再识蓝牙技术

再识蓝牙技术


作为便携式设备的无线连接新技术蓝牙(Blue-tooth)，是由爱立信、IBM、诺基亚、英特尔和东芝
于1998年5月共同推出的，而实际上这项技术的研究开发工作早在1994年就已进行。当时，爱立信
移动通信公司成立了一个专项科研小组，对移动电话及其附件进行低能耗、低费用无线连接的可能
性进行研究，他们的目的在于建立无线电话与PC卡、耳机及桌面设备等产品的联接。1997年，爱
立信与其他设备生产商联系，并激发了他们对该项技术的浓厚兴趣。1998年2月，5个跨国大公
司，包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及Intel组成了一个特殊兴趣小组（SIG），它包含了商业领
域的最佳组合：两个最大的移动通信公司，两个最大的手提电脑生产商，一个数字信号处理技术的
领导者。他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术，即蓝牙。由于蓝牙技术使用短
程无线电信号，将移动电话、便携式计算机以及其他手持设备连接起来，所以可以应用到几乎所有
具有开关功能的产品中，例如家用电器、汽车、家用电子设备与办公设备。该标准推出后，包括摩
托罗拉、索尼、3Com、康柏、惠普、朗讯科技和戴尔在内的1100多家蓝牙集团的成员公司都签署
了相关协议，从而共享这一先进技术。

一、概述

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信开放性全球规范，它是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相互操作的性能
（Interoperability）。其程序写在一个9mmx9mm的微芯片中。

例如，如果把蓝牙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可通过无线方式建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游
戏操纵杆以及所有其他的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。除此之外，蓝牙无线技术还为已
存在的数字网络和外围设备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。

蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mbit/s。
时分双工传输方案被用来实现全双工传输。

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模进行通信
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
使这个窄带成百倍地扩展成宽带频，使干扰可能的影响变得很小。

与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其他系统都要稳定。
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抑制干扰和防止衰落。

蓝牙技术的无线电收发器的链接距离可达30英尺，不限制在直线范围内，甚至设备不在同一房间内
也能相互链接，并且可以链接多个设备，这就可以把用户身边的设备都链接起来，形成一个“个人
领域的网络”（Personal area network）。

二、蓝牙技术

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 unit，其时钟和跳频顺序被用来同步其他单元的设备，而piconet中不是master的所有
设备被定义为slave units。用来区分piconet中各单元的长度为3比特的地址称为Mac
address。Piconet中与网络保持同步但没有Mac address的设备称为Parkde units（暂停 单
元）。几个独立且不同步的piconet组成一个scatternet。

蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议）单
元等4个功能单元组成。

蓝牙系统的主要技术包括：

1、 网络技术

蓝牙技术支持点对点和点对多点连接。几个piconet可以被连接在一起，靠跳频顺序识别每个
piconet。同一piconet所有用户都与这个跳频顺序同步。其拓扑结构可以被描述为“多
piconet”结构。在一个“多piconet”结构中，在带有10个全负载的独立的piconet的情况下，
全双工数据速率超过6Mbit/s。

2、话音技术

蓝牙话音信道采用连接可变斜率增量调制（CVSD）话音编码方案，并且从不重发话音数据包。
CVSB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4%，CVSD编码的语音还是可听
的。

3、天线

蓝牙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FCC（美国联邦通信委员会）有
关电平为0dB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/秒。理想的连接范围为10cm-10m，但是通过增大发送电平可以将距离延长至100m。

4、基带

基带部分描述了硬件----基带链路控制的数字信号处理规范。基带链路控制负责处理基带协议和
其它一些低层常规协议。蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在被保留的时隙中可以传输
同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩
展到占用5个时隙。蓝牙可以支持异步话音。每个话音信道支持64kbit/s同步话音链路。异步信道
可以支持一端最大速率为721kbit/s而另一端速率为57.6kbit/s的不对称连接，也可以支持
43.2kbit/s的对称连接。

5、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(待令)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个跞跳
频频点。跳频频点的数目因地理区域的不同而异，32这个数字只适用于除日本、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inpuiry(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)。
Inpuiry消息主要用来寻找蓝牙设备，如共享打印机、传真机和其他的一些地址未知的类似设备。
Inpuiry消息和page消息很相像，但是inpuiry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，蓝牙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的情况下或者耗脂低的设备，如温度传感器。除hold
模式外，蓝牙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”消息的速度，“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
能效率以升序排一个队，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暂停模式。

6、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。蓝牙基带技术支持两种连接类型，即同步
定向连接（SCO）类型（主要用于传送话音）和异步无连接（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，其中包括四化上控制分组，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
坏的那部分的数据。

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。

7、纠错

基带控制器有3种纠错方案：即1/3比例前向纠错（FEC）码、2/3比例前向纠错码和数据的自动请
求重发方案。

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。

8、鉴权和保密

蓝牙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
是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝牙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中的个人信息。密钥由程序的高层
来管理。网络传送协议和应用程度可以为用户提供一个较强的安全机制。

9、链路管理

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远端并通过LMP（链路管理协议）与之通信。LM模块提供的服务包括：

①发送和接收数据。

②请求名称。LM能够有效地查询和报告名称或长度最大可达16位的设备ID。

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，比如数据模式或者话音/数据模式。在连接建立过程中模式是可以变更
的。

⑦决定帧的类型。

⑧将设备设为sniff模式。工作在sniff模式的设备只接收M时隙的数据。M时隙的位置是LM协商决
定的。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，并检查page消息。

10、软件结构

蓝牙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、空中协议以
及应用层协议和对象资格式。但对另外一些设备，比如耳机这种要求就简单得多。蓝牙设备必须能
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。蓝牙对不同级别的设备（如PC、手
持机、移动电话、耳机等）有不同的要求，例如，无法期望一个蓝牙耳机提供地址簿，但是移动电
话、手持机、笔记本电脑就需要有更多的功能特性。

软件结构需要具有的功能包括：设置及故障诊断工具、能自动识别其它设备、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等。

蓝牙的软件（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
作系统的蓝牙规范正在完善中。

三、蓝牙技术前景

近年来移动通信发展迅速，便携式计算机如膝上型电脑（Laptop）、笔记本电脑（Notebook）、
手持式电脑（HPC）以及个人数字辅助器（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。

蓝牙技术把各种便携式电脑与蜂窝移动电话用无线电线链路连接起来，使计算机与通信技术更加密
切的结合起来，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
对蓝牙技术非常重视，认为蓝牙技术将对未来的无线移动数据通信业务产生巨大的促进作用。

预计在最近几年内，蓝牙技术、蓝牙芯片、蓝牙产品都将获得重大进展。

王胜友（现代通信）