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蓝牙无线技术概述

摘要

蓝牙无线技术应用于个人、便携式和手持式电子设备的短距离连接。自1998年5月以来，蓝牙技术联盟通过开发包括协议和应用场景在内的开放行业规范，以及旨在确保蓝牙产品终端用户价值的资格认证计划，引导了该技术的发展。本文重点介绍了蓝牙无线技术。

介绍

在过去的几年中，无线世界每天都被有关新一代射频（RF）技术的信息轰炸，如果不是彻底变革，这些信息将会对我们的生活和商业联系的方式产生深刻的影响。这种新一代技术延伸到了无线通信所有覆盖范围。正在开发的第三代（3G）无线技术，以实现个人和广域网（WAN）的高速相互连接。IEEE 802.11b无线局域网（LAN）技术在企业和学术办公区、建筑物和校园中出现越来越多。此外，802.11b技术的发展缓慢但稳步增长，正在进入公共场所，如机场和咖啡吧。

WAN和LAN技术通过无线运营提供商、校园或公司专用网实现与基础设施的服务的设备连接。覆盖频谱的另一端被短距离个人无线连接技术所占用，允许个人设备直接通信，而无需建立基础设施。在覆盖范围的这一端，蓝牙无线技术为个人连接空间提供全方位性的服务，并消除了基于射频连接的视线要求。个人连接空间类似于围绕人们并能够将他们的个人设备与进入泡沫的其他设备连接起来的通信泡沫。这种泡沫中的连接是自发的和短暂的，并且可以涉及多种不同计算能力的设备，不同于设计用于具有强大的计算能力和蓄电能力的设备之间的通信的无线LAN方案。

第三代蓝牙无线技术将主要用于替代各种个人设备（包括笔记本电脑，蜂窝电话，个人数字助理（PDA），数码相机等）之间的互连电缆。蓝牙无线技术旨在做成通用低成本、用户友好的空中接口，将取代人们需要携带和使用于连接他们的个人设备的多余专有电缆。虽然个人设备通常基于RS-232串行端口协议进行通信，专有连接器和引脚布置使得不可能使用相同的电缆来互连来自不同制造商的设备，有时甚至这些设备来自同一制造商。蓝牙无线技术的重点是提供一种灵活的电缆连接器，其具有可重配置的引脚布置，允许多个个人设备相互连接。

该技术的另一个重点是实现统一的接口来访问数据服务。使用任何数量的具有数据能力的设备的用户将能够连接到一个LAN接入点，该接入点提供一种连接，例如对企业内联网基础设施和服务的访问。同样，用户将能够连接到她的蜂窝电话并访问WAN数据服务。一种可以为用户提供以任一方式连接到数据服务的类似连接体验的应用就产生了。通过手机连接到数据服务产生个人网关的概念。人们将随身携带个人网关。个人网关将作为访问远程数据服务的辅助者，更方便地将其隐藏在远离其通信的蓝牙合作伙伴的视线之下。蓝牙无线技术能够不间断地分离连接到数据服务的功能，以查看和交互数据服务提供的信息。因此，当个人网关纯粹用于与无线数据载体进行通信时，PDA可以作为更方便的用于输入和接收数据的I/0设备。

蓝牙无线技术的另一个重点是在个人设备之间实现临时连接。这将允许个人组建协作小组，例如，在会议期间交换数据而无需依赖基础设施来支持他们的沟通。

在本文中，我们将介绍蓝牙无线技术。本文的组织如下。我们介绍了蓝牙无线技术的历史，之后讨论了蓝牙规范，包括规范的核心和配置文件部分。我们总结一下这篇文章。

蓝牙无线技术的历史

蓝牙行业标准的发展始于1998年冬天，当时爱立信，IBM，英特尔，诺基亚和东芝组成蓝牙特殊业务集团（SIG），开发和推广在短距离无线通信2.4 GHz ISM（工业，科学，医疗）频段的全球解决方案

蓝牙名称来自丹麦国王哈拉尔·布兰丹（蓝牙）。蓝牙国王在10世纪被认为是与斯堪的纳维亚人结合在一起的。类似地，蓝牙无线技术旨在团结个人计算设备。这个名字暂时被选中来描述尚未宣布的开发项目。然而，寻找新的名字从未成功，临时名称变成永远。回想起来，这个快乐的名字的选择因为这项技术迄今获得的认可而受到高度评价。

为了方便广泛接受这项新技术，SIG决定将明确纳入蓝牙产品的所有知识产权免费提供给采用该技术的用户。SIG于1998年5月向公众宣布其存在和意向，当时约有70名采用者成员加入。在撰写本文时，约有3000名采用者成员。一年以后，在1999年夏天，超过1600页蓝牙规范版本1.0A公开。由于Bluetooth SIG许可协议的规定，在蓝牙SIG完善并批准之前，该规范的开发并不适用于公众。采用者成员有权在公开可用性之前查看该规范。

