无线技术之蓝牙技术概论.ppt

1、蓝牙技术概论,物联网关键技术 成都无线龙通讯科技有限公司 2010-06,蓝牙,身边蓝牙产品,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,蓝牙”的由来,关于这位国王的名字有两种说法：一种说法是他的全名是Harald Blatand，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,蓝

2、牙”的由来,1000年后的今天，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,蓝牙联盟,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、芬兰诺基亚、日

3、本东芝、美国IBM和英特尔公司五家著名厂商，组成了一个特殊利益集团（有的译为特别兴趣小组）SIG（Special Interest Group）。之后，蓝牙引起了越来越多企业的关注,蓝牙联盟,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

4、此广泛的关注和支持，也是以往所罕见的,蓝牙概述,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,蓝牙概述,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,蓝牙概述,具体地说，

5、“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,蓝牙概述,蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种短距离无线电技术。 蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高为每秒1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10米左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加,蓝牙概述,蓝牙产品采用的是跳频技术，能够抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提

6、高通信的安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰； 采用2.4GHz的ISM (即工业、科学、医学)频段，以省去申请专用许可证的麻烦；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠； “蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙； “蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。 “蓝牙”的每一个话音通道支持64Kbps的同步话音，异步通道支持的最大速率为721Kbps、反向应答速率为57.6Kbps的非对称连接，或者432.6Kbps的对称连接,蓝牙频段,蓝牙技术使用全球

7、通行的、无需申请即可使用ISM频段2.45GHz。 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。 f=2402+kMHz，k=078 上下保护带分别为3.5MHz和2MHz，跳频次数为1600次秒(625uS)。 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,蓝牙网络,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,蓝牙网络,Master,Active Slave,Parked Slave,

8、Standby,蓝牙网络,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,蓝牙芯片,蓝牙芯片,第6代蓝牙芯片,蓝牙芯片,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99（mm）的微芯片中，如图所示。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。例如，引入到移动电话和笔记本电脑，就可建立无线通

9、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,蓝牙技术规范,蓝牙以无线LANs的IEEE802.11标准技术为基础。应用了“Plonk and play”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,蓝牙技术规范,目前，蓝牙技术主要以满足FCC（Federal Communications Commission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

10、技术指标和系统参数如表,蓝牙技术规范1.0,蓝牙技术规范1.0,蓝牙1.2,蓝牙1.2版本相对于1.1版本而言，主要为加入以下四项新增功能： 1.Adaptive Frequency Hopping（AFH）:即所谓适应性跳频技术，主要的功能是用来减少蓝芽产品与其它无线通讯装置之间所产生的干扰问题 2.Extended Synchronous Connection-Oriented links（eSCO）:即延伸同步连结导向信道技术，用于提供具高度QoS的音讯传输，而能进一步满足更高阶语音与音讯产品的需求。 3.Faster Connection：即快速连接。包含First FHS与Inter

11、laced scan技术，缩短重新搜索与再连接的时间，使连结的过程更为稳定、更快速，使蓝芽产品在使用上更为平顺。 4.与蓝芽1.1版本产品兼容：确保其可向后兼容于1.1版本的产品,蓝牙2.0规范,Bluetooth SIG 宣布采用蓝牙核心规范2.0 版本及更高数据传输速率（EDR ）。新规范使其数据传输速率提高2 倍，并降低了功耗，从而延长电池的使用时间。由于带宽增加，新规范提高了设备同时进行多项任务处理、或同时连接多个蓝牙设备的能力，并使传输范围可达100 米，最高速率达到10Mbps,蓝牙2.0规范,蓝牙核心规范2.0 +EDR主要改进如下： 3 倍于蓝牙1.2 的数据传输速率（最大可以

12、达到10倍）。 通过减少工作负载循环达到较低电力消耗。 增加带宽简化了多连接模式。 向后兼容早期蓝牙设备。 降低了比特误差率BER （Bit Error Rate,蓝牙技术特点,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,技术特点,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，这样才能被接受，也才能普及开来。蓝牙的最终目标是集成于单价为1-5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,技术特点,2. 功耗低、体积小

13、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,技术特点,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,技术特点,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

14、供，适合于硬件实现，密钥由高层软件管理。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,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,系统组成,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3050个单独调谐元件,系统组成,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

