個(gè)人區(qū)域無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)——藍(lán)牙

2019-11-03 09:50:09

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個(gè)人區(qū)域無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)——藍(lán)牙（鄧矣兵、丁善容）摘要：隨著Internet和移動(dòng)通信的空前發(fā)展和相互融合，出現(xiàn)了許多新技術(shù)和新標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙就是其中的一種無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，它能使網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音設(shè)備互連互通，實(shí)現(xiàn)快速靈活的通信。文章介紹藍(lán)牙的主要技術(shù)，并分析其協(xié)議錢的分層結(jié)構(gòu)和各層提供的服務(wù)。關(guān)鍵詞：無(wú)線通信 Internet 藍(lán)牙移動(dòng)通信近年來(lái)，Internet和移動(dòng)通信已成為信息產(chǎn)業(yè)中增長(zhǎng)最快的兩大領(lǐng)域，極大地推動(dòng)了各種網(wǎng)絡(luò)信息產(chǎn)品的飛速發(fā)展。伴隨著21世紀(jì)的鐘聲，IT領(lǐng)域迎來(lái)了一項(xiàng)嶄新的無(wú)線通信技術(shù)——藍(lán)牙（Bluetooth）。它推動(dòng)和擴(kuò)大了無(wú)線通信的應(yīng)用范圍，使網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)和語(yǔ)音設(shè)備能互連互通，實(shí)現(xiàn)個(gè)人區(qū)域內(nèi)的快速靈活的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信。藍(lán)牙是由愛立信、IBM、英特爾、諾基亞和東芝這五大公司于1998年5月聯(lián)合推出的一項(xiàng)旨在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語(yǔ)音設(shè)備（如PC、撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、打印機(jī)、傳真機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話、高品質(zhì)耳機(jī)等）互連的計(jì)劃，并為紀(jì)念第一個(gè)統(tǒng)一北歐語(yǔ)言的人Norse國(guó)王而命名為藍(lán)牙。該計(jì)劃公布后，迅速得到了摩托羅拉、朗訊、康柏、西門子、高通、3Com、TDK等公司的廣泛支持，并共同成立了藍(lán)牙特別興趣小組（Bluetooth SPecial Interest Group）來(lái)負(fù)責(zé)該項(xiàng)工作。本文從應(yīng)用的角度分析了藍(lán)牙的主要技術(shù)、協(xié)議棧伯分層結(jié)構(gòu)和各層提供的服務(wù)。一、主要技術(shù) 藍(lán)牙技術(shù)涉及一系列軟硬件技術(shù)、方法和理論，包括無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，軟件工程、軟件可靠性理論，協(xié)議的正確性驗(yàn)證、形式化描述和一致性與互聯(lián)測(cè)試技術(shù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Embedded RTOS），跨平臺(tái)開發(fā)和用戶界面圖形化技術(shù)，軟硬件接口技術(shù)（如RS232，UART，USB等），高集成、低功耗芯片技術(shù)等。藍(lán)牙的目標(biāo)是提供一種通用的無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)，用微波取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中錯(cuò)綜復(fù)雜的電纜，在藍(lán)牙設(shè)備間實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本低功耗的數(shù)據(jù)和話普通信。因此，其載頻選用在全球都可用的2.45 GHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM）頻帶。