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蓝牙技术浅谈

[ 来源:'d' | 类别:技术 | 时间:2006-2-2 12:53:52 ] [字体: ]

论文摘要】本文详细介绍了蓝牙技术的概念及其特点、蓝牙系统的基本术语,以及该系统的网络拓扑结构、话音、功能单元等相关知识。

 
蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备(如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、数码相机、移动电话和高品质耳机等),通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet),多个微微网之间也可以互连形成分布式网络(Scatternet),从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范, 是一种低成本、短距离的无线连接技术。其无线收发器是很小的一块芯片,大约有9mm×9mm,可方便地嵌入到便携式设备中,从而增加设备的通信选择性。 蓝牙技术实现了设备的无连接工作,提供了接入数据网的功能,并且具有外围设备接口,可以组成一个特定的小网。
蓝牙技术的特点包括:采用跳频技术,抗信号衰落;采用快跳频和短分组技术,减少同频干扰,保证传输的可靠性;采用前向纠错(FEC)编码技术,减少远距离传输时的随机噪声影响;使用2.4GHz的ISM频段,无需申请许可证;采用FM调制方式,降低设备的复杂性。该技术的传输速率设计为1MHz,以时分方式进行全双工通信,其基带协议是电路交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步分组,每个分组占用一个时隙,也可扩展到5个时隙。蓝牙技术支持一个异步数据通道,或3个并发的同步话音通道,或一个同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持64kbps的同步话音;异步通道支持最大速率721kbps、反向应答速率为57.6kbps的非对称连接,或者是432.6kbps的对称连接。
蓝牙系统的基本术语
* 微微网(Piconet):是由采用蓝牙技术的设备以特定方式组成的网络。 微微网的建立是由两台设备(如便携式电脑和蜂窝电话)的连接开始,最多由8台设备构成。所有的蓝牙设备都是对等的,以同样的方式工作。然而,当一个微微网建立时,只有一台为主设备,其他均为从设备,而且在一个微微网存在期间将一直维持这一状况。
* 分布式网络(Scatternet):是由多个独立、非同步的微微网形成的。
  * 主设备(Master unit):在微微网中,如果某台设备的时钟和跳频序列用于同步其他设备,则称它为主设备。
  * 从设备(Slave unit):非主设备的设备均为从设备。
  * MAC地址(MAC address):用3比特表示的地址,用于区分微微网中的设备。
  * 休眠设备(Parked units):在微微网中只参与同步,但没有MAC地址的设备。
* 监听及保持方式(Sniff and Hold mode):指微微网中从设备的两种低功耗工作方式。

一、网络拓扑结构
蓝牙系统支持点对点以及点对多点通信。几个相互独立、以特定方式连接在一起的微微网构成分布式网络,各微微网由不同的跳频序列来区分。在同一微微网中,所有的用户均用同一跳频序列同步。

二、话音
话音采用连续可变斜率调制(CVSD)编码方式,其分组不重传。CVSD方式抗衰落性强,即使在误比特率达到4%时,其话音质量也可接受。

三、功能单元
蓝牙系统的功能单元包括以下几个部分:
1.无线射频单元
蓝牙系统的天线发射功率符合FCC关于ISM波段的要求。由于采用扩频技术,发射功率可增加到100mW。系统的最大跳频速率为1600跳/秒,在2.402GHz到2.480GHz之间,采用79个1MHz带宽的频点。系统的设计通信距离为0.1米到10米,如果增加发射功率,这一距离也可以达到100米。

