無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——藍牙

2019-11-04 11:14:31

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供稿：網(wǎng)友

　　你是否正為辦公室中錯綜復(fù)雜的線纜和各種各樣的接線方式而發(fā)愁？你是否正為耳機的線太短而煩惱？你是否正為如何方便地控制紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)語音設(shè)備而絞盡腦汁？隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異的迅速發(fā)展，人們已經(jīng)無法抵制網(wǎng)絡(luò)對傳統(tǒng)生活與工作方式的影響與滲透。如何減免繁雜的連線過程，實現(xiàn)快速方便地數(shù)據(jù)與語音通信，已成為當前人們最關(guān)心的問題之一，也是網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一。為什么不能去掉這些煩人的線纜，通過其它方式通信呢？

解決這些問題的答案就是無線通信，其優(yōu)勢在于隨時隨地、隨心所欲的通信。事實上，好多年以前，標準化組織就已經(jīng)提出了一些無線通信的標準，但是由于協(xié)議的復(fù)雜性、應(yīng)用的局限性以及器件的能力等原因，一直沒有得到廣泛接受。但是隨著計算機網(wǎng)絡(luò)和移動電話技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們越來越感覺到發(fā)展一定范圍內(nèi)的無線數(shù)據(jù)與語音通信的迫切需要。于是在1998年，愛立信、IBM、Intel、諾基亞和東芝等公司聯(lián)合推出了一項最新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即藍牙(Bluetooth)技術(shù)。隨后這五家公司組建了一個非凡愛好組織(SIG：SpecialInterestGroup)來負責(zé)開發(fā)此技術(shù)及協(xié)議，如今已有1800多家公司加入。1999年7月份藍牙SIG推出了藍牙協(xié)議的1.0版，將其推向應(yīng)用階段。

藍牙技術(shù)概況
藍牙技術(shù)在推出時就瞄準了無線局域網(wǎng)的通信，在10米到100米的空間內(nèi)所有支持該技術(shù)的移動或非移動設(shè)備可以方便地建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系、進行音頻通信或直接通過手機進行Internet沖浪。其應(yīng)用范圍相當廣泛，可以應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備，如PC、撥號網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、打印機、傳真機、數(shù)碼相機、移動電話和高品質(zhì)耳機等，使用無線的方式將它們連成一個微微網(wǎng)(Piconet)，多個Piconet之間也可以互連形成Scatternet，從而方便快速地實現(xiàn)各類設(shè)備之間隨時隨地的通信。

底層硬件部分包括無線跳頻(RadioFrequency，RF)、基帶(Baseband，BB)和鏈路治理(LinkManager，LM)。RF層通過2.4GHz無需授權(quán)的ISM頻段的微波，實現(xiàn)數(shù)據(jù)位流的過濾和傳輸，本層協(xié)議主要定義了藍牙收發(fā)器在此頻帶正常工作所需滿足的要求。BB負責(zé)跳頻和藍牙數(shù)據(jù)及信息幀的傳輸。LM負責(zé)連接的建立和拆除以及鏈路安全和控制。

藍牙技術(shù)結(jié)合了電路交換與分組交換的特點，不僅可以進行異步數(shù)據(jù)通信，還可以支持多達3個同時進行的同步話音信道，還可以用一個信道同時傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音。每個話音信道支持64kb/s同步話音鏈路。異步信道可以支持一端最大速率為721kb/s，而另一端速率為57.6kb/s的不對稱連接，也可以支持43.2kb/s的對稱連接。

中間協(xié)議層包括邏輯鏈路控制和適應(yīng)協(xié)議(LogicalLinkControlandAdaptationPRotocol，L2CAP)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(ServiceDiscoveryProtocol，SDP)、串口仿真協(xié)議RFCOMM和電話通信協(xié)議(TelephonyControlProtocol，TCS)。L2CAP完成數(shù)據(jù)的拆裝、服務(wù)質(zhì)量和協(xié)議復(fù)用等功能，是其他上層協(xié)議實現(xiàn)的基礎(chǔ)。SDP為上層應(yīng)用程序提供一種機制來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可用的服務(wù)及其特性。RFCOMM基于ETSI標準TS07.10在L2CAP上仿真9針RS232串口的功能。TCS提供藍牙設(shè)備間話音和數(shù)據(jù)的呼叫控制信令。