15、它远端LM并通过LMP（链路管理协议）与之通信,系统组成,4. 软件（协议栈）单元 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。它必须符合已经制定好的蓝牙规范。 蓝牙协议可以分为4层，即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其它协议层,蓝牙协议栈,RF,Baseband,Audio,Link Manager,L2CAP,SDP,RFCOMM,Applications,Middleware Protocol Group,Transport Protocol Group,蓝牙协议栈,蓝牙协议栈,基带协议 基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的

16、物理连接。蓝牙的射频系统是一个跳频系统，其任一分组在指定时隙、指定频率上发送。它使用查询和分页进程同步不同设备间的发送频率和时钟，为基带数据分组提供了两种物理连接方式，即面向连接（SCO）和无连接（ACL），而且，在同一射频上可实现多路数据传送。 ACL适用于数据分组，SCO适用于话音以及话音与数据的组合，所有的话音和数据分组都附有不同级别的前向纠错（FEC）或循环冗余校验（CRC），而且可进行加密。此外，对于不同数据类型（包括连接管理信息和控制信息）都分配一个特殊通道。 可使用各种用户模式在蓝牙设备间传送话音，面向连接的话音分组只需经过基带传输，而不到达L2CAP。话音模式在蓝牙系统内相对简

17、单，只需开通话音连接就可传送话音,蓝牙协议栈,连接管理协议（LMP） 该协议负责各蓝牙设备间连接的建立。它通过连接的发起、交换、核实，进行身份认证和加密，通过协商确定基带数据分组大小。它还控制无线设备的电源模式和工作周期，以及微微网内设备单元的连接状态。 逻辑链路控制和适配协议（L2CAP） 该协议是基带的上层协议，可以认为它与LMP并行工作，它们的区别在于，当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务。L2CAP向上层提供面向连接的和无连接的数据服务，它采用了多路技术、分割和重组技术、群提取技术。L2CAP允许高层协议以64k字节长度收发数据分组。虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连

18、接类型，但L2CAP只支持ACL,蓝牙协议栈,服务发现协议（SDP） 发现服务在蓝牙技术框架中起着至关紧要的作用，它是所有用户模式的基础。使用SDP可以查询到设备信息和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。 电缆替代协议(RFCOMM) RFCOMM是基于ETSI-07.10规范的串行线仿真协议。它在蓝牙基带协议上仿真RS-232控制和数据信号，为使用串行线传送机制的上层协议（如OBEX）提供服务,蓝牙协议栈,二元电话控制协议（TCS-Binary或TCSBIN） 该协议是面向比特的协议，它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令，定义了处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程。基于ITU

19、TQ.931建议的TCSBinary被指定为蓝牙的二元电话控制协议规范。 AT命令集电话控制协议 SIG定义了控制多用户模式下移动电话和调制解调器的AT命令集，该AT命令集基于ITU TV.250建议和GSM07.07，它还可以用于传真业务,蓝牙协议栈,点对点协议（PPP） 在蓝牙技术中，PPP位于RFCOMM上层，完成点对点的连接。（选用协议） TCP/UDP/IP 该协议是由互联网工程任务组制定，广泛应用于互联网通信的协议。在蓝牙设备中，使用这些协议是为了与互联网相连接的设备进行通信。（选用协议,蓝牙协议栈,对象交换协议（OBEX） IrOBEX(简写为OBEX)是由红外数据协会（IrDA

20、）制定的会话层协议，它采用简单的和自发的方式交换目标。OBEX是一种类似于HTTP的协议，它假设传输层是可靠的，采用客户机/服务器模式，独立于传输机制和传输应用程序接口（API）。 电子名片交换格式（vCard）、电子日历及日程交换格式（vCal）都是开放性规范，它们都没有定义传输机制，而只是定义了数据传输格式。SIG采用vCard/vCal规范，是为了进一步促进个人信息交换。 （选用协议） 无线应用协议（WAP） 该协议是由无线应用协议论坛制定的，它融合了各种广域无线网络技术，其目的是将互联网内容和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话和其他无线终端上。 （选用协议,蓝牙地址,每个蓝牙设备都分配了

