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第15章蓝牙技术15.1“蓝牙”的由来“蓝牙”这个名字的来历颇具传奇色彩。公元10世纪的北欧正值动荡年代，各国之间战争频繁，丹麦国王哈拉德二世挺身而出，到处疾呼和平。经过他的不懈努力，战争终于停止，各方领袖坐到了谈判桌前，至此，四分五裂的挪威和丹麦得以统一。第15章蓝牙技术关于这位国王的名字有两种说法：一种说法是他的全名是HaraldBlatand，Blatand在英语中意思为“蓝牙”（Bluetooth）；还有一种说法是这位英雄的丹麦国王酷爱吃蓝梅，以致于牙齿都被染成了蓝色，因此“蓝牙”（Bluetooth）成了他的绰号。第15章蓝牙技术1000年后的今天，世界范围内电子设备技术高速发展。瑞典的爱立信公司于1994年成立了一个专项科研小组，对移动电话及其附件的低能耗、低费用无线连接的可能性进行研究，他们的最初目的在于建立无线电话与PC卡、耳机及桌面设备等产品的连接。但是随着研究的深入，科研人员越来越感到这项技术所独具的个性和巨大的商业潜力，同时也意识到凭借一家企业的实力根本无法继续研究，于是，爱立信将其公诸于世，并极力说服其他企业加入到它的研究中来。第15章蓝牙技术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，并将此技术命名为“蓝牙”，来表达要将这种全新的无线传输技术在全球推广，并实现全球通用的雄心。1998年2月，瑞典爱立信（ERICSSON）、芬兰诺基亚（NOKIA）、日本东芝（TOSHIBA）、美国IBM和英特尔（Intel）公司五家著名厂商，组成了一个特殊利益集团（有的书译为特别兴趣小组）SIG（SpecialInterestGroup）。之后，蓝牙引起了越来越多企业的关注。第15章蓝牙技术1999年11月，比尔·盖茨专程到拉斯维加斯一间只有11名员工的小公司访问，只因这家公司已研制成功一种含蓝牙技术的胸卡，随后，微软便宣布加入SIG。目前，包括索尼、惠普、戴尔在内的2500多家公司都签署了相关协议加入该组织，共享这一先进技术，而且数目还在不断的增长，从而在全球范围内掀起了一股蓝牙热潮。这么多的精英公司集中在一项技术的大旗下，在商业史上是史无前例的，一项公开的全球统一的技术规范得到了工业界如此广泛的关注和支持，也是以往所罕见的。这说明基于此项技术的产品具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。第15章蓝牙技术15.2蓝牙技术概述蓝牙是一个开放性的无线通信标准，设计者的初衷是用隐形的连接线代替线缆。其目标和宗旨是：保持联系，不靠电缆，拒绝插头，并以此重塑人们的生活方式。它将取代目前多种电缆连接方案，通过统一的短程无线链路，在各信息设备之间可以穿过墙壁或公文包，实现方便快捷、灵活安全、低成本小功耗的话音和数据通信。第15章蓝牙技术它推动和扩大了无线通信的应用范围，使网络中的各种数据和语音设备能互连互通，从而实现个人区域内的快速灵活的数据和语音通信。“蓝牙”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。第15章蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，蓝牙技术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，完成数据信息的短程无线传输。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口（RadioAirInterface）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，能够在近距离范围内具有互用、互操作的性能（Interoperability）。第15章蓝牙技术具体地说，“蓝牙”技术的作用就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、PDA、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。第15章蓝牙技术此外，蓝牙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。蓝牙技术使用全球通行的、无需申请即可使用的2.45GHzISM（工业Industry、科学Science、医学Medicine）频段。若以2.45GHz为中心频率，在这个频段上最多可设立79个带宽为1MHz的信道。其收发信机采用跳频扩谱（FrequencyHoppingSpreadSpectrum）技术，在2.45GHzISM频段上以1600跳/秒的速率进行跳频通信。第15章蓝牙技术在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为721kb/s，最高数据速度可达1Mb/s。由于采用低功率时分复用方式工作（发射），其有效传输距离大约为10m，加上功率放大器时，传输距离可扩大到100m。蓝牙数据包在某个载频上的某个时隙内传递，不同类型的数据（包括链路管理和控制消息）占用不同信道，并通过查询（Inquiry）和寻呼（Paging）过程来同步跳频频率和不同蓝牙设备的时钟。除采用跳频扩谱的低功率传输外，蓝牙还采用鉴权和加密等措施来提高通信的安全性。第15章蓝牙技术图15―1蓝牙芯片5mm10mm天线滤波器蓝牙芯片9×9mm9mm18mm第15章蓝牙技术蓝牙支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微网（Piconet），多个微微网又可互连成特殊分散网，形成灵活的多重微微网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。它能在一个微微网内寻址8个设备，其中1个为主设备，7个为从设备。蓝牙是一种低功耗的无线技术，当检测到距离小于10m时，接收设备可动态调节功率。当业务量减小或停止时，蓝牙设备可以进入低功率工作模式。功耗低，对人体危害小。第15章蓝牙技术蓝牙集成电路应用简单、成本低廉、容易实现和推广。