個人化無線網絡的利器

2019-11-03 09:32:50

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供稿：網友

鄭之光衛耀輝楊紅麗（鄭州大學信息工程學院）　　摘要：系統的介紹了藍牙技術協議及應用模式，全面詳細的對藍牙技術的應用，其目前存在的問題及發展前景進行了討論。

　　關鍵詞：藍牙協議棧

　　以丹麥國王哈拉德二世（King Harald Blatand）的綽號“Blutooth”命名藍牙技術意指通過建立一種開放性的、全球統一的標準，一統近距離無線世界天下。

　　藍牙技術使得配備有藍牙功能模塊的設備方便的構成藍牙微微網（Picnet）和藍牙散射網（Scatternet），形成個人身邊的無線區域型網絡，從而共享同一個電話簿、電子郵件地址簿、電子秘書記事簿和更復雜的數據庫中的數據，并且和家居或辦公室的固定設備連接起來，利用它們更強大的數據處理功能和信息輸入／輸出功能，實現特定的需求。其設備之間可以自動進行聯絡和確認，從而通過相應的控制軟件進一步建立通信連接，實現相互間語音和文本數據的傳輸。

　　在以藍牙技術為通信支撐的網絡環境中，用戶可以通過裝有藍牙模塊的設備打電話，收發電子郵件和對智能家電設備進行控制管理，藍牙手機或者便攜設備在家中可控制各種信息家電設備；在辦公室可以做為內部的集團電話移動分機和有關設備的操作終端，方便快捷；在商場可以進行商品查詢和信用卡劃款付帳，安全可靠；在路途上可以隨時與隨身攜帶的筆記本電腦或其他信息設備連接，并可以通過交通工具內設置的嵌入藍牙技術的局域網移動接入點隨時在因特網上瀏覽，沖浪或對家居中的信息家電網絡、環境進行實時監控。藍牙技術的進一步發展和應用將對人類的工作、生活和通信方式帶來巨大的變化。

一、藍牙技術標準

　　1999年12月，藍牙特殊利益集團（Bluetooth SIG）發布了藍牙協議規范1.0B，推進了藍牙技術的發展，為克服在發展和應用過程中遇到的各類困難和爭議提供了一個解決的基礎。當前加盟SIG的公司已超過2400多家，其中包括諸如AMD、康柏、戴爾、惠普、德州儀器、高通以及卡西歐、飛利浦、三星、LG、精工、夏普等世界著名計算機行業、通信領域以及消費電子領域，甚至汽車與相機的制造生產廠家。在不久的將來，基于藍牙技術的產品將會形成一個新的浪潮而席卷全球。

　　藍牙協議規范是語音和數據無線傳輸的開放性通信標準，其目的是建立低成本、短距離的無線連接，利用可操作的無線模塊和數據通信協議開發交互性服務。

　　藍牙協議的體系結構分底層硬件模塊、中間協議層和高層應用三大部分。底層硬件部分包括無線跳頻（RF）、基帶（BB）和鏈路管理（LM）部分。它們分別定義了藍牙收發器在2.4GHz頻段上，以跳頻的方式傳輸信息幀和傳輸鏈路連接的建立／拆除以及鏈路的安全和控制所必須滿足的要求。中間協議層包括邏輯鏈路控制和適應協議（L2CAP）、服務發現協議（SDP）、串口仿真協議RFCOMM和電話通信協議（TCS）。它們分別完成數據的拆裝、服務質量控制、協議復用、發現網絡中可用的服務及服務特性、仿真R-232串口、提供藍牙設備間話音和數據的呼叫控制信令等功能。在這兩層之間規定了一個主機控制接口層（HCI）。這是協議中軟硬件之間的接口，該層以上的協議軟件實體運行在主機上，而HCI以下的功能由藍牙設備來完成。在協議體系結構的最上部是高層應用的框架（PRofiles）。目前僅規定了撥號網絡、耳機、局域網訪問、文件傳輸等常規應用，將會不斷增加。各種應用程序可以通過各自對應的Profi1e實現無線通信。

