Bluetooth(蓝牙)技术课件

Bluetooth（蓝牙）技术

Bluetooth技术🞑

1

Bluetooth技术概述🞑

2

Bluetooth协议体系结构🞑

3

Bluetooth应用及产品1 Bluetooth技术概述Bluetooth简介1998年5月爱立信、IBM、Intel、Nokia和东芝五家公司于联合成立了Bluetooth（蓝牙）特别兴趣小组（Special

Interest

Group，SIG），并制订了短距离无线通信技术标准—蓝牙技术。Bluetooth利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的数据网络和小型的外围设备提供了统一的连接。🞑

Bluetooth能够有效地简化--多种通信终端(PDA/智能手机)

-

Internet使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。🞑

Bluetooth是实现语音和数据无线传输的开放性规

范

，

蓝

牙收

发

器

的一般有效通信范围为10米，强的可以达到100米左右。“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(Harald)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。Bluetooth命名由來🞑

Bluetooth首先由Ericsson提出.HaraldBlatand

是10世紀的丹麦国王.在当时北欧的动荡年代，他統一了瑞典、丹麦和挪威的一部分。由于喜欢吃blueberry，牙齿成蓝色

Bluetooth🞑

取他的名字用意在强调這些北欧国家(丹麥瑞典挪威芬兰)对于通信产业的贡献.🞑

SIG也有意在统一无线局域网通信标准。在行业协会筹备阶段,往往需要一个极具有表现力的名字来命名高新技术。Blatand国王将现在的挪威，瑞典和丹麦统一起来；就如同这项即将面世的技术，技术将被定义为允许不同工业领域之间的协调工作。古北欧字母“H”和“B”各种通信设备、电器设备之间的“无线沟通”，是技术层面上的跨平台的“大统一、大联合消除cable1 Bluetooth技术概述Bluetooth的特点（1）拓扑结构🞑蓝牙技术支持点对点或点对多点的话音、数据业务，采用一种灵活的无基站的组网方式。🞑一个蓝牙设备可同时与多个蓝牙设备相连，在有效通信范围内所有设备的地位都是平等的，具有相同的权限。🞑首先提出通信要求的设备称为主设备（master），被动进行通信的设备称为从设备（slave）。1 Bluetooth技术概述Bluetooth的特点（1）拓扑结构🞑

利用时分多址（TDMA，Time

Division

Multi-access

），一个master最多可以同时与7个slave进行通信。🞑

一个master与一个以上的slave构成的网络成为主从网络（piconet），又称微微网。🞑

两个以上的piconet之间存在着设备间的通信则构成了散射网（scatternet）。多个蓝牙设备组成的微微网PiconetBluetooth的特点1 Bluetooth技术概述多个微微网组成的散射网scatternetBluetooth的特点1 Bluetooth技术概述微微网（皮网）MasterSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlave一个微微网可由8个蓝牙设备组成。在同一个微微网中，主设备为所有的设备提供时钟和跳频同步序列。在同一个微微网中，所有的设备有同样的跳频序列。分散网MasterSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveMaster两个或更多的微微网在重叠的区域可以建立特殊的呼叫。微微网的应用（一拖七）建立通信的过程Standby(缺省)Inquiry(查询)(unknown

address)Page(寻呼)(known

address)Connection.Active

power(活动)Sniff(呼吸)Hold(保持)Park(休眠)Standby

–

等待加入一个微微网。Inquiry

–

邀请周围的无线连接。Page

–

连接一个明确的无线链路。Connected

–

加入一个皮网(主设备或者从设备)蓝牙系统—四个功能单元组成🞑

天线单元🞑

链路控制（固件）单元🞑

链路管理（软件）单元🞑

蓝牙软件（协议栈）单元1.

无线单元蓝牙是以无线LAN的IEEE802.11标准技术为基础的，使用2.45GHz

ISM

（工业、科学、医学）全球通自由波段。蓝牙天线属于微带天线，空中接口是建立在天线电平为0dBm基础上的，遵从FCC（美国联邦通信委员会）有关0dBm电平的ISM频段的标准。蓝牙设备的最大发射功率分3个等级，100mW（20dBm），2.5mW（4dBm），1mW（0dBm)。当采用扩频技术时，其发射功率可增加到100mW。频谱扩展功能是通过起始频率为2.402GHz、终止频率为

2.480GHz、间隔为1MHz的79个跳频频点来实现的。其最大的跳频速率为1660跳/s。系统设计通信距离为10cm～10m，如增大发射功率，其距离可长达100m。蓝牙适配器5

m

m10

mm天线滤波器蓝牙芯片9×9

m

m9

m

m18

mm链路控制器（Link

controller）🞑链路控制器（LC）的单元包括3个集成芯片：连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器，此外，还使用了单独调谐元件。🞑链路控制器负责处理基带协议和其他一些底层常规协议。链路管理（Link

