蓝牙技术及其系统原理

蓝牙技术及其系统原理

“蓝芽”（Bluetooth）技术是由世界著名的5家大公司――爱立信（Ericsson）、诺基亚 (Nokia)、东芝(Toshiba)、国际商用机器公司(IBM)、英特尔(Intel)，于1998年5月联合宣布的一种无线通信新技术。它是针对目前相距很近的便携式设备之间的链接主要是用红外线链路 (infrared lind,简称IrDA)进行而提出的。应用红外线收发器链接虽然能免去电线或电缆的连接，但是使用起来有许多不便，不仅距离只限于1~2m，而且必须在视线上直接对准，中间不能有任何阻挡，同时只限于在两个设备之间进行链接，不能同时链接更多的设备。另一方面，人们对无线电通信技术很熟悉，无线电技术能实现远距离的通信，可以实现卫星通信以至宇宙太空的通信。但人们也许没有注意到，在同一间屋内或在相距咫尺的地方，无线电也能发挥巨大的作用。“蓝芽”技术的目的是使特定的移动电话、便携式电脑以及各种便携式通信设备的主机之间在近距离内实现无缝的资源共享。
1. 蓝芽技术
“蓝芽”（Bluetooth）原为欧洲中世纪的丹麦国王Harald II的名字，他为统一四分五裂的瑞典、芬兰、丹麦有着不朽的功劳。瑞典的Ericsson公司为这种即将成为全球通用的无线技术命此名，也许大有一统天下的含义。
蓝芽技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口（radio air interface）及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、相互操作的性能（interoperability）。其程序写在一个9mm×9mm的微芯片中。
“蓝芽”技术的作用是简化小型网络设备（如移动PC、掌上电脑、手机）之间以及这些设备与Internet之间的通信，免除在无绳电话或移动电话、调制解调器、头套式送/受话器、PDAs、计算机、打印机、幻灯机、局域网等之间加装电线、电缆和连接器。而且，这种技术可以延伸到那些完全不同的新设备和新应用中去。例如，如果把蓝芽技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的令人讨厌的连接电缆而通过无线使其建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝芽系统的一部分。除此之外，蓝芽无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。
“蓝芽”技术的无线电收发器的连接距离可达30英尺，不限制在直线范围内，甚至设备不在同一间房内也能相互链接；并且可以链接多个设备，最多可达7个，这就可以把用户身边的设备都链接起来，形成一个“个人区域的网络”（Personal area network）。
2. 蓝芽系统
在了解蓝芽系统结构之前，先熟悉蓝芽系统几个常用的专有名词。
Piconet：通过蓝芽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8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。
Master unit：其它单元，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 units：从单元，即piconet中不是master的所有设备。
Scatternet：几个独立且不同步的piconet组成一个scatternet。
Mac address：用来区分piconet中各单元的长度为3比特的地址。
Parked units：暂停单元，即piconet中与网络保持同步但没有Mac address的设备。
Sniff and hold mode：呼吸与保持模式，与网络同步但进入睡眠状态以节省能源的一种工作模式。
蓝芽系统一般由以下4个功能单元组成：天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝芽软件（协议）单元。
2.1天线单元
蓝芽要求其天线部分体积十分小巧、重量轻，因此，蓝芽天线属于微带天线。蓝芽空中接口是建立在天线电平为0dBm的基础上的。空中接口遵循Federal Communications Commission(简称FCC，即美国联邦通信委员会)有关电平为0dBm的ISM频段的标准。如果全球电平达到100mW以上，可以使用扩展频谱功能来增加一些补充业务。频谱扩展功能是通过起始频率为2.402GHz，终止频率为2.480GHz，间隔为1MHz的79个跳频频点来实现的。出于某些本地规定的考虑，日本、法国和西班牙都缩减了带宽。最大的跳频速率为1660跳/s。理想的连接范围为100mm~10m。但是通过增大发送电平可以将距离延长至100m。
