蓝牙(bluetooth)技术概述

蓝牙(bluetooth)技术概述

1998年5月，五家世界著名的大公司－－爱立信（Ericsson）、诺基亚（Nokia）、东芝（Toshiba）、国际商用机器公司（IBM）和英特尔（Intel）联手推出了蓝牙(Bluetooth)计划。这五家公司包含了两家著名的移动通信制造公司、两家著名的便携式计算机制造公司和一家在芯片技术和数字信号处理（DSP）技术上领先的公司。

这项计划公布后，迅速得到包括摩托罗拉、朗讯、康柏、西门子、高通、3Com、TDK等大公司在内的许多厂商的支持和采纳。第一批应用“蓝牙”技术装备的产品，包括手机、电话机和便携式计算机等，在1999年的年底纷纷进入市场。

要了解蓝牙技术的原理及发展前景，首先要弄清楚什么是蓝牙！

一、什么是蓝牙

· 蓝牙(B1uetooth)含义：狼的牙齿参差不齐，却能紧紧地啮合在一起，这种设备同样会让耳机、笔记本电脑、冰箱等毫不相关的产品紧密结合在一起。由于狼牙在月光下会发出蓝光，“蓝牙”由此得名。

· 蓝牙技术实质：一种短距离无线通信标准

二、Bluetooth系统的组成

蓝牙系统由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。

１．天线单元

蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、重量轻，因此，蓝牙天线属于微带天线。

２．链路控制（固件）单元

在目前蓝牙产品中，人们使用了３个IC分别作为联接控制器、基带处理器以及射频传输／接收器，此外还使用了３０～５０个单独调谐元件。

３．链路管理（软件）单元

链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。LM能够发现其它远端LM并通过LMP（键路管理协议）与之通信。

４．软件（协议栈）单元

蓝牙的软件（协议栈）单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。它必须符合已经制定好的蓝牙规范。蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分：第一部分为核心（Core）部分，用以规定诸如射频、基带、连接管理、业务搜寻（service discovery）、传输层以及与不同通信协议间的互用、互操作性等组件；第二部分为协议子集（Profile）部分，用以规定不同蓝牙应用（也称使用模式）所需的协议和过程。

蓝牙规范的协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量（ＱｏＳ）、协议的复用和分用等功能。在设计协议栈，特别是高层协议时的原则就是最大限度地重用现存的协议，而且其高层应用协议（协议栈的垂直层）都使用公共的数据链路和物理层。

蓝牙协议可以分为４层，即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其它协议层。

三、Bluetooth系统的技术特点

1. 射频特性

蓝牙作为一种短程无线通信技术，工作在2.45GHz频段，每个收发机配置了符合IEEE 802标准的48位地址，数据频率为1Mb／s，使用扩频和跳频技术，即使在噪声环境中也可以正常无误地工作，其工作范围约

10m，如果附加功率放大，则可传输100m的距离。

2. TDMA结构

在1.0B版本的标准中，Bluetooth的基带符号速率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙

0.625ms，不排除将来采用更高的符号速率。

Bluetooth支持64kb/s的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数PCM或连续可变斜率增量调制（CVSD，Continuos Variable Slope Delta Modulation）。语音和数据可单独或同时传输。当仅传输语音时，Bluetooth设备最多可同时支持3路全双工的话音通信；当语音和数据同时传输或仅传输数据时，支持433.9 kb/s 的对称全双工通信，或723.2kb/s、57.6 kb/s 的非对称双工通信，后者特别适合无线访问Internet。 另外，还采用CRC (Cyclic Redundancy Check)、FEC (Forward Error Correction) 及ARQ (Automatic Repeat Request) 以提高通信的可靠性。

3. 使用跳频技术

ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。

跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做"伪随机码"，就是"假"的随机码）不断地从一个信道"跳"到另一个信道，只有收

发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。

与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。跳频是Bluetooth使用的关键技术之一。对应于单时隙包，Bluetooth的跳频速率为1600跳每秒，对应于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时(包括寻呼和查询)则提高为3,200跳每秒。使用这样高的跳频速率，Bluetooth系统具有足够高的抗干扰能力。

4. Bluetooth设备的组网

Blu e tooth根据网路的概念提供点对点和点对多点的无线链接。在任意一个有效通信范围内，所有设备的地位都是平等的。首先提出通信要求的设备称为主设备(Master)，被动进行通信的设备称为从设备(Slave)。

利用TDMA，一个Master最多可同时与7个Slave进行通信并和多个Slave（最多可超过200个）保持同步但不通信。一个Master和一个以上的Slave构成的网路称为Bluetooth的主从网路(Piconet)。若两个以上的Piconet之间存在著设备间的通信，则构成了Bluetooth的分散网路(Scatternet)。Piconet和Scatternet的示意图如上图所示。