其程序写在一个9×9（mm）的微芯片中，如图15―1所示。图的左端为天线和滤波器，右端为单芯片的植入蓝牙的电子元件（采用标准的BGA封装方式）。可以很方便地应用于电子产品中，有很强的移植性，可随时随地应用于多种通信场合，如WAP、GSM、DECT等，引入身份识别后可灵活漫游。例如，引入到移动电话和笔记本电脑，就可建立无线通信。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成为蓝牙系统的一部分。第15章蓝牙技术蓝牙以无线LANs的IEEE802.11标准技术为基础。应用了“Plonkandplay”的概念（有点类似“即插即用”），即任一蓝牙设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立联系，而无需用户进行任何设置，因此可以解释成“即连即用”。蓝牙技术涉及一系列软硬件技术、方法和理论，包括：无线通信与网络技术、软件工程、软件可靠性理论、协议的测试技术、规范描述语言、嵌入式实时操作系统（EmbeddedRTOS）、跨平台开发和用户界面图形化技术、软硬件接口技术（如RS232，UART，USB等），高集成、低功耗芯片技术等。第15章蓝牙技术目前，蓝牙技术主要以满足FCC（FederalCommunicationsCommission美国联邦通信委员会）的要求为目标。在其他国家的应用，需要做一些适应性调整，如发射功率和频带。BLUETOOTH1.0规范已公布的主要技术指标和系统参数如表15―1。第15章蓝牙技术表15―1BLUETOOTH1.0技术指标和系统参数第15章蓝牙技术第15章蓝牙技术15.3蓝牙技术的特点蓝牙技术是为了实现以无线电波替换移动设备所使用的电缆而产生的。它试图以相同成本和安全性完成一般电缆的功能，从而使移动用户摆脱电缆束缚，这就决定了蓝牙技术具备以下技术特性。第15章蓝牙技术1.成本低为了能够替代一般电缆，它必须具备和一般电缆差不多的价格，这样才能被广大普通消费者所接受，也才能使这项技术普及开来。蓝牙的最终目标是集成于单价为5美元的CMOS芯片。目前，蓝牙芯片价格降不下来，既有经济原因，也有技术原因。从技术角度来看，蓝牙芯片集成了无线、基带和链路管理层功能，而链路管理功能实际上既可以通过硬件实现，也可以通过软件实现，如果由软件实现链路管理层功能，那么芯片被简化，价格也将变得合理。第15章蓝牙技术2.功耗低、体积小蓝牙技术本来目的就是用于互连小型移动设备及其外设，它的市场目标是移动笔记本电脑、移动电话、小型的PDA以及它们的外设，因此蓝牙芯片必须具有功耗低、体积小的特点，以便于集成到小型便携设备中去。蓝牙产品输出功率很小(只有1mW)，仅是微波炉使用功率的百万分之一，是移动电话的一小部分。3.近距离通信蓝牙技术通信距离为10m，如果需要的话，还可以选用放大器使其扩展到100m。这已经足够在办公室内任意摆放外围设备，而不用再担心电缆长度是否够用。第15章蓝牙技术4.安全性同其它无线信号一样，蓝牙信号很容易被截取，因此蓝牙协议提供了认证和加密功能，以保证链路级的安全。蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供，采用流密码加密技术，适合于硬件实现，密钥由高层软件管理。如果用户有更高级别的保密要求，可以使用更高级、更有效的传输层和应用层安全机制。认证可以有效防止电子欺骗以及不期望的访问，而加密则保护链路隐私。除此之外，跳频技术的保密性和蓝牙有限的传输范围也使窃听变得困难。第15章蓝牙技术然而，在提供链路级认证和加密的同时，也阻碍了一些公共性较强应用模型的用户友好访问，比如服务发现和商业卡虚拟交换等。因此，为了满足这些不同的安全需求，蓝牙协议定义了三种安全模式。模式1不提供安全保障，模式2提供业务级安全，模式3则提供链路级安全。第15章蓝牙技术15.4蓝牙系统组成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（协议栈）单元四个功能单元组成。1.天线单元蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、重量轻，因此，蓝牙天线属于微带天线。蓝牙空中接口是建立在天线电平为0dB的基础上的。空中接口遵循FCC有关电平为0dB的ISM频段的标准。第15章蓝牙技术2.链路控制（固件）单元在目前蓝牙产品中，人们使用了3个IC分别作为连接控制器、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。它有3种纠错方案：1/3比例前向纠错（FEC）码、2/3比例前向纠错码和数据的自动请求重发（ARQ）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。第15章蓝牙技术但是，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。第15章蓝牙技术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：发送和接收数据；请求名称；链路地址查询；建立连接；鉴权；链路模式协商和建立；决定帧的类型。此外，还控制设备的工作状态即呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）三种模式。将设备设为呼吸模式，Master（主机）只能有规律地在特定的时隙发送数据，第15章蓝牙技术Slave降低了从Pioconet“收听”消息的速率，“呼吸”间隔可以依应用要求做适当调整；将设备设为Hold模式，Master可把Slave置为Hold模式，在这种模式下，只有一个内部计数器在工作。Slave也可主动要求置为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。第15章蓝牙技术在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使用。蓝牙基带技术支持两种连接类型：同步定向连接（SCO，SynchronousConnectionOriented）类型，主要用于传送话音；异步无连接（ACL，AsynchronousConnection