蓝牙技术调研报告

CENTRALSOUTHUNIVERSITY课外研学调研报告题目关于无线蓝牙技术的调研学生姓名指导教师邓晓衡学院信息科学与工程学院专业班级完成时间2012\01\13摘要如今的信息时代，“无线”这个名词已经深入到生活和工作的各个领域，越来越多的产品都用上了无线，其中的典型就是无线网络和无线通信。目前，作为新兴无线通信技术的无线个域网络(WPAN)与无线局域网络(WLAN)正在迅速发展。而作为WPAN主导技术的蓝牙目的是取代有线连接，能够支持10m范围内的700kb/s数据或语音传输。蓝牙作为一种无线电的典型，在各类产品中应用范围广泛，现已涉及到办公自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑等方面，而且应用前景良好、发展势头强劲。蓝牙无线技术能够提供比有线连接更加自由的连接方式，被称为个人通信技术领域的一次革命。为了更好了解我们生活中的领先技术，改善我们的生活，跟上时代的脚步，此次调研至关重要。本文将从蓝牙的形成背景、发展历程及现状、基本原理和特点、关键技术及应用、存在的关键问题及发展趋势等方面对无线蓝牙技术进行粗略的介绍。关键词：无线通信蓝牙技术无线个域网蓝牙应用目录TOC\o"1-5"\h\z前言1\o"CurrentDocument"第一章蓝牙技术的形成背景、发展历程及现状2\o"CurrentDocument"1.1形成背景21.2发展历程2\o"CurrentDocument"1.2.1蓝牙技术最初由爱立信创制2\o"CurrentDocument"1.2.2蓝牙1.0版本及1.0B版本2\o"CurrentDocument"1.2.3蓝牙1.1版本3\o"CurrentDocument"1.2.4蓝牙1.2版本3\o"CurrentDocument"蓝牙2.0+EDR版本3\o"CurrentDocument"蓝牙2.1+EDR版本3\o"CurrentDocument"蓝牙3.0+HS版本3\o"CurrentDocument"1.2.8蓝牙4.0版本4\o"CurrentDocument"1.3现状4\o"CurrentDocument"第二章基本原理和特点4\o"CurrentDocument"2.1基本原理4\o"CurrentDocument"2.1.1蓝牙解决的问题4\o"CurrentDocument"2.1.2蓝牙的解决方案4\o"CurrentDocument"2.2特点4\o"CurrentDocument"第三章关键技术及应用6\o"CurrentDocument"3.1关键技术二6\o"CurrentDocument"3.1.1IEEE802.11b标准6\o"CurrentDocument"3.1.2自适应跳频技术6\o"CurrentDocument"3.2应用8\o"CurrentDocument"第四章存在的关键问题及发展趋势9\o"CurrentDocument"4.1存在的关键问题9\o"CurrentDocument"4.2发展趋势10\o"CurrentDocument"第五章结束语11\o"CurrentDocument"参考文献12刖言近年来，因特网(Internet)技术和移动通信技术已经成为整个通信业高速发展的两大支柱。以Internet为代表的数据通信的普及,使得整个社会已经步入了网络社会。移动通信技术的迅猛发展，也已经极大地改变了人们生活和工作方式。人们在享受着移动电话带来方便的同时，逐渐出现了移动数据通信的需求，推动着Internet技术和移动通信技术进一步紧密地集成。另外，随着家用电子电器的发展，无论在办公室还是居室到处都布满了各种各样的电缆，而有线电缆却有相当多的的固有缺点(如使用不便、连线频出故障、各种电缆之间不通用等诸多伤脑筋的问题)。蓝牙技术正是在此种情况下应运而生的。所谓蓝牙技术，是一种低功率短距离的无线连接技术标准的代称，其实实质是要建立通用的无线空中接口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情况下，能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。一般来说，它的链接范围为10cm~10m;如果增加传输功率的话，其链接范围可以扩展到100m。蓝牙技术以无线局域网的IEEE802.11标准技术为基础，工作在2.4GHzISM频段，在世界范围内都可以自由使用。蓝牙技术规范中采用了一种Plonkandplay的概念，其作用是让用户只要在能建立连接的情况下都可以使用，而且是即时的。另外，蓝牙技术在关于安全性研究方面采用了独特的跳频技术，每隔一段时间就从一个频率跳到另一个频率，这样既能保障安全，又能减小干扰。本文主要从蓝牙的形成背景、发展历程及现状、基本原理和特点、关键技术及应用、存在的关键问题及发展趋势等方面对无线蓝牙技术进行粗略的介绍，并提出一些个人的问题。第一章蓝牙技术的形成背景、发展历程及现状1.1形成背景1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组，以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。