基於TDMA原理和Bluetooth设备的平等性，任一Bluetooth设备在Piconet和Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，还可同时既是Master又是Slave。因此，在Bluetooth中没有基站的概念。另外，所有设备都是可移动的

5. 全球范围内的工作

Bluetooth的基本出发点是可使其设备能够在全球范围内应用於任意的小范围通信。任一Bluetooth设备，都可根据IEEE 802标准得到一个唯一的48-bit的BD_ADDR，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在BD_ADDR基础上，使用一些性能良好的演算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码(ID，Identification)在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。

6. 软件的层次结构

和许多通信系统一样，Bluetooth的通信协议采用层次结构。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体上分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口(HCI，Host Control Interface)实现高、低层的联接，后者则可不用HCI。这种层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议，各种Bluetooth设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它Bluetooth设备，从而构成Piconet或Scatternet ，实现系统提供的各种功能。

了解了蓝牙的工作原理之后，让我们再来看看蓝牙的运用范围和发展前景！

1. 各种电话系统

Bluetooth为品将会首先应用於数字手机、家庭及办公室电话、小型PBX等电话系统中，实现真正意义上的个人通信。

目前，国际上各大手机制造商都在加紧开发Bluetooth手机，无绳电话和有线电话的制造商也感受到Bluetooth带来的挑战和机遇，竞相研发带有Bluetooth的新为品，这些都将推动它迅速发展。

2. 无线电缆

无论是实验室、办公室还是家庭，计算机及其外设的应用越来越普及，它们之间的通信传统上必然要通过网线，这给使用带来很大的不便。Bluetooth基於无线电缆的概念，使这类信息传输设备除电源线外再无其它连线，甚至包括键盘、滑鼠等也采用无线传输。Bluetooth企图建立一个全无线的工作环境和生活环境，由於这些设备类多量广，无论是硬体还是软件，都有著极大的商机。

3. 无线公事包

以便携式计算机和掌上计算机为代表，采用无线方式和其他设备或网络相连接，使人们拥有一个可流动的办公室。Bluetooth标准已制定了和计算机以及与Internet、PSTN、ISDN(Integrated Services Digital Network)、LAN、WAN、xDSL (x Digital Subscriber Loop)等网路的接口协议，其目标是用单一的Bluetooth标准来建立起和众多国际标准的连接。目前它用1Mb/s的速率已完全可以胜任这些工作，将来根据IEEE 802.15的发展计划，可以将速率提高到20Mb/s以上。

4. 各类数字电子设备

数字照相机、数字摄像机等设备装上Bluetooth系统，既可免去使用电缆的不便，又可不受记忆体溢出的困扰，随时随地可将所摄图片或影像通过同样装上Bluetooth系统的手机或其他设备传回指定的计算机中。

5. 电子商务

Bluetooth的安全保密特性将大大扩展现有电子商务系统的功能。例如，可用它在很多消费场合构成电子付帐系统，宾馆接待处的电子登记服务等

6. 将来的应用

现在蓝牙技术的发展显然已经超出了当初的设想，一整套的蓝牙系统可以用一个手机控制家中的任何电器，包括加上了“蓝牙卡片”的门窗。目前爱立信已经宣布了移动电话、电话适配器、头戴式受话器(蓝牙耳机)以及PC卡等首批商用产品，具有GPRS功能的爱立信R520移动电话已经实现了蓝牙芯片内置，R320和已经上市的T28、T36则可以通过蓝牙电话适配器实现与其他蓝牙设备的“沟通”。

Bluetooth芯片的微型化和低成本将为它在家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等场合开辟广阔的应用前景。

看来蓝牙的应用前景还是很好的，但是蓝牙与其他无线通信协议有有什么不同呢？下面就比较一下蓝牙与常用的无线协议！

1、bluebooth vs IEEE 802.11

蓝牙自从出现之日起，就伴随着与IEEE802.11的争论，可到底是蓝牙还是IEEE802.11呢？

蓝牙技术是一种用于替代便携或固定电子设备上使用的电缆或连线的短距离无线连接技术。其设备使用全球通行的、无需申请许可的2.45GHz频段，可实时进行数据和语音传输 传输速率可达到10Mbps，在支持3个话音频道的同时还支持高达723.2Kbps的数据传输速率 。也就是说，在办公室、家庭和旅途中，无需在任何电子设备间布设专用线缆和连接器，通过蓝牙遥控装置可以形成一点到多点的连接，即在该装置周围组成一个“微网”，网内任何蓝牙收发器都可与该装置互通信号。而且，这种连接无需复杂的软件支持。蓝牙收发器的一般有效通信范围为10米，强的可以达到100米左右。正如爱立信蓝牙组负责人所说，设计蓝牙的最初想法是“结束线缆噩梦”。

