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淺析藍牙技術

2019-11-03 09:25:45
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供稿:網友
薛平安 王永誠


  摘 要 本文概要介紹了藍牙的由來及藍牙技術的發(fā)展。文中詳細討論了藍牙技術的特點、協(xié)議標準、應用規(guī)范及安全問題。

  關鍵詞 藍牙技術 協(xié)議標準 應用規(guī)范 安全問題

1 概述

  “藍牙”是一種開放的技術規(guī)范,它可在世界上的任何地方實現(xiàn)短距離的無線語音和數(shù)據通信。藍牙技術的發(fā)展:1994年,愛立信移動通信公司開始研究在移動電話及其附件之間實現(xiàn)低功耗、低成本無線接口的可行性。隨著項目的進展,愛立信公司意識到短距無線通信(Short Distance Wireless Communication)的應用前景無限廣闊。愛立信將這項新的無線通信技術命名為藍牙(Bluetooth)。Bluetooth 取自10世紀丹麥國王 Harald Bluetooth 的名字。愛立信意識到要使這項技術最終獲得成功,必須得到業(yè)界其他公司的支持與應用。1998年5月,愛立信聯(lián)合諾基亞(Nokia)、英特爾(Intel)、IBM 、東芝(Toshiba)這4家公司一起成立了藍牙特殊利益集團(Special Interest Group,SIG),負責藍牙技術標準的制定、產品測試,并協(xié)調各國藍牙的具體使用。3Com、朗訊(Lucent)、微軟(Microsoft)和摩托羅拉(Motorola)很快加盟SIG,與SIG的5個創(chuàng)始公司一同成為SIG的9個倡導發(fā)起者。自藍牙規(guī)范1.0版推出后,藍牙技術的推廣與應用得到了迅猛發(fā)展。截至目前,SIG的成員已經超過了2 500家,幾乎覆蓋了全球各行各業(yè),包括通信廠商、網絡廠商、外設廠商、芯片廠商、軟件廠商等,甚至消費類電器廠商和汽車制造商加入了SIG。

2 藍牙技術的特點

  藍牙是一種短距無線通信的技術規(guī)范,它最初的目標是取代現(xiàn)有的掌上電腦、移動電話等各種數(shù)字設備上的有線電纜連接。在制定藍牙規(guī)范之初,就建立了統(tǒng)一全球的目標,向全球公開發(fā)布,工作頻段為全球統(tǒng)一開放的2.4GHz工業(yè)、科學和醫(yī)學(Industrial, Scientific and Medical, ISM)頻段。從目前的應用來看,由于藍牙體積小、功率低,其應用已不局限于計算機外設,幾乎可以被集成到任何數(shù)字設備之中,特別是那些對數(shù)據傳輸速率要求不高的移動設備和便攜設備。藍牙技術的特點可歸納為如下幾點:

  (1)全球范圍適用:藍牙工作在2.4GHz的 ISM頻段,全球大多數(shù)國家ISM頻段的范圍是2.4~2.4835GHz,使用該頻段無需向各國的無線電資源管理部門申請許可證。

  (2)同時可傳輸語音和數(shù)據:藍牙采用電路交換和分組交換技術,支持異步數(shù)據信道、三路語音信道以及異步數(shù)據與同步語音同時傳輸?shù)男诺馈C總€語音信道數(shù)據速率為64kbit/s,語音信號編碼采用脈沖編碼調制(PCM)或連續(xù)可變斜率增量調制(CVSD)方法。當采用非對稱信道傳輸數(shù)據時,速率最高為721kbit/s,反向為57.6kbit/s;當采用對稱信道傳輸數(shù)據時,速率最高為342.6kbit/s。藍牙有兩種鏈路類型:異步無連接(Asynchronous Connection-Less,ACL)鏈路和同步面向連接(Synchronous Connection-Oriented,SCO)鏈路。

  (3)可以建立臨時性的對等連接(Ad-hoc Connection):根據藍牙設備在網絡中的角色,可分為主設備(Master)與從設備(Slave)。主設備是組網連接主動發(fā)起連接請求的藍牙設備,幾個藍牙設備連接成一個皮網(Piconet)時,其中只有一個主設備,其余的均為從設備。皮網是藍牙最基本的一種網絡形式,最簡單的皮網是一個主設備和一個從設備組成的點對點的通信連接。