21、一个48位的地址，即蓝牙地址。 使用中把蓝牙地址分成了三段： 低24位地址段 未定义8位地址段 高16位地址段 其中，高16位和低24位合在一起形成了蓝牙寻址空间240，作为生产厂的惟一标识码，由蓝牙权威部门分配给不同的厂商,蓝牙与无线局域网,IEEE802.11标准主要用于办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线数据存储接入业务，其最高速率为2Mb/s。 从形式上看，蓝牙和采用IEEE802.11的无线局域网络（WLAN）很相似，它们的共同之处在于,蓝牙与无线局域网,1)工作在2.4GHz频段上； (2)支持移动联网，用户可以灵活地移动计算设备的位置，保持持续的网络连接； (3)不需要使用

22、物理线路，安装非常简便； (4)因为无线网络所使用的高频率无线电波可以穿透墙壁或玻璃窗，所以网络设备可以在有效范围内任意放置； (5)多层安全防护措施可以充分确保用户隐私； (6)改动网络结构或布局时，不需要对网络进行重新设置,蓝牙与无线局域网,但它们之间是有区别的。主要表现在以下几点： 首先蓝牙的覆盖范围小，性能相对较低，通过应用通信协定与其它设备相连；无线局域网络的传输速率高，范围为50m，可涵盖整层楼和整个办公室,蓝牙与无线局域网,其次，蓝牙通信模块与802.11相比，耗电低，成本便宜，通信时的操作也简单。由配有蓝牙的设备搜索出位于半径10m内的另外一台配备蓝牙的设备，双方认证后就可通信

23、。1台配备蓝牙的设备可与7台蓝牙设备同时进行通信。与无线LAN不同，对方可为手机、数码相机等多种设备。蓝牙技术也为已有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,蓝牙与无线局域网,蓝牙设备使用ISM频段实时进行数据和语音传输，意味着在办公室、家庭和旅途中，无需布设专用线缆和连接器，通过蓝牙遥控装置可以形成一点到多点的连接，即在该装置周围组成一个“微网”，网内任何蓝牙设备都可与该装置互通信号，而且无需复杂的软件支持,蓝牙与无线局域网,此外，WLAN研发与生产成本的降低速度比较快，以802.11技术为规格的相关产品，几乎每年都以30的速度降低成本。但相比较而言，目前IE

24、EE802.11更具竞争力,蓝牙与无线局域网,总的来讲，IEEE802.11比较适合于办公室中的企业无线网络，而蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合。目前这些技术还处于并存状态，从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们将走向融合,无线局域网,蓝牙应用,如前所述，蓝牙技术的初衷是无线互连小型移动设备及其外设，使它们之间的连接变得简单、容易。它的市场目标是笔记本、手机、耳机、小型的PDA及其外设。 因此，蓝牙最普通的应用是替代PC机与打印机、鼠标、扫描仪、投影仪等外设的连接电缆，以及无线互连PDA、手机以及PC机等。尤其是笔记本与手机利用蓝牙技术的互相连接，大大扩展了其各自的应用领

25、域,蓝牙应用模式,更令人意想不到的是，越来越多的电子产品，甚至家电产品也集成了蓝牙技术，新的应用潜力也在不断地被开发出来，可以预见，蓝牙将会给人们带来新的自由和生活。 蓝牙特殊利益集团（SIG）规范了蓝牙的各种应用模式，每一种应用模式对应一个“Profile”，规范了相应模式功能和使用的协议。不同厂商产品只要遵循同样的“Profile”，相互之间就能够互通。下面根据蓝牙SIG的规范，介绍其主要应用模式,应用模式,1.对讲机 未来采用蓝牙技术的移动电话将是“三合一”，即集移动电话、无绳电话、对讲机三种功能于一身。两个蓝牙设备之间在近距离内可以建立直接语音通路，比如两个蜂窝电话用户之间，通过蓝牙连接可以直接进行对话，这样移动电话就可以当对讲机用,应用模式,2.无绳电话 内置蓝牙芯片的移动电话，在室内可以用做无绳电话，通过无绳电话基站接入PSTN进行语音传输，从而不必支付昂贵的移动通话费用，当然在室外或途中仍作为移动电话使用,应用模式,3.头戴式耳机 采用蓝牙技术的头戴式耳机作为移动电话、个人计算机等的语音输入、输出接口，能够在保持私人通话的同时，使用户摆脱电缆束缚而有更大活动自由,应用模式,4.传真 采用蓝牙无线技术的移动电话或Modem，可以用做计算机传真Modem，以发送和接收传真信息，此时它们被称为“广域网数据