第12章 蓝牙技术

《移动通信技术》电子教案第12章蓝牙技术*12.1概述

蓝牙（Bluetooth），是1998年5月由爱立信、IBM、Intel、Nokia、东芝等5家公司联合制定的近距离无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输速率1Mbit/s（有效传输速率为721kbit/s）、最大传输距离为10m的无线通信。Bluetooth原为欧洲中世纪的丹麦国王HaraldII的名字，他为统一四分五裂的瑞典、芬兰、丹麦立下了不朽的功劳。瑞典爱立信公司为这种即将成为全球通用的无线技术命此名，也许大有一统天下的含义。12.1.1蓝牙技术特点1．蓝牙技术的开放性2．蓝牙技术的通用性3．短距离低功耗4．无线“即连即用”5．抗干扰能力强6．支持语音和数据通信7．组网灵活8．软件的层次结构12.1.2蓝牙系统的功能单元蓝牙系统的功能单元主要包括：无线射频单元、链路控制单元（基带）、链路管理、软件功能。图12-1蓝牙系统的基本功能单元蓝牙系统的基本功能单元如图12-1所示。1．无线射频单元（1）频带及射频RF蓝牙天线属于微带天线，蓝牙无线接口是基于常规无线发射功率0dBm设计的，符合美国联邦通信委员会（FCC）的ISM频段的规定。虽然该频段为全球通用，但实际上准确的频率和带宽在各国有一些差异。在美国和欧洲，使用的带宽为83.5MHz，在该频段里，以1MHz的带宽为间隔设立了79个射频跳频点。在日本、西班牙和法国，缩减了带宽，在该频段里设立了23个射频跳频点，其带宽仍以1MHz为间隔，如表12-1所示。（2）信道定义信道使用一组伪随机跳频序列，经79或23个射频跳频点的跳频序列来表示。跳频序列对Piconet微微网络，见12.2.1节是唯一的，而且由主单元蓝牙设备编址确定，跳频序列的相位由主单元蓝牙时钟确定。信道被划分为时隙（TimeSlot，TS）的形式，且每一时隙对应一个RF跳频点。连续跳频则对应于不同RF跳频模式，理论跳频速率为1

600hop/s，参加Piconet的全部蓝牙单元与信道保持时间和跳频同步。（3）时隙信道被分成长度为625

s的时隙。时隙依据Piconet主单元蓝牙时钟来编号。时隙标号区域为0～227−1且循环周期是227。在各时隙中，主单元和从单元都能够传输分组。2．蓝牙链路控制器基带描述了设备的数字信号处理部分，即蓝牙链路控制器，它完成基带协议和其他底层的链路规程，主要包括以下几个方面。（1）网络连接的建立在Piconet内的连接被建立之前，所有设备都处于待机（StandBy）状态。在这种模式下，未连接单元周期性地“监听”信息。作为主单元的设备首先初始化连接程序，如果地址已知，则通过寻呼（Page）消息建立连接；如果地址未知，则通过一个后接Page消息的Inquiry（查询）消息建立连接。对于Piconet中已经处于连接的设备，如果较长一段时间内没有数据传输，蓝牙还能够支持节电模式。（2）链路类型和分组类型①同步面向连接（SCO）链接②异步无连接（ACL）链接（3）纠错基带控制器采用3种纠错方式。①1/3比例前向纠错码FEC②2/3比例前向纠错控制FEC③自动重发请求（ARQ）（4）鉴权和加密3．链路管理（LM）链路管理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并通过链路管理协议与之通信。LM模块提供如下服务：（1）发送和接收数据；（2）请求名称；（3）链路地址查询；（4）建立连接；（5）鉴权；（6）链路模式协商和建立；（7）决定帧的类型；（8）将设备设为sniff（呼吸）模式，master只能有规律地在特定的时隙发送数据；（9）将设备设为hold（保持）模式，工作在hold模式的设备为了节能在一个较长的周期内停止接收数据，平均每秒激活一次链路；（10）当设备不需要传送或接收数据但仍需要保持同步则将设备设为park（休眠）模式，处于休眠模式的设备周期性激活并跟踪同步，同时检查page消息；（11）建立网络连接。4．软件（协议）单元蓝牙基带协议结合电路交换和分组交换，适用于语音和数据传输。蓝牙的软件（协议）单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑，软件（协议）结构需有如下功能：（1）设置及故障诊断工具；（2）能自动识别其他设备；（3）取代电缆连接；（4）与外设通信；（5）音频通信与呼叫控制；（6）商用卡的交易与号簿网络协议。12.2蓝牙网络