蓝芽工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段。蓝芽的数据速率为1Mb/s。 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，蓝芽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，而其它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成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能造成的影响变得很小。时分双工（Time Division Duplex，简称TDD）方案被用来实现全双工传输。
与其它工作在相同频段的系统相比，蓝芽跳频更快，数据包更短，这使蓝芽比其它系统都更稳定。FEC（Forward Error Correction,前向纠错）的使用抑制了长距离链路的随机噪音；应用了二进制调频（FM）技术的跳频收发器被用来抵制干扰和防止衰落。
2.2链路控制（固件）单元
在目前蓝芽产品中，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。
基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。
基带控制器有3种纠错方案：1/3比例前向纠错（FEC）码；2/3比例前向纠错码；数据的自动请求重发方案。
采用FEC（前向纠错）方案的目的是为了减少数据重发的次数，降低数据传输负载。但是要实现数据的无差错传输，FEC就必然要生成一些不必要的开销比特而降低数据的传送效率。这是因为数据包对于是否使用FEC是弹性定义的。报头总有占1/3比例的FEC码起保护作用，其中包含了有用的链路信息。
在无编号的ARQ方案中，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到收到的确认。只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为无错才向发端发回确认消息，否则返回一个错误消息。比如蓝芽的话音信道采用Continuous Variable Slope Delta Modulation(简称 CVSD，即连续可变斜率增量调制技术)语音编码方案，获得高质量传输的音频编码。CVSD编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样，即使比特错误率达到4%，CVSD编码的语音还是可听的。
而Cambridge Consultants的分公司Cambridge Silicon Radio就提出了他们的看法。这个公司的入门产品是一个单芯片传输器和联接控制器。公司称之为BlueCore和BlueStack。这是一个完整的蓝芽，不需要外部的SAW滤波器、陶瓷电容或感应器，产品集成度非常高，使用了 0.18µm或0.15µm技术，能够在几乎不增加成本的情况下把基带电路加到芯片中。
2.3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（链路管理协议）与之通信。LM模块提供如下服务：
（1）发送和接收数据。
（2）请求名称。
（3）链路地址查询。
（4）建立连接。
（5）鉴权。
（6）链路模式协商和建立。
（7）决定帧的类型。
（8）将设备设为sniff模式。master只能有规律地在特定的时隙发送数据。
（9）将设备设为hold模式。工作在hold模式的设备为了节能在一个较长的周期内停止接收数据，平均每4s激活一次链路，这由LM定义，LC（链路控制器）具体操作。
（10）当设备不需要传送或接收数据但仍需保持同步时将设备设为暂停模式。处于暂停模式的设备周期性地激活并跟踪同步，同时检查page消息。
（11）建立网络连接。在piconet内的连接被建立之前，所有的设备都处于standby(待命)状态。在这种模式下，未连接单元每隔1.28s周期性地“监听”信息。每当一个设备被激活，它就监听规划给该单元的32个跳频频点。跳频频点的数目因地理区域的不同而异，32这个数字适用于除日本、法国和西班牙之外的大多数国家。作为master的设备首先初始化连接程序，如果地址已知，则通过寻呼（page）消息建立连接，如果地址未知，则通过一个后接page消息的inquiry(查询)消息建立连接。在最初的寻呼状态，master单元将在分配给被寻呼单元的16个跳频频点上发送一串16个相同的page消息。如果没有应答，master则按照激活次序在剩余16个频点上继续寻呼 。 Slave 收到从master发来的消息的最大延迟时间为激活周期的2倍（2.56s），平均延迟时间是激活周期的一半（0.6s）。Inquiry消息主要用来寻找蓝芽设备，如共享打印机、传真机和其它一些地址未知的类似设备。Inquiry消息和page消息很想像，但是inquiry消息需要一个额外的数据串周期来收集所有的响应。
