记本电脑配置蓝牙芯片将是今后的重头戏，蓝牙技术还将渗入到打印机、扫描仪、数码相机等硬件设备中。

今年年底，世界19％的数码相机将嵌入蓝牙芯片。

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目前，蓝牙设备一般由2～3个芯片组成，价格已低达8美元／片，并逐步向5美元／片迈进。

业内人士分析，随着芯片价格、芯片大小以及可操作性、兼容性等问题的进一步解决，蓝牙的市场前景必定会更好。

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相关链接FWjSuZkBdqlsZIyk
蓝牙技术在军事通信中的应用FWjSuZkBdqlsZIyk
蓝牙技术是公开的无线数据和话音通信标准。

它将所有的技术和软件集成在9×9毫米的微芯片内，发射功率为标称的1毫瓦，通信距离为0.1米～10米；若发射功率增至100毫瓦，通信距离可增加到100米。

加上蓝牙技术的抗干扰性和安全性好，设备可以做得很轻小；因此蓝牙设备能够安装在指战员的头盔上或放在口袋内，作为连以下部队一种非常好的
野战通信手段。

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蓝牙设备可利用多个独立的、非同步的“微微网”(piconet)，组成一个个独立的分散网络，解决连、排、班直到战士的通信问题，如图所示。

只要把分组报头内的从设备地址码由3比特变成4比特，一个微微网内的蓝牙设备就可以由8台变为16台，能够满足连、排、班直到战士的通信，并且可以较好地解决通信中的抗干扰和安全保密问题。

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FWjSuZkBdqlsZIyk 蓝牙设备还可用于深入敌后的侦察小分队的内部通信，在野战指挥所内替代部分有线电缆，以及用于设备间的遥控和单兵信息系统等。

蓝牙要想作为一种独立使用的军事通信设备，自然还要考虑如小型无线耳机和小型无线话筒等末端设备。

蓝牙技术在军事通信中的应用前景广阔，有待我们去研究与开发。