芯片霸主Intel公司负责半导体芯片和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发，IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三康、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品，使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景，并预示着21世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。关于蓝牙这个名字的由来还有一个小故事。“。“蓝牙”这名称来自10世纪的丹麦国王哈拉尔德(HaraldGormsson)的外号。出身海盗家庭的哈拉尔德统一了北欧四分五裂的国家，成为维京王国的国王。由于他喜欢吃蓝莓，牙齿常常被染成蓝色，而获得“蓝牙”的绰号，当时蓝莓因为颜色怪异的缘故被认为是不适合食用的东西，因此这位爱尝新的国王也成为创新与勇于尝试的象征。1998年，爱立信公司希望无线通信技术能统一标准而取名“蓝牙”。1.2发展历程1.2.1蓝牙技术最初由爱立信创制1999年5月20日，索尼爱立信、IB英特尔、诺基亚及东芝等业界龙头创立蓝牙特别兴趣组，制订蓝牙技术标准。1.2.2蓝牙1.0版本及1.0B版本早期的1.0和1.0B版本存在很多问题，不同厂商的产品也互不兼容。同时，在两个装置“握手”的过程中，蓝牙硬件的位址会被传送出去，在协定的层面上不能做到匿名，有泄漏资料的危险。“蓝牙的标准是IEEE802.15，蓝牙协议工作在无需许可的ISM频段2.45GHz。最高速度可达723.1kb/s。为了避免干扰可能使用2.45GHz的其它协议，蓝牙协议将该频段划分成79条渠道，并且最多每秒可更换渠道1600次。1.2.3蓝牙1.1版本2000年11月，SIG通过了蓝牙1.1版本，这是一个成功的操作蓝牙版本，更正了先前版本中出现的问题。此版本中涉及的改变有以下几个方面：在无线电方面，1.1版本升级了对无线电波的选择范围；在IA方面，其改变主要包括主从关系分类和关键字互换链接备用，这解决了由CVSD编码器中混乱字符产生的互通性问题；在链接管理方面，链接管理部分在所有内容中修改最多，共有25处修改，这些修改包括对其他设备附属传送及相互电文鉴别的阻止路径。1.2.4蓝牙1.2版本蓝牙1.2版本的发表，被SIG视为能够让蓝牙产品更易于使用的具有里程碑意义的技术，其相较于1.1版本而言，主要加入了4项新增功能：1)自适应跳频；2)加入延伸同步连接导向信道技术；3)FasterConnection，加入FirstFHS与Interlacedscan技术；4)向后兼容，确保其能兼容1.1版本1.2.5蓝牙2.0+EDR版本该版本是蓝牙1.2版本的改良版，主要有五大改进：3倍于蓝牙1.2版本的数据传输速率；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BE.1.2.6蓝牙2.1+EDR版本该版本是针对蓝牙2.0版本提出的改良版的技术标准。主要修改包括2个方面：改善装置配对流程；具有更佳的省电效果1.2.7蓝牙3.0+HS版本2009年4月蓝3.0版本标准正式发布，其名称为Bluetooth3.0+HS。BT3.0使用了AMP(genericalternatemAC/PHY)技术，其速度可以比得上Wi-Fi无线网络，同时透过与802.11通讯协议的整合，安装有蓝牙3.0模块的终端不仅可以被用在手持装置间传输一些小档案，而且连接DV、HDTV、PC多媒体随身播放器、UPMC打印机等不同的组合，都是BT3.0+HS有可能被应用的范围。1.2.8蓝牙4.0版本2010年4月20日，SIG表示，蓝牙4.0技术规范已经基本成型，蓝牙4.0包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。蓝牙4.0的改进之处主要体现在三个方面，电池续航时间、节能和设备种类上。1.3现状目前，蓝牙技术已获得了全球认可，世界各地的蓝牙设备都可以与其邻近的蓝牙设备连接。蓝牙电子设备可以通过短距离的即时网络(称为微微网)进行无线连接和通信。每个设备最多可以在微微网中同时与七个其它设备进行通信。每个设备还可以同时属于多个微微网。当蓝牙设备进入然后离开无线电邻近区域时，微微网可在此期间自动动态建立。现在，蓝牙有超过10亿的无线用户，其中包括5亿多使用无线互联网访问服务的用户。第三代移动通信技术将为蓝牙互联提供更大的市场，蓝牙互联技术允许手机、便携设备、笔记本电脑和第三方的接入设备互相连接在一起。表1蓝牙技术的基本指标情况主要技术指标基本情况核心规格版本版本2.0+增强数据率(EDR)，2004年11月正式米用。版本3.0+HS，2009年4月正式发布。ISO协议层Bluetooth无线规格为产品开发商提供了链路层和应用层定义，可以支持数据和语音应用。