Bluetooth ---快速發展的小范圍無線通信技術

2019-11-03 09:41:56

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摘要：本文討論了Bluetooth系統的技術特點，闡述其廣泛的應用及今后的發展，最后簡要給出作者對這一課題的研究開發情況。

　　關鍵字：藍牙系統，無線個域網，跳頻技術，通信協議

一、小范圍應用的意義及巨大的市場潛力

　　隨著Internet和多媒體通信的發展，人們對寬帶無線通信的要求也越來越迫切。寬帶和大容量這一對矛盾促使著人們開發新的頻段和加緊對小范圍應用的研究，其代表性的成果有：以無線LAN (Local Area Network) 為典型應用的IEEE 802.11[1]；由若干著名公司為核心的“家用射頻工作組”( HRFWG，Home Radio Frequency Working Group )提出的、以家庭應用為主要背景的“共用無線訪問協議”( SWAP，Shared Wireless access PRotocol )[2]；由EriCSSon等公司發起成立的“藍牙特別興趣組”(BSIG，Bluetooth Special Interest Group)并提出的“藍牙系統”（Bluetooth System）[3]等。這些系統以小范圍應用和采用跳頻技術為主要特色，工作率在2.4GHz頻段，雖然其標準目前還在不斷修改，但已展現出強大的生命力，國際上一流的通信公司、計算機公司和軟件公司一方面協作攻關，另一方面也正如火如荼地開展競爭。這種適合小范圍應用的研究方興未艾并正醞釀著更大的技術突破，預計近年將可在全球范圍內獲得極為廣泛的應用。

　　從網路的角度來看，繼廣域網(WAN，Wind Area Network或城域網，MAN, Metropolitan Area Network)、局域網（LAN，Local Area Network）之后，最近人們又提出了“無線個域網”（WPAN, Wireless Personal Area Network）。這一新概念將小范圍應用提升到網路理論的高度。在短短的時間，WPAN成為一個受人矚目的新熱點，WPAN的研究組成立不到1年，就演變為IEEE的專門工作組IEEE 802.15（即WPAN Working Group，於1999年3月成立）[4,5]，可見其受重視的程度。

　　比較而言， Bluetooth系統更具有代表性，它正根據WPAN的概念向前發展。事實上，Bluetooth和WPAN的概念相輔相成，Bluetooth已經是WPAN的一個雛形。從它最初由Ericsson，IBM，Intel，Nokia和Toshiba公司作為原始發起組織而推出，1年多時間已吸引了近2000個國際上有影響的公司的參與。1999年底，美國的4家公司3COM，Lucent，Microsoft和Motorola，與上述5公司一樣作為Bluetooth的發起組織，使它在與SWAP、IEEE802.11等類似應用的標準的競爭中脫穎而出，發展前景更加明朗【6】。為了推動Bluetooth的發展，Bluetooth的標準是非專利的。Bluetooth已成為目前通信領域的一個新熱點，預計不遠的將來就可成為小范圍無線多媒體通信的國際標準。

　　小范圍的應用(或WPAN)有著巨大的市場潛力，它和大范圍快速移動情況下的應用相輔相成，互為補充，對國民經濟的發展和人們生活水平的提高都具有重要的意義。從某種意義上說，前者的市場潛力可能更為巨大，因為這種應用可在小范圍內將各種移動通信設備、固定通信設備、計算機及其終端設備、各種數字數據系統(例如數字照相機、數字攝像機等)甚至各種家用電器，使用一種廉價的無線方法建立它們之間的信息傳輸，涉及到的設備面廣量大，容易形成新的經濟增長點。

二、Bluetooth系統的技術特點

1. 射頻特性 [3,7]

　　Bluetooth設備工作在2.4 GHz的ISM(Industrial, Science and Medicine)頻段，在北美和歐洲 (法國和西班牙除外)為2400~2483.5MHz，使用79個頻道，載頻為2402+k MHz ( k = 0, 1, …，78 )；法國和西班牙使用23個頻道，載頻分別為2454+k MHz和 2449+k MHz( k = 0, 1, …，22 )，但已有提案改為統一的79個頻道，西班牙很快將有結果；日本原使用23個頻道，但自1999年10月開始已改為統一的79個頻道，原來的23個頻道所使用的2471-2497MHz頻段作為選用。無論是79個頻道還是23個頻道，頻道間隔均為1 MHz，采用時分雙工（TDD，Time Division Duplex）方式。調制方式為BT=0.5的GFSK，調制指數為0.28~0.35。最大發射功率分為三個等級，分別是：100mW (20dBm)，2.5mW (4dBm) 和1mW (0dBm)，在4~20dBm范圍內要求采用功率控制，因此，Bluetooth設備間的有效通信距離大約為10~100米。