  通過時分復用技術,一個藍牙設備便可以同時與幾個不同的皮網保持同步,具體來說,就是該設備按照一定的時間順序參與不同的皮網,即某一時刻參與某一皮網,而下一時刻參與另一個皮網。

  (4)具有很好的抗干擾能力:工作在ISM頻段的無線電設備有很多種,如家用微波爐、無線局域網(Wireless Local Area Network,WLAN)和HomeRF等產品,為了很好地抵抗來自這些設備的干擾,藍牙采用了跳頻(Frequency Hopping)方式來擴展頻譜(SPRead Spectrum),將2.402~2.48GHz頻段分成79個頻點,相鄰頻點間隔1MHz。藍牙設備在某個頻點發(fā)送數(shù)據之后,再跳到另一個頻點發(fā)送,而頻點的排列順序則是偽隨機的,每秒鐘頻率改變1600次,每個頻率持續(xù)625μs。

  (5)藍牙模塊體積很小、便于集成:由于個人移動設備的體積較小,嵌入其內部的藍牙模塊體積就應該更小,如愛立信公司的藍牙模塊ROK101008的外形尺寸僅為32.8mm×16.8mm×2.95mm。

  (6)低功耗:藍牙設備在通信連接(Connection)狀態(tài)下,有四種工作模式——激活(Active)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式。Active 模式是正常的工作狀態(tài),另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。

  (7)開放的接口標準:SIG為了推廣藍牙技術的使用,將藍牙的技術標準全部公開,全世界范圍內的任何單位和個人都可以進行藍牙產品的開發(fā),只要最終通過SIG的藍牙產品兼容性測試,就可以推向市場。

  (8)成本低:隨著市場需求的擴大,各個供應商紛紛推出自己的藍牙芯片和模塊,藍牙產品價格飛速下降。

3 藍牙技術的協(xié)議標準

  SIG 所頒布的藍牙規(guī)范(Specification of the Bluetooth System)就是藍牙無線通信協(xié)議標準,它規(guī)定了藍牙應用產品應遵循的標準和需要達到的要求。

  藍牙規(guī)范包括核心協(xié)議(Core)與應用框架(Profiles)兩個文件。協(xié)議規(guī)范部分定義了藍牙的各層通信協(xié)議,應用框架指出了如何采用這些協(xié)議實現(xiàn)具體的應用產品。藍牙協(xié)議規(guī)范遵循開放系統(tǒng)互連參考模型(Open System Interconnetion/Referenced Model, OSI/RM),從低到高地定義了藍牙協(xié)議堆棧的各個層次。

  按照藍牙協(xié)議的邏輯功能,協(xié)議堆棧由下至上分為3個部分:傳輸協(xié)議、中介協(xié)議和應用協(xié)議。其功能簡介如下。

3.1 傳輸協(xié)議

  負責藍牙設備間相互確認對方的位置,以及建立和管理藍牙設備間的物理和邏輯鏈路。這一部分又進一步分為低層傳輸協(xié)議和高層傳輸協(xié)議。低層傳輸協(xié)議側重于語音與數(shù)據無線傳輸?shù)奈锢韺崿F(xiàn)以及藍牙設備的物理和邏輯鏈路。低層傳輸協(xié)議包括藍牙的射頻(Radio)部分、基帶與鏈路管理協(xié)議(Baseband && Link Manager Protocol, LMP)。高層傳輸協(xié)議包括邏輯鏈路控制的物理實現(xiàn)以及藍牙設備間的連接于組網。高層傳輸協(xié)議包括邏輯鏈路控制與適配協(xié)議(Logical Link Control and Adaptation Protocol, L2CAP)和主機控制器接口(Host Controller Interface, HCI)。這部分為高層應用程序屏蔽了諸如跳頻序列選擇等低層傳輸操作,并為高層應用傳輸提供了更加有效和更有利于實現(xiàn)的數(shù)據分組格式。

3.2 中介協(xié)議

  為高層應用協(xié)議或程序在藍牙邏輯鏈路上工作提供了必要的支持,為應用曾提供了各種不同的標準接口。這部分協(xié)議包括以下幾部分。

  1. 串口仿真協(xié)議(RFCOMM)

  基于歐洲電信標準化協(xié)會(European Telecommunication Standardization Institute, ETSI)的TS07.10標準制定。該協(xié)議用于模擬串行接口環(huán)境,使得基于串口的傳統(tǒng)應用僅作少量的修改或者不做任何修改可以直接在該層上運行。