在BB和LM上與L2CAP之間還有一個主機控制接口層(HostControllerInterface，HCI)。HCI是藍牙協(xié)議中軟硬件之間的接口，它提供了一個調(diào)用下層BB、LM、狀態(tài)和控制寄存器等硬件的統(tǒng)一命令接口。藍牙設(shè)備之間通信時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖2所示。HCI協(xié)議以上的協(xié)議軟件實體運行在主機上，而HCI以下的功能由藍牙設(shè)備來完成，二者之間通過一個對兩端透明的傳輸層進行交互。隨著對Bluetooth研究的深入，人們提出了Single－Chip結(jié)構(gòu)，即BluetoothHost與BluetoothModule合二為一，在單芯片上實現(xiàn)Bluetooth，從而省去了HCI接口部分。

在藍牙協(xié)議棧的最上部是各種高層應(yīng)用框架(Profiles)。其中較典型的有撥號網(wǎng)絡(luò)(Dial－upNetworking)、耳機(Headset)、局域網(wǎng)訪問(LAN access)、文件傳輸(FileTransfer)等，分別對應(yīng)一種應(yīng)用模式。各種應(yīng)用程序可以通過各自對應(yīng)的Profile實現(xiàn)無線通信(圖中每一個豎向的協(xié)議棧即為一種Profile，即應(yīng)用模式)。撥號網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以通過由RFCOMM仿真的串口訪問Piconet，數(shù)據(jù)設(shè)備也可由此接入傳統(tǒng)的局域網(wǎng)；用戶通過協(xié)議棧中的Aud

io層在手機和耳塞中實現(xiàn)音頻流的無線傳輸；多臺PC或筆記本電腦之間不用任何連線，即可快速靈活的傳輸文件，共享信息，多臺設(shè)備也可由此實現(xiàn)操作的同步。隨著手機功能的不斷增強，手機無線遙控也將成為藍牙技術(shù)的主要應(yīng)用方向之一。

整個藍牙協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單，使用重傳等機制保證鏈路的可靠性，在Baseband、LinkManager和應(yīng)用層中可實現(xiàn)分級的多種安全機制，通過跳頻消除網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中其他無線設(shè)備比如微波爐的干擾。遵循藍牙協(xié)議的設(shè)備將能夠用微波取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中錯綜復(fù)雜的電纜，非常方便的實現(xiàn)快速靈活、安全、低代價、低功耗的數(shù)據(jù)和話音通信，而無須購買、攜帶和使用各種電纜。由于藍牙技術(shù)能夠適合多種用途，它還可以用一條單獨的無線鏈路代替多條電纜連接，使用戶可以通過不同途徑，在不同的應(yīng)用場合中使用移動信息，讓用戶能夠真正專心于他們的工作內(nèi)容，而不必花費精力去連接紛繁復(fù)雜的線纜。

應(yīng)用前景
遵循藍牙協(xié)議的各種應(yīng)用都保證簡單易用的安裝和操作、高效的安全機制和完全的互操作性，從而實現(xiàn)隨時隨地的通信。

藍牙技術(shù)將在多種領(lǐng)域迅速發(fā)展，其典型應(yīng)用環(huán)境包括無線辦公環(huán)境(WirelessOffice)、汽車工業(yè)、信息家電、醫(yī)療設(shè)備等等，其他應(yīng)用環(huán)境如學(xué)校教育、工廠自動控制等不再一一詳述。

1.辦公環(huán)境中，無線局域網(wǎng)設(shè)備每年增長27.1％，市場價值將從1998年的3億美元飛漲到2005年的16億美元。在辦公室中藍牙設(shè)備將消除桌面上錯綜復(fù)雜的連線，通過無線接入局域網(wǎng)，實現(xiàn)文件、調(diào)制解調(diào)器、打印機和服務(wù)器的共享，同時也可應(yīng)用于無繩電話。在開辦公會議時，可以用無線的方式訪問其他成員，共享文件等信息。家庭辦公者可以在PC、電子設(shè)備、無繩電話等設(shè)備間共享話音和數(shù)據(jù)，在任何房間中訪問Internet，共享ISP連接。在旅行途中，可以就近無線接入Internet，在旅館的房間或者機場方便地訪問網(wǎng)絡(luò)。

