藍(lán)牙技術(shù)概要

2019-11-04 11:14:25

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供稿：網(wǎng)友

　藍(lán)牙技術(shù)主要面向網(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)、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話和高品質(zhì)耳機(jī)等），通過無(wú)線方式將它們連成一個(gè)微微網(wǎng)(Piconet)，多個(gè)微微網(wǎng)之間也可以互連形成分布式網(wǎng)絡(luò)(Scatternet)，從而方便、快速地實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信。它是實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范, 是一種低成本、短距離的無(wú)線連接技術(shù)。其無(wú)線收發(fā)器是很小的一塊芯片，大約有9mm×9mm，可方便地嵌入到便攜式設(shè)備中，從而增加設(shè)備的通信選擇性。藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的無(wú)連接工作，提供了接入數(shù)據(jù)網(wǎng)的功能，并且具有外圍設(shè)備接口，可以組成一個(gè)特定的小網(wǎng)。藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)包括：采用跳頻技術(shù)，抗信號(hào)衰落；采用快跳頻和短分組技術(shù)，減少同頻干擾，保證傳輸?shù)目煽啃?；采用前向糾錯(cuò)(FEC)編碼技術(shù)，減少遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的隨機(jī)噪聲影響；使用2.4GHz的ISM頻段，無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證；采用FM調(diào)制方式，降低設(shè)備的復(fù)雜性。該技術(shù)的傳輸速率設(shè)計(jì)為1MHz，以時(shí)分方式進(jìn)行全雙工通信，其基帶協(xié)議是電路交換和分組交換的組合。一個(gè)跳頻頻率發(fā)送一個(gè)同步分組，每個(gè)分組占用一個(gè)時(shí)隙，也可擴(kuò)展到5個(gè)時(shí)隙。藍(lán)牙技術(shù)支持一個(gè)異步數(shù)據(jù)通道，或3個(gè)并發(fā)的同步話音通道，或一個(gè)同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音的通道。每一個(gè)話音通道支持64kbps的同步話音；異步通道支持最大速率721kbps、反向應(yīng)答速率為57.6kbps的非對(duì)稱連接，或者是432.6kbps的對(duì)稱連接。
　　　藍(lán)牙系統(tǒng)的基本術(shù)語(yǔ) 　　* 微微網(wǎng)（Piconet）：是由采用藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備以特定方式組成的網(wǎng)絡(luò)。微微網(wǎng)的建立是由兩臺(tái)設(shè)備（如便攜式電腦和蜂窩電話）的連接開始，最多由8臺(tái)設(shè)備構(gòu)成。所有的藍(lán)牙設(shè)備都是對(duì)等的，以同樣的方式工作。然而，當(dāng)一個(gè)微微網(wǎng)建立時(shí)，只有一臺(tái)為主設(shè)備，其他均為從設(shè)備，而且在一個(gè)微微網(wǎng)存在期間將一直維持這一狀況。　　* 分布式網(wǎng)絡(luò)（Scatternet）：是由多個(gè)獨(dú)立、非同步的微微網(wǎng)形成的?！　? 主設(shè)備（Master unit）:在微微網(wǎng)中，假如某臺(tái)設(shè)備的時(shí)鐘和跳頻序列用于同步其他設(shè)備，則稱它為主設(shè)備。　　* 從設(shè)備（Slave unit）：非主設(shè)備的設(shè)備均為從設(shè)備。　　* MAC地址(MAC address)：用3比特表示的地址，用于區(qū)分微微網(wǎng)中的設(shè)備。　　* 休眠設(shè)備（Parked units）：在微微網(wǎng)中只參與同步，但沒有MAC地址的設(shè)備。　　* 監(jiān)聽及保持方式（Sniff and Hold mode）：指微微網(wǎng)中從設(shè)備的兩種低功耗工作方式。
　一、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 　　藍(lán)牙系統(tǒng)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。幾個(gè)相互獨(dú)立、以特定方式連接在一起的微微網(wǎng)構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)，各微微網(wǎng)由不同的跳頻序列來區(qū)分。在同一微微網(wǎng)中，所有的用戶均用同一跳頻序列同步。