目前1.1版本的蓝牙技术规范包含以下两部分，我们稍后在文章中讨论：

定义无线电特性和蓝牙无线电链路在设备之间交换数据的通信协议的核心规范。

定义蓝牙协议如何用于实现多个选定应用程序的配置文件规范。

为了免费使用蓝牙规范中的知识产权，采用者的成员需要通过蓝牙认证程序（BQP）来授权他们意图将其推向市场的任何蓝牙产品。BQP包括无线电、协议一致性测试、轮廓一致性测试（如适用）以及互操作性测试。

1999年12月，除3Com，朗讯，微软和摩托罗拉之外，该推动组从五个增加到了九个。截至2001年初，由杰夫（包括其前微电子部门在内的朗讯分公司）代替了朗讯。

1999年3月，IEEE 802.15标准工作组成立，旨在为无线个人区域网络（WPAN）开发一系列通信标准。在1999年7月的新工作组第一次会议上，蓝牙SIG提交了刚刚创建的蓝牙规范作为IEEE 802.15标准的候选者。蓝牙建议被选为802.15.1标准的基准。在撰写本文时，标准草案的制定正处于最后阶段，成功完成了两次赞助者选票。除IEEE 802.15.1活动外，IEEE 802.15.2任务组还研究了802无线技术之间的共存问题。802.15.3任务组正在开发高速率无线电的标准（gt; 20 Mb / s）。最后，802.15.4任务组正在开发低速率无线电的标准（lt;200 kb / s）。

蓝牙规范

蓝牙规范主要是作为实施手册编写的，而不是正式的通信标准文件。该规范的这一方面反映了一组工程师的开发过程，这些工程师实际上是在规范开发的同时开发了该技术。这些工程师以散文风格写道，在规范中描述了他们在实现中获得的经验。这与正式开发的标准中常用的正式语言形成对比。这种方法有其利弊。好的地方是，规范比正式的标准文件更容易阅读。在不利的地方，使用散文，这本来是不精确的，这个说明书有时是相互矛盾的解释。后一个问题正在通过勘误解决过程来改正。

图1 蓝牙协议栈

图1描述了蓝牙协议栈，它也显示了应用和配置文件“层”的完整性。（我们稍后在本节讨论后者）。堆栈中的协议已经分为两类：传输和中间件协议。传输协议包括专为蓝牙无线技术开发的协议。这些协议涉及两个蓝牙设备之间的所有数据通信。中间件协议包括蓝牙特定协议和其他采用的协议。这些协议被选择性地用于能够使用蓝牙无线技术交换数据不同的应用程序（包括旧应用和新应用程序）。无论如何，中间件协议将这些应用程序从蓝牙传输协议的具体情况中屏蔽。

蓝牙协议栈中协议的这种分组不是规范的一部分。相反，它在这里被用作协议的自然分组以便于呈现。

运输协议

无线电--无线电层定义了蓝牙无线电的技术特性。蓝牙无线电在无许可的2.4 GHz ISM频段上运行，并符合FCC第15部分有关本频段故意辐射器的规定。它采用快速（1600跳/秒），跳频，扩频（FHSS）技术。无线电在79MHz信道上以伪随机的方式播放。频率位于（2402 k）MHz，k = 0，1，hellip;hellip;，78。

调制技术是二进制高斯频移键控（GFSK），波特率为1符号/秒。因此，位时间为1ms，原始传输速度为1Mb / s。蓝牙无线电根据其发射功率分为三个功率级别。1级无线电的发射功率为20 dBm（100 mW）；2级无线电的发射功率为4 dBm（2.5 mW）；3级无线电的发射功率仅为0 dBm（1 mW）。由于使用蓝牙无线电的各种个人设备的功率和成本限制，预计3类和2类无线电将是这些设备中大多使用的无线电。

基带--基带定义了使设备能够使用蓝牙无线技术相互通信的关键步骤。基带定义了蓝牙微微网及其创建方式和蓝牙链接。它还定义了如何在一个微控制器中的多个设备之间共享传输资源以及低级数据包类型。

蓝牙地址和时钟--个每个蓝牙设备都有两个参数涉及蓝牙通信的几乎所有方面。第一个是在制造时分配给每个蓝牙无线电的独特的IEEE类型的48位地址。蓝牙设备地址（BD_ADDR）刻在蓝牙硬件上，无法修改。第二个参数是一个自由运行的28位时钟，每312.5 us刻度一次，这对应于无线电以1600跳/秒标准的速率跳频时的停留时间的一半。

蓝牙设备可以通过获取彼此的蓝牙地址和时钟来相互通信，稍后将进一步描述。

图2 蓝牙微微网

蓝牙微微网--微微网是可以相互通信的蓝牙设备的集合。微微网以特殊方式形成，无需任何基础设施协助，并且持续时间满足其创建者需要并且可用于与其他设备通信。微微网包含至少一个被识别为微微网的主设备的设备，以及被识别为主设备主动参与通信的从站的至多七个设备。主和从属是相对于特定的现有微微网。这些术语在制造时没有分配给无线电单元。蓝牙无线电可以在不同时间作为主机或从机

