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蓝牙技术的概述

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1.引言


    随着经济的发展,人们对随时随地提供信息服务的移动计算机和宽带无线通信的需求越来迫切。以人为本、个性化、智能化的移动计算机,以其方便、快捷的无线接入、无线互联的新产品,已经逐渐融入到人们的日常生活和工作中。随之而来的便携式终端和无线通信相关的新技术层出不穷,其中短距离的无线通讯技术更是百花齐放、目不暇接。蓝牙技术就是在这种背景下产生的。


2.什么是蓝牙技术


蓝牙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,为固定和移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术。蓝牙技术是爱立信,IBMIntel,诺基亚和东芝五家公司于19985月联合主推的一项最新无线通信协议[1],并成立了“蓝牙”特殊兴趣集团STG( Special Interest Group),旨在利用微波取代传统网络中错综复杂的电缆,使家庭或办公场所的移动电话、便携式计算机、打印机、复印机、键盘、耳机及其它手持设备实现无线互连互通。其目标是实现最高数据传输速度1Mb/s(有效传输速度为721kb/s)、最大传输距离为100m,用户不必经过中请便可利用2.4GHz1SM(工业、利学、医学)频带,在其上设立79个带宽为1 MHz的信道,用每秒钟切换1600次的频率、滚齿方式的频谱扩散技术来实现电波的收发。


3.蓝牙技术的特点


3. 1  特性


蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4GHzISM (工业、科学、医学)频段,这样用户不必经过申请便可以在2400~2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。频道采用23个或79个,频道间隔均为1MHz,采用时分双工方式。调制方式为BT= 0. 5GFSK,调制指数为0. 28~0. 35。蓝牙的无线发射机采用FM调制方式,从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级,100mW(20dBm), 2.5mW(4dBm), 1mw(0dBm),4~20dBm范围内要求采用功率控制,因此,蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10~100m


3. 2  TDMA结构


蓝牙的数据传输率为1Mb/s,采用数据包的形式按时隙传送每时隙0. 625 us。蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接,蓝牙技术支持一个异步数据通道或一个并发的同步语音通道或一个同时传送异步数据和同步语音通道。每一个语音通道支持64KB/S的同步语音,异步通道支持最大速率为721KB/S,反向应答速度为57.6KB/s的非对称连接,或者一是速率为432.6KB/S的对称连接。


3. 3使用跳频技术


跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对于单时隙包,蓝牙的跳频速率为1600/秒;对于多时隙包,跳频速率有所降低;但在建链时则提高为3200/秒。使用这样高的调频速率,蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力,且硬件设备简单、性能优越。


3. 4蓝牙设备的组网


蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线连接,在任意一个有效通讯范围内,所有的设备都是平等的,并且遵循相同的工作方式。基于TDMA原理和蓝牙设备的平等性,任一蓝牙设备在主从网络(Piconet)和分散网络(Scatternet)中,既可做主设备(Master),又可作从设备(Slaver},还可同时既是主设备(Master),又是从设备(Slaver)。因此在蓝牙系统中没有从站的概念,另外所有的设备都是可移动的,组网十分方便。


3. 5软件的层次结构


    和许多通讯系统一样,蓝牙的通讯协议采用层次式结构,其程序写在一个9mm×9mm的微芯片中。其底层为各类应用所通用,高层则视具体应用而有所不同,大体分为计算机背景和非计算机背景两种方式,前者一通过卞机控制接口HCI(Host Control Interface)实现高、低层的连接。后者一则不需要HCI。层次结构使其设备具有最大的通用性和灵活性。根据通讯协议,各种蓝牙设备无论在任何地方,都可以通过人土或自动查询来发现其它蓝牙设备,从而构成卞从网和分散网,实现系统提供的各种功能,使用起来十分方便[2]


4.蓝牙系统的组成


蓝牙系统一般由无线单元、链路控制(硬件)单元、链路管理(软件)单元和蓝牙软件协议栈)单元等四个功能单元组成[3]。如图所示:



4.1 天线单元


    蓝牙技术的天线部分体积十分小巧、重量轻,属于微带大线。蓝牙空中接口建立在0dbm


(1mW)的基础上,最大可达20dbm (100mW},遵循FCC(美国联邦通信委员会)有关电平为0dbmISM频段的标准。


4.2  链路控制(硬件)单元


目前蓝牙产品的链路控制硬件单元包括3个集成器件:连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器,此外还使用了3~5个单独调谐件。基带链路控制器负责处理基带协议和其他一些低层常规协议。蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合,采用时分双工实现全双工传输。


4.3  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、链路硬件配置和其他一些协议。LM能够发现其他远端LM并通过LMP(链路管理协议)与之通信。


4.4  软件(协议栈)单元


    蓝牙规范接口可以直接集成到笔记本电脑上,或者通过PC卡或USB接口连接,或者直接集成到蜂窝电话中或通过附加设备连接。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,它符合己经制定好的蓝牙规范。适用于集中不同商用操作系统(WindowsunixPocket PC)的蓝牙技术规范正在完善中。


5.蓝牙技术的应用


蓝牙技术主要针对3大类的应用:话音数据接入、外围设备互联和个人局域网。蓝牙能够使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网和互联网等现有网络增添新功能,使各类计算机、传真机、打印机设备增添无线传输和组网功能,在家庭和办公自动化、家庭娱乐、电子商务、无线公文包应用、各类数字电子设备、工业控制、智能化建筑等场合以及军事领域开辟了广阔的应用人地。下面介绍几种主要应用领域。


(1)    通讯


第一代蓝牙产品主要集中在语音通信方面。如:移动电话使用的无线耳机。第二代产品是带有嵌入式蓝牙技术模块的数据通信产品,它们能够在单个设备之间,如:膝上计算机与PDA间传送数据或文件。蓝牙技术在通信方面的另一个应用是构成特设网络。蓝牙技术产品应用于移动电话、家庭及办公室电话系统中,可以实现真正意义上的个人通信,即个人局域网。这种个人局域网采用移动电话为信息网关,使各种便携式设备之间可以交换内容。


(2)    计算机


蓝牙技术将广泛应用于计算机。无需安装费用,无需下载软盘驱动器,移动电话就能与计算机进行无线连接,这是计算机时代的梦想。无线操作的便携硬盘是蓝牙技术在计算机方面应用的一个很好的例子。


(3) 家庭


在家庭应用方面,可用蓝牙技术实现“三表”自动抄录和远程传输;还可用蓝牙技术改造电话系统,实现真正意义的个人通讯。嵌入了蓝牙芯片的数字移动电话具备一机三用和耳机无线连接功能。嵌入了蓝牙芯片的“信息家电”,也具有了网络信息终端的功能,可以主动地发布、获取和处理相关信息,使得个人家庭与现代信息社会的信息高速公路通信网紧密相连。可以设想所有的信息家电通过一个遥控器来进行控制,既可以控制电视,也可以控制计算机和空调器,同时还可以用作无绳电话或者移动电话,甚至可以在这些信息家电之间共享有用的信息,在家庭内部形成一个个人智能网络。


(4) 办公商务


在办公自动化和电子商务方面,蓝牙设备将消除桌面上错综复杂的连线,将出现无线鼠标和键盘,通过无线接入局域网,实现文件、调制解调器、打印机和服务器的共享。在开办公会议时,可以用无线的方式访问其他成员,共享文件等信息。利用蓝牙技术还可以制造电子钱包和电子锁,在很多消费场合进行电子付账或在宾馆接待处实现电子登记服务等。


(5) 军事应用            


由于其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点,它的典型应用蓝牙网络已被军事通信专家看好,用来发展相应的通信装备。建立在网络基础上的“蓝牙”单兵数字化装备,无需在任何电子设备间布设专用线缆和连接器,通过“蓝牙”遥控装备就可以形成一点从到多点的连接,进行微微网网内设备通信,还可以利用蓝牙组成战术级无线局域网传输战场信息、作战数据,实现快速的战场通信[4] 蓝牙还可以用于军事装备的性能检测、故障诊断,尤其在战场环境中优势明显,可以产生巨大的军事效益。