2. TDMA結構 [3]

　　在1.0B版本的標準中，Bluetooth的基帶符號速率為1Mb/s，采用數據包的形式按時隙傳送，每時隙0.625ms，不排除將來采用更高的符號速率。Bluetooth系統支持實時的同步定向聯接和非實時的異步不定向聯接，分別成為SCO鏈路（Synchronous Connection-Oriented Link）和ACL鏈路（Asynchronous Connection-Less Link），前者主要傳送話音等實時性強的信息，在規定的時隙傳輸，后者則以數據為主，可在任意時隙傳輸。但當ACL傳輸占用SCO的預留時隙時，一旦系統需要SCO傳輸，ACL則自動讓出這些時隙以保證SCO的實時性。數據包被分成3大類：鏈路控制包、SCO包和ACL包。已定義了4種鏈路控制數據包，后兩者最多可分別定義12種，目前已分別定義了4種和7種，即共定義了15種。大多數數據包只占用1個時隙，但有些包占用3個或5個時隙。

　　Bluetooth支持64kb/s的實時語音傳輸和各種速率的數據傳輸，語音編碼采用對數PCM或連續可變斜率增量調制（CVSD，Continuos Variable Slope Delta Modulation）。語音和數據可單獨或同時傳輸。當僅傳輸語音時，Bluetooth設備最多可同時支持3路全雙工的話音通信；當語音和數據同時傳輸或僅傳輸數據時，支持433.9 kb/s 的對稱全雙工通信，或723.2kb/s、57.6 kb/s 的非對稱雙工通信，后者特別適合無線訪問Internet。另外，還采用CRC (Cyclic Redundancy Check)、FEC (Forward Error Correction) 及ARQ (Automatic Repeat Request) 以提高通信的可靠性。

3. 使用跳頻技術

　　跳頻是Bluetooth使用的關鍵技術之一。對應于單時隙包，Bluetooth的跳頻速率為1600跳　　F對應于多時隙包，跳頻速率有所降低；但在建鏈時(包括尋呼和查詢)則提高為3,200跳每秒。使用這樣高的跳頻速率，Bluetooth系統具有ì夠高的抗干擾能力。

圖1 跳頻頻率計算案
　　跳頻序列受控於Bluetooth 48-bit設備地址碼(BD_ADDR)中的28-bit和27-bit的時鐘，采用以多級蝶形運算為核心的映射方案，其示意圖如圖1。該跳頻圖案和其他方案相比，具有硬體設備簡單、性能優越、便於79/23頻段兩種系統的兼容以及各種狀態的跳頻序列使用統一的電路來實現等特點。

　　Bluetooth系統的設備有兩個主要工作狀態：守候狀態和連接狀態；七個中間臨時狀態：尋呼、尋呼掃描、查詢、查詢掃描、主設備回應、從設備回應和查詢回應。不同狀態產生不同的跳頻序列。

4. Bluetooth設備的組網及其工作狀態

　　Bluetooth根據網路的概念提供點對點和點對多點的無線鏈接。在任意一個有效通信范圍內，所有設備的地位都是平等的。首先提出通信要求的設備稱為主設備(Master)，被動進行通信的設備稱為從設備(Slave)。利用TDMA，一個Master最多可同時與7個Slave進行通信并和多個Slave（最多可超過200個）保持同步但不通信。一個Master和一個以上的Slave構成的網路稱為Bluetooth的主從網路(Piconet)。若兩個以上的Piconet之間存在著設備間的通信，則構成了Bluetooth的分散網路(Scatternet)。Piconet和Scatternet的示意圖如圖2所示。基於TDMA原理和Bluetooth設備的平等性，任一Bluetooth設備在Piconet和Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，還可同時既是Master又是Slave。因此，在Bluetooth中沒有基站的概念。另外，所有設備都是可移動的。