2.藍牙技術(shù)在汽車工業(yè)中也有巨大的市場潛力。汽車的主人可由此獲得與在家中同樣的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，汽車中的電話和音頻服務(wù)將更加便利，主人可以通過移動電話控制汽車的上鎖和開啟，調(diào)節(jié)座位和溫度等環(huán)境，以及汽車中各種控制設(shè)備，同時還可以從服務(wù)中心獲得及時的路況、事故等信息。BlueTooth一旦應(yīng)用到汽車中，每年將至少產(chǎn)生五千萬臺設(shè)備的市場需求。

3.隨著家電產(chǎn)品數(shù)字化程度的不斷提高，我們可以設(shè)想把所有的信息家電通過一個遙控器來進行控制。這一個遙控器不但可以控制電視、計算機、空調(diào)器，同時還可以用作無繩電話或者移動電話，甚至可以在這些信息家電之間共享有用的信息，比如把電視節(jié)目或者電話語音錄制下來存儲到電腦中。

4.很明顯，使用藍牙互連的各種電子醫(yī)療設(shè)備具有更廣泛的應(yīng)用范圍，可以在各種設(shè)備及醫(yī)療人員之間更好的協(xié)作，出現(xiàn)緊急狀態(tài)時及時發(fā)出告警，在遠程醫(yī)療中也有很好的市場潛力。

目前，在國內(nèi)外一些聞名大公司的全力支持下，已經(jīng)有藍牙的初期產(chǎn)品問世，一些大的芯片廠商已經(jīng)開始著手改進具有藍牙功能的芯片。與此同時，一些頗具實力的軟件公司則推出了各自的協(xié)議棧軟件，與芯片廠商合作推出藍牙技術(shù)實現(xiàn)的具體方案，并且不斷開發(fā)藍牙技術(shù)的典型應(yīng)用。隨著技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展，藍牙將在人們的日常生活和工作中扮演重要角色，更迅猛地改變?nèi)藗兊纳钆c工作方式，提高人們的生活質(zhì)量。

當前藍牙技術(shù)的開發(fā)碰到的最主要問題是設(shè)備間的互通性，由于藍牙是一項新技術(shù)，其協(xié)議并沒有經(jīng)過充分的驗證與測試，而且不同廠商對協(xié)議的理解也會有偏差，因而開發(fā)出來的芯片或者協(xié)議棧可能無法互通。這就需要開發(fā)者們之間繼續(xù)相互合作，采用先進的協(xié)議開發(fā)技術(shù)，進行完善的驗證與測試。

相關(guān)技術(shù)比較
無線局域網(wǎng)是當前發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一，相應(yīng)的新技術(shù)也層出不窮，目前無線局域網(wǎng)的技術(shù)主要有IEEE802.11、HomeRF和藍牙，它們都可以工作在2.4GHz頻段上。

IEEE802.11只規(guī)定了開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI/RM）的物理層和MAC層，其MAC層利用載波監(jiān)聽多重訪問/沖突避免CSMA/CA協(xié)議，而在物理層，802.11定義了三種不同的物理介質(zhì)：紅外線、跳頻擴譜方式(FHSS:)以及直擴方式(DSSS)。802.11支持1～11Mbps較高的數(shù)據(jù)速率，但是它只支持數(shù)據(jù)通信，為進行無線數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)設(shè)備先要安裝有無線網(wǎng)卡。

另一種無線局域網(wǎng)技術(shù)HomeRF，是專門為家庭用戶設(shè)計的。HomeRF利用跳頻擴譜方式，通過家庭中的一臺主機在移動數(shù)據(jù)和語音設(shè)備之間實現(xiàn)通信，既可以通過時分復(fù)用支持語音通信，又能通過載波監(jiān)聽多重訪問/沖突避免協(xié)議提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)。同時，HomeRF提供了與TCP/IP良好的集成，支持廣播、多播和48位IP地址。

與上面兩種技術(shù)不同，藍牙技術(shù)具有一整套全新的協(xié)議，可以應(yīng)用于更多的場合。藍牙技術(shù)中的跳頻更快，因而更加穩(wěn)定，同時它還具有低功耗、低代價和比較靈活等特點。總的來講，802.11比較適于辦公室中的企業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，HomeRF可應(yīng)用于家庭中的移動數(shù)據(jù)和語音設(shè)備與主機之間的通信，而藍牙技術(shù)則可以應(yīng)用于任何可以用無線方式替代線纜的場合。目前這些技術(shù)還處于并存狀態(tài)，但是有可能引起干擾等問題，從長遠看，隨著產(chǎn)品與市場的不斷發(fā)展，它們將走向融合，而其中最有競爭力的就是藍牙技術(shù)。

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