为了识别每个从机，微微网的主机将分配本地唯一的活动成员地址（AM_ADDR）到参与微微网中的主动通信的从站。主人管理和控制传播对象和时刻。同时多达七个从站可能会在微微网中进行主动通信，但可能需要向主设备注册其他设备，并在需要时被邀请变为活动状态。这些附加设备称为停放。与任何微微网不相关的蓝牙设备都处于待机模式。图2显示了具有多个从站和与其相关联的停放设备的两个微微网，以及几个备用设备。蓝牙微微网可以在时间和空间上彼此共存。此外，单个设备可以是几个微微网的成员，在蓝牙说明中称为分散互联网的情况。

微微网中的通信信道被定义为微微网成员以同步方式跟随的跳频序列。发送和接收时间轴是时隙，每个时隙持续标称频率跳跃的持续时间为625 us。每个基带传输完全位于插槽的边界内。然而，也允许占用三个或五个时隙的多时隙分组。在多时隙分组的传输期间，发射频率不变。当跳频恢复时，如果设备仅使用单时隙传输，则会以频率恢复。

为了保持跳跃的时间同步，从机使用主机的蓝牙时钟和跳数发生在625 us的倍数的事实；从站实际上保持了他们的蓝牙时钟和他们的主机之间的偏移时间。根据主机的蓝牙时钟的第二最低有效位的值，微微网中的时隙被标识为偶数或奇数；回想一下，蓝牙时钟以比率的两倍速率打勾。为了在微微网中重新创建频率跳频序列，从机使用微微网的主机的蓝牙地址。此外，主机的蓝牙时钟标识要在特定时隙使用的特定频率。因此，微微网中的通信信道由主设备完全识别。结果，在分散网的情况下，设备可以仅用作一个微微网的主机，否则两个微微网不能彼此区分。

主机和从机以时分双工（TDD）方式交替发送机会。特别地，主机根据主机的蓝牙时钟定义发送偶数编号的时隙，而从机在奇数编号的时隙发送（回想每个时隙持续625 us）。仅当主机刚刚发送到该从站时，从器件才能传输。传输可以持续一个，三个或五个时隙；然而，该规范要求只有单时隙传输是强制性的。在分散网的情况下，设备不能同时在两个或更多个微微网中接收或发送数据。然而，这样的设备可以在非重叠的时间间隔上分享其参与每个微微网的时间。

要在微微网中进行通信，微微网中的从站需要知道主控板的BD_ADDR和蓝牙时钟。同样，主人也需要知道奴隶的身份。该信息分为两个阶段：用于定位设备的查询阶段和寻呼阶段，用于邀请特定设备加入微微网。在J. Haartsen的“蓝牙无线电系统”中给出了这些阶段的良好概述。

查询过程是设备发现过程，在此期间，未来微微网的主设备将在其附近发现其他设备。主人通过发送查询消息使其存在。执行查询扫描的设备（即主动搜索查询消息）响应包含设备的BD_ADDR的查询响应消息。

掌握其附近设备身份的知识，微微网的主人可以明确地将设备页面加入其微微网。具有设备身份的先验知识的主设备可能会跳过查询过程并直接转发设备。如果设备没有响应，可能意味着它不在寻呼设备的发送范围内。

通过寻呼设备发送到分页设备的信息，分页设备现在可以作为从设备加入其主设备是寻呼设备的微微网。在加入微微网之后，主机和从机可能会协商转换角色，在这种情况下，（原始）主机将成为主机（原始）从机的微微网中的从机。

接下来，我们介绍主人和奴隶如何交换数据。

蓝牙链接和基带分组一个蓝牙微微网中支持两种类型的链接。在主机和从机之间有一个支持单个异步无连接（ACL）链接。可选地，微微网可以支持同步面向连接（SCO）链路。在微微网中最多可以支持三个SCO链接。

ACL链接是适用于异步数据传输的尽力而为的链接。它通过使用重传和序列成员来维护完整性，如果需要，还可以进行前向纠错（FEC）。 SCO链路支持每个方向64Kb / s的周期性音频传输。SCO流量不重发，但是它可以使用FEC机制在发生错误时恢复。

图3 基带分组类型

图3显示了各种基带分组类型。它们都包含访问代码（AC）字段，用于区分不同微微网中的传输。除了m包之外，所有其他数据包也有一个头部分。除了poll和null数据包之外，所有其他数据包也都有一个有效负载。

在查询搜索期间使用ID分组，并在页面期间获得时间同步。当没有有效载荷信息需要发送到从站时，主机使用轮询数据包来显式地轮询从站。当不需要发送有效负载信息时，空分组用于确认传输。

在创建微微网时使用跳频序列（FHS）分组，并且用于在未来的主机和从机之间传递地址（BD_ADDR和AM_AD

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