藍(lán)牙收發(fā)信機(jī)采用跳頻擴(kuò)譜（Frequency HoppingSPRead Spectrum）技術(shù)，在2.45 GHz ISM頻帶上以1600跳／s的速率進(jìn)行跳頻。依據(jù)各國(guó)的具體情況，以2.45 GHz為中心頻率，最多可以得到79個(gè)1MHz帶寬的信道。除采用跳頻擴(kuò)譜的低功率傳輸外，藍(lán)牙還采用鑒權(quán)和加密等措施來(lái)提高通信的安全性。在發(fā)射帶寬為1MHz時(shí)，其有效數(shù)據(jù)速率為721 kbit/S，并采用低功率時(shí)分復(fù)用方式發(fā)射，適合30英尺（約10 m）范圍內(nèi)的通信。數(shù)據(jù)包在某個(gè)載頻上的某個(gè)時(shí)隙內(nèi)傳遞，不同類型的數(shù)據(jù)（包括鏈路管理和控制消息）占用不同信道，并通過(guò)查詢（inguiry）和尋呼（paging）過(guò)程來(lái)同步跳頻頻率和不同藍(lán)牙設(shè)備的時(shí)鐘。藍(lán)牙支持點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，可采用無(wú)線方式將若干藍(lán)牙設(shè)備連成一個(gè)微微網(wǎng)（Piconet），多個(gè)微波網(wǎng)又可互連成特殊分散網(wǎng)（ad hoc scatternet），形成靈活的多重微微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的快速通信。它能在一個(gè)微微網(wǎng)內(nèi)尋址8個(gè)設(shè)備（實(shí)際上互聯(lián)的設(shè)備數(shù)量是沒(méi)有限制的，只不過(guò)在同一時(shí)刻只能激活8個(gè)，其中1個(gè)為主,7個(gè)為從）。二、藍(lán)牙協(xié)議棧藍(lán)牙規(guī)范是為個(gè)人區(qū)域內(nèi)的無(wú)線通信制定的協(xié)議，它包括兩部分：卷1為核心（Core）部分，用以規(guī)定諸如射頻、基帶、連接管理、業(yè)務(wù)搜尋（service discovery）、傳輸層以及與不同通信協(xié)議間的互用、互操作性等組件；卷2為協(xié)議子集（Profile）部分，用以規(guī)定不同藍(lán)牙應(yīng)用（也稱使用模式）所需的協(xié)議和過(guò)程。藍(lán)牙規(guī)范的協(xié)議棧仍采用分層結(jié)構(gòu)，分別完成數(shù)據(jù)流的過(guò)濾和傳輸、跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數(shù)據(jù)的拆裝、業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）、協(xié)議的復(fù)用和分用等功能。在設(shè)計(jì)協(xié)議棧，特別是高層協(xié)議時(shí)的原則就是最大限度地重用現(xiàn)存的協(xié)議，而且其高層應(yīng)用協(xié)議（協(xié)議棧的垂直層）都使用公共的數(shù)據(jù)鏈路和物理層。藍(lán)牙協(xié)議可以分為4層，即核心協(xié)議層、電纜替代協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和采納的其它協(xié)議層。 1．核心協(xié)議藍(lán)牙的核心協(xié)議由基帶、鏈路管理（LMP）、邏輯鏈路控制與適應(yīng)協(xié)議（L2CAP）和業(yè)務(wù)搜尋協(xié)議（SDP）等四部分組成。從應(yīng)用的角度看，射頻、基帶和LMP可以歸為藍(lán)牙的低層協(xié)議，它們對(duì)應(yīng)用而言是十分透明的。基帶和LMP負(fù)責(zé)在藍(lán)牙單元間建立物理射頻鏈路，構(gòu)成微微網(wǎng)。此外，LMP還要完成像鑒權(quán)和加密等安全方面的任務(wù)，包括生成和交換加密鍵、鏈路檢查、基帶數(shù)據(jù)包大小的控制、藍(lán)牙無(wú)線設(shè)備的電源模式和時(shí)鐘周期、微微網(wǎng)內(nèi)藍(lán)牙單元的連接狀態(tài)等。邏輯鏈路控制與適應(yīng)協(xié)議（L2CAP）完成基帶與高層協(xié)議間的適配，并通過(guò)協(xié)議復(fù)用、分用及重組操作為高層提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和分類提取，它允許高層協(xié)議和應(yīng)用接收或發(fā)送長(zhǎng)達(dá)64 K字節(jié)的L2CAP數(shù)據(jù)包。業(yè)務(wù)搜尋協(xié)議（SDP）是極其重要的部分，它是所有使用模式的基礎(chǔ)。