如果piconet中已经处于连接的设备在较长一段时间内没有数据传输，蓝芽还支持节能工作模式。master可以把slave置为hold(保持)模式，在这种模式下，只有一个内部计数器在工作。 slave也可以主动要求被置为hold模式。一旦处于hold模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始。Hold模式一般被用于连接好几个piconet的情况下或者耗能低的设备，如温度传感器。除 hold模式外，蓝芽还支持另外两种节能工作模式：sniff(呼吸)模式和park(暂停)模式。在sniff 模式下，slave降低了从piconet“收听”消息的速率，“呼吸”间隔可以依应用要求做适当调整。在park模式下，设备依然与piconet同步但没有数据传送。工作在park模式下的设备放弃了 MAC地址，偶尔收听master的消息并恢复同步、检查广播消息。如果我们把这几种工作模式按照节能效率以升序排一下队，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暂停模式。
（12）连接类型和数据包类型。连接类型定义了哪种类型的数据包能在特别连接中使用。蓝芽基带技术支持两种连接类型：同步定向连接（Synchronous Connection Oriented，简称 SCO）类型，主要用于传送语音；异步无连接（Asynchronous Connectionless,简称ACL）类型，主要用于传送数据包。
同一个piconet中不同的主从对可以使用不同的连接类型，而且在一个阶段内还可以任意改变连接类型。每个连接类型最多可以支持16种不同类型的数据包，其中包括4个控制分组，这一点对 SCO和ACL来说都是相同的。两种连接类型都使用TDD（时分双工传输方案）实现全双工传输。
SCO连接为对称连接，利用保留时隙传送数据包。连接建立后，master和slave可以不被选中就发送SCO数据包。SCO数据包既可以传送话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用于重发被损坏的那部分数据。
ACL链路就是定向发送数据包，它既支持对称连接，也支持不对称连接。master负责控制链路带宽，并决定piconet中的每个slave可以占用多少带宽和连接的对称性。slave只有被选中时才能传送数据。ACL链路也支持接收master发给piconet中所有slave的广播消息。
（13）鉴权和保密。蓝芽基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。
鉴权基于“请求一响应”运算法则。鉴权是蓝芽系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝芽设备建立一个信任域，比如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。加密被用来保护连接的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。
3.4软件（协议）单元
Bluetooth 基带协议结合电路开关和分组交换机，适用于语音和数据传输。每个声道支持 64kb/s同步链接。而异步信道支持任一方向上高达721 kb/s和回程方向57.6kb/s的非对称链接，也可以支持43.2 kb/s的对称链接。因此，它可以足够快地应付蜂窝系统上的非常大的数据比率。一般地说，他的链接范围为100mm~10m；如果增加传输功率的话，其链接范围可以扩展到100m。 Bluetooth软件构架规范要求与Bluetooth相顺从的设备支持基本水平的互操作性。这种顺从水平由不同的应用来决定。
蓝芽设备需要支持一些基本互操作特性要求。对某些设备，这种要求涉及到无线模块、空中协议及应用层协议和对象交换格式。Bluetooth1.0标准由两个文件组成：一个叫Foundation Core , 它规定的是设计标准；另一个是Foundation Profile，它规定的是相互操作性准则。但对另外一些设备，比如耳机，这种要求就简单得多。蓝芽设备必须能够彼此识别并装载与之相应的软件以支持设备更高层次的性能。
蓝芽对不同级别的设备（如PC、手持机、移动电话、耳机等）有不同的要求，例如，你无法期望一个蓝芽耳机提供地址簿。但是移动电话、手持机、笔记本电脑就需要有更多的特性。软件（协议）结构需有如下功能：设置及故障诊断工具；能自动识别其他设备；取代电缆连接；与外设通信；音频通信与呼叫控制；商用卡的交易与号簿网络协议。
蓝芽的软件（协议）单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。适用于几种不同商用操作系统的蓝芽规范正在完善中。
近年来，移动通信发展迅速，便携式计算机如掌上电脑（LAPTOP）、笔记本电脑（NOTEBOOK）手持式电脑（HPC）以及PDA等也迅速发展，还有因特网的迅速发展，使人们对电话通信以外的各种数据信息传递的需求日益增长。
蓝芽技术把各种便携式电脑与蜂窝电话用无线电连接起来，使计算机与通信更加密切结合起来，使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。因此，计算机行业、移动通信行业都对蓝芽技术很重视，认为将对未来的无线移动数据通信业务有巨大的促进作用，预计在最近几年内无线数据通信业务将迅速增长。蓝芽技术被认为是无线数据通信最为重大的进展之一。