12.2.1蓝牙网络的拓扑结构蓝牙系统系统支持两种连接，即点对点和点对多点连接，这样形成了两种网络拓扑结构，即微微网（Piconet）和散射网（Scatternet）。在一个Piconet中，只有一个主单元（master），支持slave和master建立通信。master通过不同的跳频序列来识别每一个slave，并与之通信。多个Piconet构成了一个Scatternet。值得注意的是，在蓝牙网络中，slave之间不能直接通信，必须经过master才行，如图12-3所示。图12-3蓝牙网络拓扑结构12.2.2蓝牙微微网任何两个蓝牙设备可以构成一个连接，这样的连接就称为微微网，微微网最多支持8个设备，其中一个是主设备。微微网中的所有设备都可以作为主设备，当微微网建立后，主节点和从节点的角色可以改变。也就是说，某个微微网主节点可以转变为新微微网的成员，在新的微微网中，原来的主节点变成从节点，而原来的某个从节点变成新的主节点，但无论如何转变，微微网内只允许且必须只有一个主节点，如图12-4所示。图12-4蓝牙微微网构成及实例1．蓝牙时钟每个蓝牙设备都有一个内部的系统时钟，用来决定收发器定时和跳频。蓝牙时钟取自一个自由运行的本地时钟，本地时钟从不进行调整，也不会关闭。对于与其他单元的同步，加到本地时钟的时钟补偿值可提供用于相互同步的临时蓝牙时钟。在不同的模式和状态里的蓝牙单元具有3种不同的时钟特性：本地时钟（CLKN）、预计时钟（CLKE）和主时钟（CLK）2．蓝牙编址（1）蓝牙设备地址BD_ADDR每一个蓝牙的收、发信机都分配一个48位的蓝牙设备地址（BlueTooth

Device_Address，BD_ADDR）。该地址取自IEEE802标准，分为3个部分：由24位构成的低地址字段（LowAddressPart，LAP）部分；由8位构成的高地址字段（UpperAddressPart，UAP）部分；由16位构成的非有效地址字段（Non-significantAddressPart，NAP）部分。LAP和UAP构成BD_ADDR的有效部分，获得的整个地址空间为232，如图12-5所示。图12-5蓝牙设备地址格式（2）蓝牙识别码在蓝牙系统中，共定义了3种不同的识别码：设备识别码（DAC）、信道识别码（CAC）和查询识别码（IAC）。（3）活动成员地址（AD_ADDR）在微微网中的每一个活动从单元都赋予一个3位活动成员地址（AM_ADDR）。全零AM_ADDR则保留，用于广播消息。主单元不具有AM_ADDR，其定时将它与从单元分开。从单元只能采用匹配的AM_ADDR和广播消息分组接收一个分组。AM_ADDR在分组头中携带。只有从单元在信道上处于活动状态时，AM_ADDR才是合法的。一旦从单元脱离链路或进入休眠状态，它就将丢失其AM_ADDR。（4）休眠成员地址（PM_ADDR）处于休眠模式的从单元能够通过其BD_ADDR或通过休眠成员地址PM_ADDR识别。后者地址是一个区分休眠从单元的8位成员地址。只有当从单元处于休眠状态时PM_ADDR才有效。当从单元激活时，它将分配一个AM_ADDR地址，但将丢失PM_ADDR。PM_ADDR在休眠是分配给从单元。（5）访问请求地址（AR_ADDR）访问请求地址用于休眠从单元在访问窗口内确定从-主的半时隙。在该半时隙中它可以允许发送请求消息。当从单元进入休眠模式时，AR_ADDR分配给从单元。而且，只有从单元处于休眠状态时，AR_ADDR才有效。AR_ADDR并不唯一，即不同休眠从单元可以共享一个AR_ADDR。蓝牙基本类型的编址如表12-2所示。表12-2 蓝牙基本类型的编址3．微微网的信道控制与操作蓝牙控制器主要运行在以下两个状态：待命（Standby）和连接（Connection）。微微网内总共有7种子状态可用于增加从单元或者实现连接。这些状态是寻呼（Page）、寻呼扫描（PageScan）、查询（Inquiry）、查询扫描（InquiryScan）、主单元响应（MasterResponse）、从单元响应（SlaveResponse）和查询响应（InquiryResponse），如图12-6所示。（1）待命状态图12-6蓝牙控制器状态表12-3简要说明一下以上的各个状态。（2）连接状态连接（Connection）状态开始于主单元发送POLL数据包，通过这个数据包，主单元即可检查从单元是否已经交换到了主单元的时序和跳频信道，从单元即可以任何类型的数据包响应。12.2.3蓝牙散射网在同一个区域内可能有多个微微网，这几个微微网就构成了散射网。每个微微网有一个不同的主节点，独立地进行跳变。也就是说，每个微微网的跳频序列互不相同，序列的相位由各自的主节点确定。信道上的分组携带不同的信道接入码，信道接入码是由主节点的设备地址决定的。如果有多个微微网覆盖同一个区域，节点根据使用的时间可以加入到两个甚至多个微微网中，要参与一个信道，就必须使用相应的主节点的地址和时钟偏移，以获得正确的相位。这些节点参与了两个或两个以上的微微网，这些节点就称为网桥节点。网桥节点可以是这些微微网的从节点，也可以是在一个微微网中担任主节点而在其他微微网中担任从节点。网桥节点就担负起微微网之间的通信中继任务。当设备成为散射网的节点后，便可以在多个微微网中进行通信。一个微微网的主节点通过呼叫可以使其他微微网的主节点或从节点成为这个微微网的一个从节点。另一方面，属于某个微微网的从节点也可以呼叫其他微微网的主节点或从节点，构成一个新的微微网。12.3蓝牙系统的应用