　　在這個標準的支持下，藍牙系統支持點對點和點對多點的連接，每個藍牙系統可以連接200個以上藍牙裝置。藍牙系統的傳輸特性是在供工業，科學和醫學領域自由使用的ISM2.4GHz頻段內用單工或全雙工的方式進行信息傳輸。每個藍牙信道的帶寬是1MHz，它支持三個同步數據信道或同時支持一個同步數據信道和一個異步數據信道。每個同步數據信道的數據傳輸率是64Kb/s，用于語音數據的傳輸，異步數據信道的傳輸率是下行721 Kb/s和上行57.6Kb/s，用于數字數據的傳輸。若設置為上下行對稱的傳輸方式，傳輸率上下行各是432.6kb/s。一般情況下的傳輸距離是10M（30FEET），最大可達100M，自動調整。希望達到的功率消耗水平是在待機狀態下的典型值為30微安，工作時最大值為30毫安，大約是移動電話的3％。

二、藍牙模塊及應用

　　實現一個藍牙應用系統的技術方案要點是把一個專門設計的藍牙模塊嵌入有關應用設備之內，該模塊實現藍牙協議底層功能并且具有微型、廉價和低功耗的特點。

　　藍牙模塊包括3個主要功能塊——RF收發信機單元，基帶鏈路控制器單元，以及用于鏈路管理和主控制器接口（HCI）功能的支持單元，如圖1所示。當然還有天線這一功能部件，天線可以集成到電路板上，也可作為獨立部件。全功能的藍牙模塊融入高級軟件協議（可駐存在閃速存儲器中），負責管理功能和與其它模塊的互操作。RF收發信機規范定義藍牙系統的頻帶、信道排列和收發信機特性。基帶處理器規范定義包格式、物理和邏輯信道、以及支持設備間語音和數據傳輸的不同工作模式。主控制器接口（HCI）提供藍牙模塊與主設備間的公共接口。

　　藍牙模塊的應用是廣泛的，它可以作為各種設備的適配器，為此類設備提供無線鏈路。也可以作為嵌入式系統應用于各種信息家電及智能通卡例如：（1）無線連接取代電纜：隨著通信、計算機以及信息家電的發展，各種通信設備之間的電纜連接無處不在，電纜和接口故障是有線連接的最大缺點。藍牙技術則可以使鍵盤、鼠標、打印機、網絡等設備利用無線鏈路連接而替代電纜。（2）多功能電話：可以作為蜂窩移動電話、無繩電話以及公共普通電話的電話三合一版本，實現各種環境下的電話自切換。（3）家庭信息網絡：家庭信息化是信息化發展的一種趨勢，構成家庭信息網絡是未來信息社會發展的的必然趨勢。藍牙技術注重于便攜式移動計算設備、手持式通信設備以及其他信息設備的技術規范和家庭信息網絡的組建。（4）互聯網網橋及局域網訪問：藍牙技術可以消除人們隨時隨地接入互聯網的最后10米，具有藍牙功能的筆記本電腦可以通過手機或無線Modem直接訪問Internet，多功能數據終端（DT）可經局域網訪問點（LAP）無線接入局域網。（5）數字影像服務：可用兼容藍牙技術的數碼相機拍攝相片后，傳送給其他數碼相機以及移動電話、終端臺式機、便攜式電腦和PDA。（6）智能汽車系統應用：通過車內藍牙微微網實現免提電話、鎖車、防盜、報警等各種汽車智能需求功能。同時未來的藍牙規范還可以提供車內音響、視頻、網絡服務。（7）移動辦公和電子商務：實現計算機與Internet、PSDN、ISDN、LAN/MAN／WAN及xDSL等各種設備間互聯工作，形成移動型辦公室，并可以實施電子付賬等服務。

　　如上所述，基于藍牙模塊和應用模式的藍牙產品將層出不窮，各種新型的應用也在不斷提出。隨著藍牙芯片價格的進一步降低，同時集成藍牙RF收發器、鏈路控制器和微控制器以及存儲固件程序的Flash的藍牙單芯片的出現，藍牙應用將會更加廣泛。