频谱运行于2.4至2.485GHz波段，使用扩频跳频全双工信号，额定速率为1600跳/秒。2.4GHzISM波段在大多数国家都可用，且不需申请许可证。传输范围1类无线电主要用于工业应用案例-拥有100米或300英尺的作用范围2类无线电通常用于移动设备-拥有10米或30英尺的作用范围3类无线电最大范围可达1米或3英尺功率最常用的2类无线电使用2.5mW的功率。数据率版本2.0+EDR支持3Mbps；版本3.0+HS可支持24Mbps第二章基本原理和特点2.1基本原理2.1.1蓝牙解决的问题如果任意两个设备需要相互“对话”，则在开始“对话”之前，它们需要在很多方面达成“协议”。首先是物理层：它们是通过线缆，还是通过某种形式的无线信号进行“对话”？如果使用线缆，那么需要多少条，1条、2条、8条，还是25条？确定好物理特性后，还会出现以下问题：（1）一次要发送多少数据？例如，串行端口一次可发送1比特的数据，而并行端口一次可发送若干比特的数据。（2）它们将如何进行“对话”？参与电子“讨论”的各方需要知道比特数据的含义，以及接收到的信息与发送的信息是否相同。这意味着需要开发一组命令和响应，称为“协议”。2.1.2蓝牙的解决方案蓝牙主要应用于以下两个层上：它促成物理层达成协议，蓝牙属于无线电频率标准。它不需要用户干预，且始终保持极低的传输功率。它促成协议层达成协议，产品必须就何时发送比特、一次发送多少比特，以及如何让对话各方确信接收信息与发送信息相同达成协议。2.2特点适用设备多蓝牙技术最大的优点是使众多电信和计算机设备无须电缆就能联网。例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉连接电缆而通过无线使其建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其他的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。工作频段全球通用蓝牙技术以无线局域网的IEEE802.11标准技术为基础，工作在2.4GHzISM频段，该频段用户不必经过允许，在世界范围内都可以自由使用，这就消除了国界的障碍。使用方便蓝牙技术规范中采用了一种Plonkandplay的概念，它有点类似即插即用。这样，用户不必再需要学习如何安装和设置，凡是潜入蓝牙技术的设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立联系，利用相关的控制软件，无需用户干预即可传输数据。安全加密、抗干扰能力强为了避免干扰，蓝牙技术特别设计了快速确认和跳频方案，每隔一段时间就从一个频率跳到另一个频率，不断搜寻干扰比较小的信道。多路多方向链接蓝牙无线收发器的链接距离可达10m，不限制在直线范围内，甚至设备不在同一间房内也可以相互连接，并且可以连接多个设备，最多可达7个，这就可以把用户身边的设备都连接起来，形成一个个人领域的网络。第三章关键技术及应用3.1关键技术3.1.1IEEE802.11b标准它工作在2.4GHz，直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mb/s,无须直线传播.支持的范围在室外为300m，在办公环境中最长为100m.使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。3.1.2自适应跳频技术自适应跳频技术是建立在自动信道质量分析基础上的一种频率自适应和功率自适应控制相结合的技术。他能使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频点，并以最小的发射功率、最低的被截获概率，达到在无干扰的跳频信道上长时间保持优质通信的目的。所谓频率自适应控制是在跳频通信过程中，拒绝使用那些曾经用过但是传输不成功的跳频频率集中的频点，即实时去除跳频频率集中被干扰的频点，使跳频通信在无干扰的可使用的频点上进行，从而大大提高跳频通信中接收信号的质量。3.1.3纠错技术在蓝牙技术中使用了三种纠错方案：1/3比例前向纠错码（1/3FEC）、2/3比例前向纠错码（2/3FEC）和用于数据的自动请求重发（ARQ）方式。1/3比例前向纠错码是一种较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每位信息重复三次。2/3比例前向纠错码是一种（15,10）精简的汉明码表示方法，用于部分分组。使用ARQ方式，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余检测，被认为无错后，才向发送端反回确认信息；否则，返回一个错误信息。3.1.4微微网蓝牙支持点对点和点对多点的通信，其最基本的网络组成是微微网。微微网是通过蓝牙技术连接起来的一种微型网络，由一个主设备（Master）和若干个从设备（Slave）组成，且从设备最多为7台。主设备负责通信协议的动作，而从设备则受控于主设备。一个微微网可以是2台相连的设备，也可以是8台连在一起的设备，所有设备单元均采用同一跳频序列。