6.蓝牙技术的发展趋势


    (1) 芯片越来越小巧


    蓝牙技术界面是专用半导体集成电路芯片,用于嵌入电子器件内。而与用户直接见面的产品界面则是各种时尚电子产品。因此,蓝牙技术要嵌入到电子器件内就要考虑蓝牙的芯片尺寸,它必须具有小巧、廉价、结构紧凑和功能强大的特点才能放进蜂窝电话中。


(2) 与其它技术的兼容


蓝牙只是W LAN中一项重要的技术,本身有其局限, W LAN网的实现需要几种技术的结合如IEEE802.15委员会采纳了可使蓝牙和IEEE802.11b共存的技术提案[5]。解决蓝牙产品基础组件间的兼容问题。


    (3) 提高抗干扰能力和传输距离


实验表明,在同时使用无线LAN和微波炉的情况下,蓝牙的性能明显下降,无干扰时,数据速率为500-600kb/s一旦干扰出现,速率突降至200kb/s。蓝牙只有l0m的传输距离也制约着它的应用和发展,需要充分利用其功率类型,增加特殊应用通信距离。


    (4) 众多操作系统支持蓝牙


微软公司于近年上市的所有Windows操作系统均支持蓝牙。以IBM为首的众多计算机厂商正在努力达成协议,为PC 平台制定蓝牙标准,以解决不同设备之间的兼容性。


    (5) 支持漫游功能


蓝牙技术可以在微网络或扩大网之间切换,但每次切换都必须断开与当前PAN的连接。为解决此问题,Commil技术公司设计了一种系统,即使在蓝牙模式不同入口点之间漫游,仍可以维持连续的、不中断的数据和声音交流[6]


7.蓝牙技术存在的问题


任何科学技术的发展总是从不完善向完善发展的,与其他通信技术一样,蓝牙技术也是一个开放的技术,必然存在一些问题,如保密安全问题,2.4GHzISM频段使用的电磁兼容与频率共用问题,互操作性与兼容性问题,价格、可靠性等综合吸引力问题下面主要对保密安全问题和2.4GHzISM频段使用的电磁兼容与频率共用问题进行阐述。


蓝牙技术刚开始发展的时候,对保密安全问题考虑不周全,虽采用了无线跳频技术,但窃听者和截取者来说这不是一个技术障碍。蓝牙网络是一个开放式网络,提供128bit的芯片作为设备的健全鉴权号,但在通讯中可以被篡改和冒用。SIG已开始重视蓝牙的保密安全问题,提出蓝牙的安全模式问题。


蓝牙可以使用专用或共用2类频段,但是由于专用频带需占用较宽频带,而只有2. 4GHz5.8GHz是当前蓝牙技术与ISM共用可以考虑的频带范围,因此蓝牙技术只得使用与工、科、医设备相同的频带,必然存在干扰问题。蓝牙技术采用2.4GHz频带时,可能存在来自系统内部的干扰、蓝牙与其他通信系统之间的干扰以及来自ISM设备的干扰。目前,蓝牙技术采用跳频扩谱技术(FHSS),其抗干扰能力很强,发射功率为毫瓦级,但必须检验其实际共存的可靠性和可能性,以及管理规则的协调配合问题等。


8.结束语


    蓝牙作为一新兴的事物,发展迅速,产品市场占有量稳步增长,前景光明。但也有一些不足之处,如成本过高、有效距离短及速度和安全性能也不令人满意等。但蓝牙与生俱来的开放性赋予了它强大的生命力,从一问世,人们就看到了它的巨大的商业价值,可以预见,蓝牙将给我们的生活带来一场革命。在不久的将来,蓝牙将形成一个新的浪潮,席卷全球。

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