三、藍牙技術面臨的問題和解決前景

1.2.4GHz ISM頻段使用的電磁兼容與頻率復用問題

　　潛在的藍牙用戶關心的一個問題是在未經特許的發送器的柵內存在著干擾或性能下降。藍牙設備會與諸如無繩電話機、無線視頻設備、IEEE 802.11局域網爭奪帶寬。隨著爭奪帶寬的設備數量增加，大量的兼容設備工作在同一個局部地區時，藍牙設備的性能會下降。頻率沖突和重發數據都會使有效的數據速率減慢。模擬試驗表明，在有效范圍內即使只有6個藍牙設備，話音質量也會下降，具體要視每個微微網內的使用情況而定。因此與ISM頻段的其他設備協調工作以及頻率干擾對藍牙的廣泛應用非常重要。電氣與電子工程師學會（IEEE）業已成立了一個協調無線標準的802.15個人區域網工作小組，為此積極參與IEEE802.15的共存問題的研究將對解決此問題有重要作用。

2.藍牙的互操作性

　　互操作性一直是藍牙社團最難以排除的障礙之一。由于藍牙軟件結構的局限性，帶來藍牙互操作能力與兼容性的不足，藍牙產品可能的組合很多，制造廠商無法預計其應用軟件中的每一種組合。SIG定義了一系列應用，以便有助于保證不同制造商生產的產品之間的互操作性。目前大約有10多種應用，如一般性接入、服務發現、內部通信、串行端口、局域網接入和文件傳送。在認證過程中，制造商必須針對一種或多種應用，對每一種產品進行測試。

3.藍牙的安全性

　　雖然藍牙系統擁有跳頻技術、用戶個人標識、鏈路密鑰認證和保密密鑰加密多重處理，但鑒于藍牙系統的移動性、普遍性與無執照全面開放性，使得其安全保密問題顯得尤為敏感與重要，而且在初始密鑰的生成方面也存在著問題。初始密鑰的可靠性建立在所用PIN碼的基礎上。E22初始化密鑰生成算法的輸入參數是PIN碼。PIN碼的長度和一個隨機數字，這些都在空中傳播，對PIN碼造成不被信任的因素。當使用一個4位的PIN碼時，只有10000種可能性，所以初始化密鑰的可信度是相當低的，需要在網絡高層上實施更加復雜的安全措施。

4.藍牙專用嵌入模塊的成本和功耗

　　現在藍牙專用集成電路的價格和功耗水平還沒有降低到能被接受的程度，這就影響了當前藍牙產品的普及應用和大規模開發，隨著集成電路技術迅速發展，集成電路技術水平，集成度進一步提高，這個問題有望在近年得到解決。據悉，藍牙技術嵌入模塊的成本可望下降到5美元的水平。

5.與其它技術的競爭

　　藍牙主要是與紅外線連接，與IEEE802.11以及Home RF在速率、價格、可靠性、可用性等方面的競爭，藍牙產品應比同類產品具有更高的可靠性、兼容性以及性價比，才能保持與發揚目前已持有的綜合主導地位，在競爭中確立自己的應有地位。低廉的附加價格和極低的功耗將是藍牙技術最主要的競爭優勢。

四、光明的市場前景

　　預測指出：在全球市場范圍內，隨著藍牙技術日益完善和用戶群體的擴大，到2002年，與藍牙相關的元器件、芯片、產品及系統的銷售額將達到25億美元以上；到2004年，價格在5美元以下的藍牙芯片銷售量將達到5億套以上；藍牙產品的銷售臺數年平均增長率是360％，到2005年規模將顯著擴大，達到9.55億臺，內置藍牙芯片能高度支持數據傳輸的藍牙手機，將占全部手機的50％以上。藍牙擁有不可限量的市場前景。

　　我國具有全世界最多的人口，估計到2005年，中國的移動電話用戶量、家電量、固定電話用戶量、甚至Internet用戶及上網手機量，均可能居全球榜首。藍牙作為嵌入式設備的應用將成為最通用方式，藍牙在中國的市場潛力在全球將是最大的。據預測，中國將占整個亞太地區的65％藍牙市場份額，10年內藍牙相關產品將達到400億人民幣市場。加入WTO后的中國將面臨來自國際的競爭，中國的制造商、操作運營者、科研部門及投資商必須建立戰略合作伙伴關系，快速發展中國的藍牙民族產業以滿足中國市場的巨大需求。

摘自《數據通信》2002.1期

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