2.连接控制单元
连接控制单元(即基带)描述了数字信号处理的硬件部分--链路控制器,它实现了基带协议和其他的底层连接规程。
(1)网络建立
在微微网建立之前,所有设备都处于就绪(STANDBY)状态。在该状态下,未连接的设备每隔1.28秒监听一次消息,设备一旦被唤醒,就在预先设定的32个跳频频率上监听信息。跳频数目因地区而异,但32个跳频频率为绝大多数国家所采用。
连接进程由主设备初始化。如果一个设备的地址已知,就采用页信息(Page message)建立连接;如果地址未知,就采用紧随页信息的查询信息(Inquiry message)建立连接。查询信息主要用来查询地址未知的设备(如公用打印机、传真机等),它与页信息类似,但需要附加一个周期来收集所有的应答。在初始页状态(PAGE state),主设备在16个跳频频率上发送一串相同的页信息给从设备,如果没有收到应答,主设备就在另外的16个跳频频率上发送页信息。主设备到从设备的最大时延为两个唤醒周期(2.56秒),平均时延为半个唤醒周期(0.64秒)。
在微微网中,无数据传输的设备转入节能工作状态。主设备可将从设备设置为保持方式(HOLD mode),此时,只有内部定时器工作;从设备也可以要求转入保持方式。设备由保持方式转出后,可以立即恢复数据传输。连接几个微微网或管理低功耗器件(如温度传感器)时,常使用保持方式。监听方式(SNIFF mode)和休眠方式(PARK mode)是另外两种低功耗工作方式。在监听方式下,从设备监听网络的时间间隔增大,其间隔大小视应用情况由编程确定;在休眠方式下,设备放弃了MAC地址,仅偶尔监听网络同步信息和检查广播信息。各节能方式依电源效率高低排列为:休眠方式→保持方式→监听方式。
蓝牙基带技术支持两种连接方式:
* 面向连接(SCO)方式:主要用于话音传输;
* 无连接(ACL)方式:主要用于分组数据传输。
在同一微微网中,不同的主从设备可以采用不同的连接方式,在一次通信中,连接方式可以任意改变。每一连接方式可支持16种不同的分组类型,其中控制分组有4种,是SCO和ACL通用的分组,两种连接方式均采用时分双工(TDD)通信。SCO为对称连接,支持限时话音传送,主从设备无需轮询即可发送数据。SCO的分组既可以是话音又可以是数据,当发生中断时,只有数据部分需要重传。ACL是面向分组的连接,它支持对称和非对称两种传输流量,也支持广播信息。在ACL方式下,主设备控制链路带宽,负责从设备带宽的分配;从设备依轮询发送数据。
(2)差错控制
基带控制器采用3种检纠错方式:
* 1/3前向纠错编码(FEC);
* 2/3前向纠错编码;
* 自动请求重传(ARQ)。
采用FEC编码方式的目的在于减少数据重发次数,但在无差错环境,FEC方式产生的无用检验位降低了数据吞吐量,因此,业务数据是否采用FEC,还将视需要而定。分组报头含有重要的连接信息和纠错信息,始终采用1/3 FEC方式进行保护性传输。无编号ARQ方式应用于在数据发送后的下一时隙就给出确认的数据传输,返回ACK意味着头信息校验及循环冗余校验都正确,否则,将返回NACK。
(3)认证与加密
认证与加密服务由物理层提供。认证采用口令--应答方式,在连接过程中,可能需要一次或两次认证,或者无需认证。认证对任何一个蓝牙系统都是重要的组成部分,它允许用户自行添加可信任的蓝牙设备,例如,只有用户自己的笔记本电脑才可以通过用户自己的手机进行通信。蓝牙系统采用流密码加密技术,适于硬件实现,密钥长度可以是0、40或64位,密钥由高层软件管理。蓝牙安全机制的目的在于提供适当级别的保护,如果用户有更高级别的保密要求,可以使用有效的传输层和应用层安全机制。

3.链路管理
链路管理器(LM)软件实现链路的建立、认证及链路配置等。链路管理器可发现其他的链路管理器,并通过连接管理协议(LMP)建立通信联系,LM利用链路控制器(LC)提供的服务实现上述功能。 LC的服务项目包括:接收和发送数据、设备号请求、链路地址查询、建立连接、认证、协商并建立连接方式、确定分组的帧类型、设置监听方式、设置保持方式以及设置休眠方式等。

4.软件结构
蓝牙设备应具有互操作性。对于某些设备,从无线电兼容模块和空中接口,直到应用层协议和对象交换格式,都要实现互操作性;对另外一些设备(如头戴式设备等)的要求则宽松得多。蓝牙计划的目标就是要确保任何带有蓝牙标记的设备都能进行互操作。软件的互操作性始于链路级协议的多路传输、设备和服务的发现,以及分组的分段和重组。蓝牙设备必须能够彼此识别,并通过安装合适的软件识别出彼此支持的高层功能。互操作性要求采用相同的应用层协议栈。不同类型的蓝牙设备(如PC、手持设备、头戴设备、蜂窝电话等)对兼容性有不同的要求,用户不能奢望头戴式设备内含有地址簿。蓝牙的兼容性是指它具有无线电兼容性,有话音收发能力及发现其他蓝牙设备的能力,更多的功能则要由手机、手持设备及笔记本电脑来完成。为实现这些功能,蓝牙软件构架将利用现有的规范,如OBEX、vCard/vCalendar、HID(人性化接口设备)及TCP/IP等,而不是再去开发新的规范。设备的兼容性要求能够适应蓝牙规范和现有的协议。
蓝牙系统的软件结构将实现以下功能:配置及诊断、蓝牙设备的发现、电缆仿真、与外围设备的通信、音频通信及呼叫控制,以及交换名片和电话号码等。



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