　二、話音　　話音采用連續(xù)可變斜率調(diào)制(CVSD)編碼方式，其分組不重傳。CVSD方式抗衰落性強(qiáng)，即使在誤比特率達(dá)到4％時(shí)，其話音質(zhì)量也可接受。
　三、功能單元　　藍(lán)牙系統(tǒng)的功能單元包括以下幾個(gè)部分：　　1.無(wú)線射頻單元　　藍(lán)牙系統(tǒng)的天線發(fā)射功率符合FCC關(guān)于ISM波段的要求。由于采用擴(kuò)頻技術(shù)，發(fā)射功率可增加到100mW。系統(tǒng)的最大跳頻速率為1600跳/秒，在2.402GHz到2.480GHz之間，采用79個(gè)1MHz帶寬的頻點(diǎn)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通信距離為0.1米到10米，假如增加發(fā)射功率，這一距離也可以達(dá)到100米。
　　　2.連接控制單元　　連接控制單元（即基帶）描述了數(shù)字信號(hào)處理的硬件部分--鏈路控制器，它實(shí)現(xiàn)了基帶協(xié)議和其他的底層連接規(guī)程。　　1　網(wǎng)絡(luò)建立　　在微微網(wǎng)建立之前，所有設(shè)備都處于就緒(STANDBY)狀態(tài)。在該狀態(tài)下，未連接的設(shè)備每隔1.28秒監(jiān)聽一次消息，設(shè)備一旦被喚醒，就在預(yù)先設(shè)定的32個(gè)跳頻頻率上監(jiān)聽信息。跳頻數(shù)目因地區(qū)而異，但32個(gè)跳頻頻率為絕大多數(shù)國(guó)家所采用。　　連接進(jìn)程由主設(shè)備初始化。假如一個(gè)設(shè)備的地址已知，就采用頁(yè)信息(Page message)建立連接；假如地址未知，就采用緊隨頁(yè)信息的查詢信息(Inquiry message)建立連接。查詢信息主要用來查詢地址未知的設(shè)備(如公用打印機(jī)、傳真機(jī)等)，它與頁(yè)信息類似，但需要附加一個(gè)周期來收集所有的應(yīng)答。在初始頁(yè)狀態(tài)(PAGE state)，主設(shè)備在16個(gè)跳頻頻率上發(fā)送一串相同的頁(yè)信息給從設(shè)備，假如沒有收到應(yīng)答，主設(shè)備就在另外的16個(gè)跳頻頻率上發(fā)送頁(yè)信息。主設(shè)備到從設(shè)備的最大時(shí)延為兩個(gè)喚醒周期（2.56秒），平均時(shí)延為半個(gè)喚醒周期（0.64秒）。　　在微微網(wǎng)中，無(wú)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備轉(zhuǎn)入節(jié)能工作狀態(tài)。主設(shè)備可將從設(shè)備設(shè)置為保持方式(HOLD mode)，此時(shí)，只有內(nèi)部定時(shí)器工作；從設(shè)備也可以要求轉(zhuǎn)入保持方式。設(shè)備由保持方式轉(zhuǎn)出后，可以立即恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸。連接幾個(gè)微微網(wǎng)或治理低功耗器件（如溫度傳感器）時(shí)，常使用保持方式。監(jiān)聽方式(SNIFF mode)和休眠方式（PARK mode）是另外兩種低功耗工作方式。在監(jiān)聽方式下，從設(shè)備監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間間隔增大，其間隔大小視應(yīng)用情況由編程確定；在休眠方式下，設(shè)備放棄了MAC地址，僅偶然監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)同步信息和檢查廣播信息。各節(jié)能方式依電源效率高低排列為：休眠方式→保持方式→監(jiān)聽方式。
　　　藍(lán)牙基帶技術(shù)支持兩種連接方式：　　* 面向連接（SCO）方式：主要用于話音傳輸；　　* 無(wú)連接(ACL)方式：主要用于分組數(shù)據(jù)傳輸?！　≡谕晃⑽⒕W(wǎng)中，不同的主從設(shè)備可以采用不同的連接方式，在一次通信中，連接方式可以任意改變。每一連接方式可支持16種不同的分組類型，其中控制分組有4種，是SCO和ACL通用的分組，兩種連接方式均采用時(shí)分雙工（TDD）通信。SCO為對(duì)稱連接，支持限時(shí)話音傳送，主從設(shè)備無(wú)需輪詢即可發(fā)送數(shù)據(jù)。SCO的分組既可以是話音又可以是數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，只有數(shù)據(jù)部分需要重傳。ACL是面向分組的連接，它支持對(duì)稱和非對(duì)稱兩種傳輸流量，也支持廣播信息。在ACL方式下，主設(shè)備控制鏈路帶寬，負(fù)責(zé)從設(shè)備帶寬的分配；從設(shè)備依輪詢發(fā)送數(shù)據(jù)。