12.3.1蓝牙可以为局域设备提供互连在一个Piconet中，蓝牙能够对8个接收器进行同步互连。使用蓝牙技术通信的设备可以发送和接收1Mbit/s的数据。但是实际上当允许多个应用设备进行同步通信时，数据传输率会在某种程度上降低。目前不在Piconet中的蓝牙设备，将持续听从其他蓝牙设备的动向，当它们足够接近成为Piconet的一部分时，其他的设备可以与其通信。12.3.2支持多媒体终端3G终端将提供接口接入许多不同格式的信息和通信，如Web浏览、电子邮件传输和接收、视频和语音，使它们成为真正的多媒体终端。语音仍是通信的主要形式，在蓝牙规范中已经意识到这一点，并对此提供特别支持，支持64kbit/s的高质量语音信道。随着支持分组数据和语音能力的不断提高（如果需要可以同时进行），蓝牙可以为这些多媒体应用提供完全的局域支持。蓝牙收发器可以支持多个数据连接并可同时达到3个语音连接，为3个手持无绳多媒体/互联系统提供完全的功能性。12.3.3家庭网络在一个典型的家庭中，有各种形式的娱乐设备（电视/VCR、Hi-Fi），不同来源的主题信息（报纸、杂志、电视报）和在厨房中的功能性设备（烤炉、微波炉、冰箱/冰柜、中央暖气系统）。虽然这些项目组目前没有办法相互连接，但可以设想将其与蓝牙设备组成宽松的连接。不管这些设备在哪里，蓝牙的控制和接入将成为用户的核心。例如，一个简单的数据便签簿（与PDA或智能电话类似），但是使用蓝牙收发器和轻触屏幕，它轻巧便捷，带有驱动菜单，很容易使用并可以完全轻松地控制家庭网络中的所有设备。无线红外遥控的应用将成为过去。12.3.4带有蓝牙功能的自动售货机购物中心的自动售货机，在一个限定范围内的所有的自动售货机都可以通过蓝牙接入系统与中心的售货机管理设备相连。顾客的问题可以直接通过蓝牙发报机传递给购物中心的技术人员；而从中心管理机构发出价格变化的信息，则通过局域广播给所有的蓝牙自动售货机。12.4蓝牙发展的未来趋势12.4.1实践3阶段一般蓝牙从实验室进入市场都要经过3个阶段。第一阶段是蓝牙产品作为附件应用于移动性较大的高端产品中，如移动电话耳机、笔记本电脑插卡（USB卡）或PC卡等，或应用