圖2 Piconet 和Satternet 的示意圖

5. 全球范圍內的工作

　　Bluetooth的基本出發點是可使其設備能夠在全球范圍內應用於任意的小范圍通信。任一Bluetooth設備，都可根據IEEE 802標準得到一個唯一的48-bit的BD_ADDR，它是一個公開的地址碼，可以通過人工或自動進行查詢。在BD_ADDR基礎上，使用一些性能良好的演算法可獲得各種保密和安全碼，從而保證了設備識別碼(ID，Identification)在全球的唯一性，以及通信過程中設備的鑒權和通信的安全保密。

6. 軟件的層次結構[8]

　　和許多通信系統一樣，Bluetooth的通信協議采用層次結構。其底層為各類應用所通用，高層則視具體應用而有所不同，大體上分為計算機背景和非計算機背景兩種方式，前者通過主機控制接口(HCI，Host Control Interface)實現高、低層的聯接，后者則可不用HCI。圖3給出了它的一種協議體系，從中可以看出，這種層次結構使其設備具有最大可能的通用性和靈活性。根據通信協議，各種Bluetooth設備無論在任何地方，都可以通過人工或自動查詢來發現其它Bluetooth設備，從而構成Piconet或Scatternet ，實現系統提供的各種功能。

圖3 Bluetooth的協議體系

三、廣泛的應用

　　跳頻、TDD和TDMA等技術的使用使得Bluetooth的射頻電路較為簡單，通信協議的大部分內容可以用專用積成電路和軟件來實現，因此從技術上保證了Bluetooth設備的高性能和低成本。Bluetooth使蜂房電話系統、無繩通信系統、無線局域網和因特網等現有網路增添了新功能，使各類計算機、傳真機、打印機乃至各種室內電子、信息和電器設備增添了無線傳輸和組網的功能，應用空間將極為廣闊。

　　Bluetooth的目標是在所有移動設備之間以及任何小范圍內各種信息傳輸設備乃至於各種電器設備之間建立起無線鏈接。在其1.0版本的標準中，已定義了包括使用WAP(Wireless application Protocol) 協議聯結Internet的多種應用。就目前的發展來看，Bluetooth產品將會較快地和如下設備或系統融為一體，從而提供新的服務。

1. 各種電話系統[9]

　　Bluetooth為品將會首先應用於數字手機、家庭及辦公室電話、小型PBX等電話系統中，實現真正意義上的個人通信。這樣，從消費者的角度來講既方便又節約，相當於手機既連接著蜂房系統，又連接著PSTN、辦公室電話系統、局域網及Internet，使用手機但可享受合理的通信開支；對於網路營運商來說，PSTN將增加話務量自不必說，蜂房系統由於手機的話務量被分流到PSTN及PBX等系統，看起來可能會使其收費減少，但手機的平均話務量減少將使系統容量增加，特別是隨著WAP協議的使用將使手機上網的機會越來越多，容量問題將會更加突出，因此移動通信營運商也是樂於接受Bluetooth的。目前，國際上各大手機制造商都在加緊開發Bluetooth手機，無繩電話和有線電話的制造商也感受到Bluetooth帶來的挑戰和機遇，競相研發帶有Bluetooth的新為品，這些都將推動它迅速發展。

2. 無線電纜

　　無論是實驗室、辦公室還是家庭，計算機及其外設的應用越來越普及，它們之間的通信傳統上必然要通過網線，這給使用帶來很大的不便。Bluetooth基於無線電纜的概念，使這類信息傳輸設備除電源線外再無其它連線，甚至包括鍵盤、滑鼠等也采用無線傳輸。Bluetooth企圖建立一個全無線的工作環境和生活環境，由於這些設備類多量廣，無論是硬體還是軟件，都有著極大的商機。

3. 無線公事包

　　以便攜式計算機和掌上計算機為代表，采用無線方式和其他設備或網絡相連接，使人們擁有一個可流動的辦公室。Bluetooth標準已制定了和計算機以及與Internet、PSTN、ISDN(Integrated Services Digital Network)、LAN、WAN、xDSL (x Digital Subscriber Loop)等網路的接口協議，其目標是用單一的Bluetooth標準來建立起和眾多國際標準的連接。目前它用1Mb/s的速率已完全可以勝任這些工作，將來根據IEEE 802.15的發展計劃，可以將速率提高到20Mb/s以上。