  2. 服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議(Service Didcovery Protocol,SDP)

  為實現(xiàn)藍牙設備之間相互查詢及訪問對方提供的服務。

  3. IrDA(Infrared Data Association)互操作協(xié)議

  藍牙規(guī)范采用了IrDA的對象交換協(xié)議(OBEX),使得傳統(tǒng)的基于紅外技術的對象(如電子名片(vCard)和電子日歷(vCal)等)交換應用同樣可以運行在藍牙無線接口之上。

  網絡訪問協(xié)議:該部分協(xié)議包括點對點協(xié)議(Point to Point Protocol, PPP)、網際協(xié)議(Internet Protocol, ip)、傳輸控制協(xié)議(Transfer Control Protocol, TCP)和用戶數(shù)據報協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)等,用于實現(xiàn)藍牙設備的撥號上網,或通過網絡接入點訪問Internet 和本地局域網。

  4. 電話控制協(xié)議

  該協(xié)議包括TCS、AT指令集和音頻。電話控制協(xié)議性能(Telephone Control Protocol Specification,TCS)是基于國際電信聯(lián)盟電信標準化部門(International Telecommunication Union-Telecommunication,ITU-T)的Q.931標準制定的,用于支持電話功能;藍牙直接在基帶上處理音頻信號(主要指數(shù)字語音信號),采用SCO鏈路傳輸語音,可以實現(xiàn)頭戴式耳機和無繩電話等的應用。

3.3 應用協(xié)議

  是指那些位于藍牙協(xié)議堆棧之上的應用軟件和其中所涉及的協(xié)議,包括開發(fā)驅動各種諸如撥號上網和通信等功能的藍牙應用程序。藍牙規(guī)范提供了傳輸層及中介層定義和應用框架,在傳輸層及中介層之上,不同的藍牙設備必須采用統(tǒng)一符合藍牙規(guī)范的形式;而在應用層上,完全由開發(fā)人員自主實現(xiàn)。事實上,許多傳統(tǒng)的應用都可以幾乎不用修改就在藍牙協(xié)議堆棧之上運行,如基于串口和OBEX協(xié)議的應用。通常藍牙技術應用程序接口(application Programming Interface,API)函數(shù)的開發(fā)由開發(fā)工具的設計人員來完成,這樣有利于藍牙技術與各類應用的緊密結合。

4 藍牙應用規(guī)范

  藍牙規(guī)范的應用模式有很多,如(圖2)中所示的四種應用模式是所有用戶模式和應用的基礎,也為以后可能出現(xiàn)的用戶模式和應用提供了基礎。

  (1)通用訪問應用(GAP)模式:定義了兩個藍牙單元如何互發(fā)現(xiàn)和建立連接,它是用來處理連接設備之間的相互發(fā)現(xiàn)和建立連接的。它保證兩個藍牙設備,不管是哪一家廠商的產品,都能夠發(fā)現(xiàn)設備支持何種應用,并能夠交換信息。

  (2)服務發(fā)現(xiàn)應用(SDAP)模式:定義了發(fā)現(xiàn)注冊在其他藍牙設備中的服務的過程,并且可以獲得與這些服務相關的信息。

  (3)串口應用(SPP)模式:定義了在兩個藍牙設備間基于RFCOMM建立虛擬的串口連接的過程和要求。

  (4)通用對象交換應用(GOEP)模式:定義了處理對象交換的協(xié)議和步驟,文件傳輸應用和同步應用都是基于這一應用的,筆記本電腦、PDA、移動電話是這一應用模式的典型應用。

5 藍牙無線網絡的安全問題

  藍牙網絡與任何一種通信網絡一樣,會面對各種問題如:假冒、竊聽、未授權訪問和拒絕服務等。因此,藍牙協(xié)議體系就需要設立安全管理機制以保證通信的可靠性。

  藍牙安全體系結構為藍牙設備提出了三種安全模式:

  安全模式1——藍牙設備沒有受到任何安全保護的模式。

  安全模式2——服務級安全模式,它是建立在L2CAP層以上的安全保護模式。

  安全模式3——鏈路級安全模式,即在LMP連接建立之前要進行鑒權或數(shù)據加密。

6 結束語

  毫無疑問,藍牙技術已成為近年應用最快的無線通信技術,其席卷全球之勢不可阻擋,它必將在不久的將來滲透到我們生活的各個方面。


----《中國數(shù)據通信》

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