　　　2 差錯(cuò)控制基帶控制器采用3種檢糾錯(cuò)方式：　　* 1/3前向糾錯(cuò)編碼(FEC)；
　　* 2/3前向糾錯(cuò)編碼；　　* 自動(dòng)請(qǐng)求重傳(ARQ)。　　采用FEC編碼方式的目的在于減少數(shù)據(jù)重發(fā)次數(shù)，但在無(wú)差錯(cuò)環(huán)境，F(xiàn)EC方式產(chǎn)生的無(wú)用檢驗(yàn)位降低了數(shù)據(jù)吞吐量，因此，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是否采用FEC，還將視需要而定。分組報(bào)頭含有重要的連接信息和糾錯(cuò)信息，始終采用1/3 FEC方式進(jìn)行保護(hù)性傳輸。無(wú)編號(hào)ARQ方式應(yīng)用于在數(shù)據(jù)發(fā)送后的下一時(shí)隙就給出確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸，返回ACK意味著頭信息校驗(yàn)及循環(huán)冗余校驗(yàn)都正確，否則，將返回NACK。　　3 認(rèn)證與加密　　　認(rèn)證與加密服務(wù)由物理層提供。認(rèn)證采用口令--應(yīng)答方式，在連接過程中，可能需要一次或兩次認(rèn)證，或者無(wú)需認(rèn)證。認(rèn)證對(duì)任何一個(gè)藍(lán)牙系統(tǒng)都是重要的組成部分，它答應(yīng)用戶自行添加可信任的藍(lán)牙設(shè)備，例如，只有用戶自己的筆記本電腦才可以通過用戶自己的手機(jī)進(jìn)行通信。藍(lán)牙系統(tǒng)采用流密碼加密技術(shù)，適于硬件實(shí)現(xiàn)，密鑰長(zhǎng)度可以是0、40或64位，密鑰由高層軟件治理。藍(lán)牙安全機(jī)制的目的在于提供適當(dāng)級(jí)別的保護(hù)，假如用戶有更高級(jí)別的保密要求，可以使用有效的傳輸層和應(yīng)用層安全機(jī)制。
　　　3.鏈路治理　　鏈路治理器(LM)軟件實(shí)現(xiàn)鏈路的建立、認(rèn)證及鏈路配置等。鏈路治理器可發(fā)現(xiàn)其他的鏈路治理器，并通過連接治理協(xié)議(LMP)建立通信聯(lián)系，LM利用鏈路控制器(LC)提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)上述功能。 LC的服務(wù)項(xiàng)目包括：接收和發(fā)送數(shù)據(jù)、設(shè)備號(hào)請(qǐng)求、鏈路地址查詢、建立連接、認(rèn)證、協(xié)商并建立連接方式、確定分組的幀類型、設(shè)置監(jiān)聽方式、設(shè)置保持方式以及設(shè)置休眠方式等。
　　　4.軟件結(jié)構(gòu)　　藍(lán)牙設(shè)備應(yīng)具有互操作性。對(duì)于某些設(shè)備，從無(wú)線電兼容模塊和空中接口，直到應(yīng)用層協(xié)議和對(duì)象交換格式，都要實(shí)現(xiàn)互操作性；對(duì)另外一些設(shè)備（如頭戴式設(shè)備等）的要求則寬松得多。藍(lán)牙計(jì)劃的目標(biāo)就是要確保任何帶有藍(lán)牙標(biāo)記的設(shè)備都能進(jìn)行互操作。軟件的互操作性始于鏈路級(jí)協(xié)議的多路傳輸、設(shè)備和服務(wù)的發(fā)現(xiàn)，以及分組的分段和重組。藍(lán)牙設(shè)備必須能夠彼此識(shí)別，并通過安裝合適的軟件識(shí)別出彼此支持的高層功能?；ゲ僮餍砸蟛捎孟嗤膽?yīng)用層協(xié)議棧。不同類型的藍(lán)牙設(shè)備（如PC、手持設(shè)備、頭戴設(shè)備、蜂窩電話等）對(duì)兼容性有不同的要求，用戶不能奢望頭戴式設(shè)備內(nèi)含有地址簿。藍(lán)牙的兼容性是指它具有無(wú)線電兼容性，有話音收發(fā)能力及發(fā)現(xiàn)其他藍(lán)牙設(shè)備的能力，更多的功能則要由手機(jī)、手持設(shè)備及筆記本電腦來完成。為實(shí)現(xiàn)這些功能，藍(lán)牙軟件構(gòu)架將利用現(xiàn)有的規(guī)范，如OBEX、vCard/vCalendar、HID（人性化接口設(shè)備）及TCP/ip等，而不是再去開發(fā)新的規(guī)范。設(shè)備的兼容性要求能夠適應(yīng)藍(lán)牙規(guī)范和現(xiàn)有的協(xié)議。
　藍(lán)牙系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)以下功能：配置及診斷、藍(lán)牙設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、電纜仿真、與外圍設(shè)備的通信、音頻通信及呼叫控制，以及交換名片和電話號(hào)碼等。
　

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