主从设备的拓扑结构如图1所示（a＞点对点lb）攻对多点图1微微网中主从设番的拓扑结构图蓝牙给每个微微网都提供了特定的跳转模式，因此，它允许大量的微微网同时存在。同一区域内，多个微微网互联形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。3.1.5安全性蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此，安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但蓝牙技术仍然需要在应用层和链路层上提供安全措施。该措施将用于对等环境，即蓝牙系统每个单元中设备的匹配和加密规则都将以同样的方法实现。在链路层，蓝牙的使用四个参数来保证系统的安全性：每个用户唯一的48位地址、用户的128位验证密钥、用户的8〜128位加密密钥、设备产生的一个128位随机数RAND。蓝牙的低层安全是通过基带和链路管理中的鉴权、匹配和加密完成的。鉴权基于“竞争-应答”算法，是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域。校验器发送一个LMP-au-randPDU分组给请求者，该PDU（协议数据单元）分组含有一个随机数。请求者根据获取的分组计算出应答值，然后将应发回给校验器，验证应答值是否正确。当两台设备无共用链接字时，则基于个人识别码PIN和随机数创建初始化字Kinit，这一过程为匹配。Kinit字在校验器向请求者发出LMP-in-rand时创建，然后进行鉴权，共计算过程基于Kinit字，而不是链接字。通过鉴权后，链接字即被创建。加密被用来保护连接中的个人信息，密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序，可以为用户提供一个较强的安全机制，需要注意的是，加密字节全不同于鉴权字。鉴权字具有静态性，而一旦建立加密字，就由运行在蓝牙设备上的具体应用，来决定什么时候和是否需要修改加密字。3.2应用居家现代家庭与以往的家庭有许多不同之处。在现代技术的帮助下，越来越多的人开始了居家办公，生活更加随意而高效。通过使用蓝牙技术产品，人们可以免除居家办公电缆缠绕的苦恼。鼠标、键盘、打印机、膝上型计算机、耳机和扬声器等均可以在pc环境中无线使用，这不但增加了办公区域的美感，还为室内装饰提供了更多创意和自由。工作过去的办公室因各种电线纠缠不清而非常混乱，现在，通过无线蓝牙技术，办公室里再也看不到凌乱的电线，整个办公室也像一台机器一样有条不紊地高效运作。PDA可与计算机同步以共享日历和联系人列表，外围设备可直接与计算机通信，员工可通过蓝牙耳机在整个办公室内行走时接听电话，所有这些都无需电线连接。启用蓝牙的设备还能够创建自己的即时网络，让用户能够共享演示稿或其它文件，不受兼容性或电子邮件访问的限制。Bluetooth设备能方便地召开小组会议，通过无线网络与其它办公室进行对话，并将干擦白板上的构思传送到计算机。生活目前蓝牙技术在日常生活中应用最广的就是在支持蓝牙的手机通话设备上，如手机蓝牙耳机，车载免提蓝牙，使驾驶更安全；使用蓝牙耳机，还有一个我们绝对不能忽视的好处：健康！娱乐玩游戏、听音乐、结交新朋、与朋友共享照片，越来越多的消费者希望能够方便即时地享受各种娱乐活动，而又不想再忍受电线的束缚。蓝牙无线技术是唯一一种能够真正实现无线娱乐的技术。内置了蓝牙技术的游戏设备，让您能够在任何地方与朋友展开游戏竞技---在地下通道、在飞机场或在起居室中。由于不需任何电线，玩家能够轻松地发现对方，甚至可以匿名查找然后开始令人愉快的游戏。第四章存在的关键问题及发展趋势4.1存在的关键问题尽管蓝牙技术现在的应用还算广泛，但其仍处于快速发展阶段，面临着许多亟待解决的问题，有以下：安全性问题蓝牙设备在通信时，都需进行鉴权和加密，虽然规范中严格定义了安全机构，但仍有不足。如当设备A与设备B和设备C同时通信，如果这两条通信链路均采用A的BDADDR作为链路地址，这是B有了A的单元地址，在与A通信时可以冒充C，在与C通信时可以冒充A，这样就给安全带来了问题。能源消耗攻击现在的蓝牙技术大多数采用电池供电，为了节约能源，均采用了节能机制，在不通信时进入休眠状态。“能源消耗攻击”目的就是破坏节能机制，如不断的发送连接请求使设备无法进入节能状态，达到消耗能源的目的。目前，对这种攻击还没有有效的方法制止。.Wi-Fi与蓝牙的干扰问题蓝牙与Wi-Fi共处于2.4GHz的ISM频段，如果二者在重叠频段同时通信将会产生干扰。为了减少干扰，现在有以下四个方案：1）改变频带分配规则和标准规范。2）禁止在一种环境下使用另一种技术。3）技术层次解决方案。4）频带解决方案。.基于大规模散射网的PAN现在的蓝牙规范大多强调单个微微网的应用，而对多个微微网组成的散射网缺乏讨论。在大规模散射网的PAN中，要考虑的安全复杂性大大增加，其中存在许多的技术挑战。蓝牙互操作性问题蓝牙未蓬勃发展，互操作性不理想是原因之一。由于蓝牙技术产生不久。1.1版本虽有所改进，但许多不确定性问题仍然存在，厂商根据本身的要求开发设备，造成互操作性问题。SDP和HCI的很好实现，是解决胡操作性问题的