通過(guò)SDP，可以查詢?cè)O(shè)備信息、業(yè)務(wù)及業(yè)務(wù)特征，并在查詢之后建立兩個(gè)或多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間的連接。SDP支持3種查詢方式：按業(yè)務(wù)類別搜尋、按業(yè)務(wù)屬性搜尋和業(yè)務(wù)瀏覽（browsing）。 2．電纜替代協(xié)議串行電纜仿真協(xié)議（RFCOMM）像SDP一樣位于L2CAP之上，作為一個(gè)電纜替代（cable replacement）協(xié)議，它通過(guò)在藍(lán)牙的基帶上仿真RS－232的控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，為那些將串行線用作傳輸機(jī)制的高級(jí)業(yè)務(wù)（如OBEX協(xié)議）提供傳輸能力。該協(xié)議由藍(lán)牙特別興趣小組在ETSI的TS07.10基礎(chǔ)上開發(fā)而成。 3．電話控制協(xié)議電話控制協(xié)議包括電話控制規(guī)范二進(jìn)制（TCSBIN）協(xié)議和一套電話控制命令（AT-commands）。其中，TCS BIN定義了在藍(lán)牙設(shè)備間建立話音和數(shù)據(jù)呼叫所需的呼叫控制信令；AT-commands。則是一套可在多使用模式下用于控制移動(dòng)電話和調(diào)制解調(diào)器的命令，它由藍(lán)牙特別興趣小組在ITU－T Q.931的基礎(chǔ)上開發(fā)而成。 4．采納的其它協(xié)議電纜替代層、電話控制層和被采納的其它協(xié)議層可歸為應(yīng)用專用（application-specific）協(xié)議。在藍(lán)牙中，應(yīng)用專用協(xié)議可以加在串行電纜仿真協(xié)議之上或直接加在L2CAP之上。被采納的其它協(xié)議有PPP，UDP／TCP／ip，OBEX，WAP，WAE，vCard，vCalendar等。在藍(lán)牙技術(shù)中，PPP運(yùn)行于串行電纜仿真協(xié)議之上，用以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的連接。UDP／TCP／IP由IETF定義，主要用于Internet上的通信。IroBEX（short OBEX）是紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA）開發(fā)的一個(gè)會(huì)話協(xié)議，能以簡(jiǎn)單自發(fā)的方式交換目標(biāo)，OBEX則采用客戶一服務(wù)器模式提供與HTTP相同的基本功能。WAP是由WAP論壇創(chuàng)建的一種工作在各種廣域無(wú)線網(wǎng)上的無(wú)線協(xié)議規(guī)范，其目的就是要將Internet和電話業(yè)務(wù)引入數(shù)字蜂窩電話和其它無(wú)線終端。vCald和vCalendar則定義了電子商務(wù)卡和個(gè)人日程表的格式。在藍(lán)牙協(xié)議棧中，還有一個(gè)主機(jī)控制接口（HCI）和音頻（Audio）接口。HCI是到基帶控制器、鏈路管理器以及訪問(wèn)硬件狀態(tài)和控制寄存器的命令接口。利用音頻接口，可以在一個(gè)或多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間傳遞音頻數(shù)據(jù)，該接口與基帶直接相連。三、發(fā)展前景隨著Internet和移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，人們對(duì)電話通信以外的各種數(shù)據(jù)資源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求正在日益增長(zhǎng)，并出現(xiàn)了諸如筆記本電腦，手持式計(jì)算機(jī)（HPC），個(gè)人數(shù)字助理（PDA）和能夠提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、上網(wǎng)服務(wù)的數(shù)字蜂窩移動(dòng)電話等電子信息產(chǎn)品。藍(lán)牙作為一個(gè)全球公開的無(wú)線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)把各種語(yǔ)音和數(shù)據(jù)設(shè)備用無(wú)線鏈路連接起來(lái)，使人們能隨時(shí)隨地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸。無(wú)疑，它將在人們的日常生活和工作中扮演重要的角色，其市場(chǎng)潛力巨大，正成為21世紀(jì)的投資熱點(diǎn)。

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