4. 各類數字電子設備

　　數字照相機、數字攝像機等設備裝上Bluetooth系統，既可免去使用電纜的不便，又可不受記憶體溢出的困擾，隨時隨地可將所攝圖片或影像通過同樣裝上Bluetooth系統的手機或其他設備傳回指定的計算機中。

　　PDA(Personal Digital Assistant)裝上Bluetooth系統后，采用無線方式收、發e-mail甚至瀏覽網頁將更為方便。

　　Bluetooth的硬體電路可以做到微型化，在Headset上應用非常合適。裝上Bluetooth系統的Headset可以使它和手機進行無線連接，也可以使人在小范圍內自由走動地打電話、收聽音樂，在較大的范圍內召開電話會議，應用前景十分誘人。

　　微型化、低功耗和低成本的特性給Bluetooth在人們日常生活中的應用開拓了近乎無限的空間。例如，Bluetooth構成的無線電電子鎖比其它非接觸式電子鎖或IC鎖具有更高的安全性和適用性，各種無線電遙控器（特別是汽ó防盜和遙控）比紅外線遙控器的功能更強大，在餐館酒樓用膳時菜單的雙向無線傳輸或招呼服務員提供指定的服務（如添茶、加某種飲料）將更為方便等。

5. 電子商務

　　Bluetooth的安全保密特性將大大擴展現有電子商務系統的功能。例如，可用它在很多消費場合構成電子付帳系統，賓館接待處的電子登記服務等。

6. 將來的應用

　　Bluetooth芯片的微型化和低成本將為它在家庭和辦公室自動化、家庭娛樂、電子商務、工業控制、智能化建筑物等場合開辟廣闊的應用前景。

四、Bluetooth系統的實現

　　低成本和小型化是制作Bluetooth設備的關鍵，ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的解決方案，包括射頻和基帶部分，是主要的途徑。現在已有多種將基帶ASIC電路和射頻ASIC電路做成一個電路模組的方案，有的樣品不到1cm2。Bluetooth系統的通信協議大部分可用軟件來實現，加載到Flash RAM中。由此可見，Bluetooth系統容易實現低成本和小型化，而且容易擴充功能，預計很快將會進入批量生產的階段。

五、結束語

　　Bluetooth是最近提出的一種小范圍信息傳輸系統，已表現出較強的生命力。東南大學移動通信國家重點實驗室較早地跟蹤這一發展，從1998年開始，和香港通訊科技中心（TTC, Telecom Technology Centre）共同研究理解Bluetooth標準，繼而合作開發Bluetooth系統，雙方都是BSIG的成員。通訊科技中心於1999年在這一項目上獲得香港特區政府“創新與科技基金（ITF, Innovation and Technology Fund）”的資助，雙方在該基金的支持下進行了更為緊密的合作，目前已基本完成了基於PC的大部分通信協議的軟件開發和部分硬體電路的研制，相信我們的研究開發成果不久即可向有興趣的廠商轉讓。

參考文獻

[1] http://www.ieee.org/groups/802/11/

[2] http://www.homerf.org

[3] Ericssion, etc. Specification of the Bluetooth System. Version 1.0B. December 1st, 1999. (見 http://www.bluetooth.com)

[4] http://www.grouper.org/groups/802/15/

[5] Ian Gifford, Bruce Kraemer. WPANs: Creating standards for Bluetooth-IEEE. Bluetooth SIGnal Newsletter, no.2, April, 2000. (見 http://www.bluetooth.com)

[6] Anders Edlund. The secret of success. Bluetooth SIGnal Newsletter, no.3, November 1999. (見 http://www.bluetooth.com)

[7] Paul Buegess. The Bluetooth Radio Specification. Bluetooth Developers Conference--- building a world without wires. December 8, 1999. (見 http://www.bluetooth.com)

[8] Jon Inouye. Bluetooth Software Overview. Bluetooth Developers Conference--- building a world without wires. December 6, 1999. (見 http://www.bluetooth.com)

[9] Michael T. Camp. WAP and Bluetooth-Beyond Cable Replacement. Bluetooth Developers Conference---building a world without wires. December 8, 1999. (見 http://www.bluetooth.com)

移動通信在線