IEEE 802.11本是无线局域网络标准 它使PC在对等的基础上互联(或用集线器和Internet网关相联)。802.11b和802.11a只是其中的两个扩展标准，802.11a工作在5GHz频段，传输速率高达54Mb／s，而工作在2.4GHz频段的802.11b则适合于家居环境。802.11b标准之所以引起了业界的普遍关注，主要是因为802.11b 是较成熟的无线技术，它已有统一的标准。与蓝牙相比较，IEEE802.11系统在开发和制造方面占据优势，并具备更高的数据传输率。现有的蓝牙规范使用信道带宽为1MHz，在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为721Kbit／s，通信范围约为10米。IEEE802.11b规范的速率定位在11Mb／s，并具备像调制解调器那样的自动下调速率，甚至有人提议将其扩展4Mb／s。与蓝牙不同的是，它覆盖的范围更宽(可达100米)，数据传输率更快。

分析制约蓝牙技术发展的因素，蓝牙芯片价格是一个大问题。目前市面推出的蓝牙芯片的最低价是8美元，对于一台生产成本不过50美元的手机，仅嵌入一个蓝牙芯片就要增加成本8美元，而且拥有蓝牙技术的手机不是光一个蓝牙芯片就能实现的，它还需要收发模块、蓝牙协议和应用程序，这无疑也要增加成本。因此，如果芯片价格不能降下来，就不可能大量生产蓝牙芯片，而任何蓝牙产品都离不开蓝牙芯片，这就制约了蓝牙产品的推出。

从目前的情况看，我们很难判断到底谁会在这场马拉松似的竞争中胜出。蓝牙只是为短距离(约10米左右)内的无线个人通信而打造的技术，它的目标是低带宽、短距离、低功耗的数据传送技术，用于PDA、手机、笔记本电脑等设备。802.11可以说是一种工业标准，只不过被延伸至家庭网络中了。它们都工作在2.4GHz频段上，今年4月份IEEE的PAN(Personal Area Network)即802.15工作组提出一项议案，这将使蓝牙和802.11b 可以同时工作，似乎看来这是最好的解决方案。

2、蓝牙 vs 红外线

蓝牙对于红外线的优势还是很明显的，无论从传输速度和传输距离还看，蓝牙大大超过红外线：

蓝牙红外线

传输速度 10Mbps 4Mbps

传输距离最大100M 最大30cm

蓝牙与红外通信协议的兼容与互操作性，保证原来基于红外通信的应用向蓝牙的平滑过度

小结：

Bluetooth使蜂房电话系统、无绳通信系统、无线局域网和因特网等现有网路增添了新功能，使各类计算机、传真机、打印机乃至各种室内电子、信息和电器设备增添了无线传输和组网的功能，应用空间将极为广阔。

可以预言，"蓝牙"将成为新的通信增长点，并成为无线局域网市场的有力竞争对象。对于GSM网络高速发展的我国而言，将具有很好的适用性

附录：

名词解释：

· Piconet：通过蓝牙技术连接在一起的所有设备被认为是一个piconet，一个piconet可以只是两台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是八台连在一起的设备。在一个piconet中，所有设备都是级别相同的单元，具有相同的权限。但是在piconet网络初建时，其中一个单元被定义为master ，其它单元被定义为slave。

· Scatternet：几个独立且不同步的piconet组成一个scatternet。

· Master unit：主单元,即在一个piconet中，其时钟和跳频顺序被用来同步其它单元的设备。

· Slave uni ts：从单元,即piconet中不是master的所有设备

摘要

Bluetooth T M wireless technology revolutionizes the personal connectivity market by providing freedom from wired connections - enabling links between mobile computers, mobile phones, portable handheld devices, and

connectivity to the Internet. Interface, synchronize, exchange? All of the above, and more. Bluetooth technology redefines the very way we experience connectivity.

Where it works

Everywhere. Hardware that complies with the Bluetooth wireless specification ensu r es communication compatibility worldwide. As a low-cost, low-power solution with industry-wide support, Bluetooth wireless technology allows you to bring connectivity with you. You define the boundaries of your productivity - in Europe, in Asia, in America, in whatever place your business may take you.

Why it works

Establishing a standard means integrating well-tested technology with the power-efficiency and low-cost of a compliant radio system (about the Specification). Establishing a standard also means a group of industry leading promoter companies who drive the specification forward (about the Bluetooth SIG). Bluetooth technology works because it has been developed as a cross industry solution that marries a vision of engineering innovation with an understanding of business and consumer expectations.

Who's making it work

Bluetooth wireless technology is supported by product and application development in a wide range of market segments, including software developers, silicon vendors, peripheral and camera manufacturers, mobile PC manufacturers and handheld device developers, consumer electronics manufacturers, car manufacturers, and test and measurement equipment manufacturers