management）🞑

链路管理（LM）软件模块实现链路的建立、认证及链路硬件配置等。🞑

链路管理器可发现其他链路管理器，并通过链路管理协议（LMP）建立通信联系。🞑

LM提供的服务有：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、决定帧的类型等。1

跳频技术🞑

2．4

GHz频段中还有802．11b，HomeRF及微波

炉、无绳电话等电子设备，为了与这些设备兼容，蓝牙采用了AFH（Adaptive

Frequency

Hopping），LBT（Listen

Before

Talk）、功率控制等一系列独特的措施克服干扰，避免冲突。Bluetooth关键技术补充知识—跳频通信FH：Frequency

Hopping跳频（FH，Frequency

Hopping）在无线传输中，射频频率按照某种特定算法发生的重复变化.指在接收或发送一分组数据后，即跳至另一频点。对于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒。对于多时隙包，蓝牙的跳频速率有所下降，但在建立链路时则提高为3200跳/秒。发展史：（1）是扩频通信的一个分支，突出优点是抗干扰性强，因而很适用于军事领域。（2）70年代末第一部跳频电台问世，就预示着其发展势头锐不可挡。到了８０年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。通信的安全性而言，跳频短波通信比卫星通信更为可靠。这是因为提供卫星服务的机构对其所属国承担了战略责任，必须受到该国政府的控制。而跳频短波通信是完全自主的，因而也是最可信赖的。90年代，在军用跳频通信领域已相当成熟的同时，跳频通信的应用又拓宽到民用领域。跳频在GSM中应用🞑技术最初用于军事传输系统，目的是保证安全性和防止拥塞,有效地提高系统质量,提高频率利用率.🞑用在GSM上,主要是用来解决容量以及通话质量问题.🞑

使用跳频的背景:🞒

网络的不断扩容，导致频率的复用愈来愈密，频率规划愈来愈难，来自网内的干扰愈来愈多🞒

频率复用度的提高，使本网受网外频点干扰影响的机率愈来愈大🞒

保持频点的相对整洁、干净🞒

使用跳频可以降低频率的冲撞机率🞒

使用跳频可以提高网络的容量🞒

使用跳频可以改善通话质量🞑跳频解决容量需求🞒蜂窝系统的原则是不断的频率复用,以最少的频谱得到最大的容量🞒频率复用的紧密带来同频干扰、邻频率干扰跳频是指某次通话所使用载波频率在一定范围内，按某种规律跳变。每个小区信道组的跳频功能都能单独激活或关闭。跳频……B1

||

f1BURSTBn

||

fn

Bn-1

||

fn-1信息通过不断跳跃改变的频率来传输

多径衰落产生于散射的环境

是移动通信特有的现象

降低传输质量，是影响网络质量的关键因素

是任何移动通信系统都面临的挑战多径衰落（Multipath）2012-12-1234FrequencySignalf1Timef2f3Low

correlationHigh

correlationClosefrequenciesexhibit

similarfading对网络质量的影响多径衰落的频率响应跳频的理论依据？平滑快衰落环境跳频的频率分集信号衰落的谷点在不同的频率出现在不同的位置采用跳频，每个突发脉冲的调制频率不同，如果某一频点发生了频率选择性衰落，则手机接收的信号位于谷点的时间不会超过一个burst周期🞑抑制衰落的有效手段：频率分集F1Non

HoppingHoppingF1Spread

corrupted

burstsF2Corrupted

Bursts平滑、均化干扰跳频的干扰分集B4f4B3f3B2f2B1f1f4f3f2f1在GSM系统中，小区中每个频点所受的干扰强度和分布是不一样的，同一路通话的突发脉冲的载频的变化，降低了信号

所受的干扰？？？，通话受到的电波干扰被平均否则，移动台一直工作在固定的频点上，则整个通话过程的每一个突发脉冲可能都会受到固定不变的强干扰。FH把干扰分散到了携带突发脉冲的不同载频上，这种效果被称为“均化干扰”或“干扰分集”蜂窝网络是频率复用的，同频干扰是存在，跳频使信号所受的是不连续的干扰，而非连续干扰，电波环境得到了改善。对于每一个突发脉冲所受的干扰是变化的，这一点有利于通话质量的提高，否则，整个通话会受到很大干扰干扰分散到了携带突发脉冲的不同的载频上。2012-12-1239非跳频网络中的干扰情形空间上干扰集中在同频的扇区时间上干扰无时不在用户受到持续的干扰解决手段－加大同频基站的距离代价－频率复用率降低f1f1Interference

areas2012-12-1240空间上干扰分布在各个扇区时间上¸干扰无时不在用户仅受到临时的干扰f1

f2

f3f4f1

f2

f3f4f1

f2

f3f4f1

f2

f3f4跳频网络中的干扰情形2012-12-1241f1

f2

f3f4f1

f2

f3

f4f1

f2

f3f4f1

f2

f3f4跳频网络中的干扰情形干扰在时域和空间的分布－干扰分集减少每个用户受到干扰的机率充分发挥信道编码和交织技术平均话音质量得以提高使AGR得以使用GSM系统的跳频示意图采用每帧改变频率的方法，即每隔4.615ms改变载波频率，亦即跳频速率为1/4.615

ms=217

跳/秒。Bluetooth工作频段2.4GHz

ISM频段ISM频段：Industry

Science

and

Medical

Band

（工业、科学、医学）。🞑

信道数：79个（0-78）范围：2.402GHz-2.480GHz信道间隔：1MHzGeographyRegulatory

RangeRF

ChannelEurope/USA/Japan2400~2483.5

MHzf

=

2402+k

MHz,

k=0,

…,

78France2446.5~2483.5

MHzf

=

2454+k

MHz,

k=0,

…,

22🞑

数据速率：①1MBit/s

gross②分组交换或电路交换模式③异步数据和同步语音🞑

功率：①Class1:+20dBm(withPA)②Class2:+4dBm（-6-+4dBm）③Class3:0dBm跳频图案跳频通信时，收发双方必须采用同一种跳频图案。三个条件：跳频频率相同；跳频序列相同；跳频的时钟相同（允许存在一定的误差）FH图案选择随机性：参与FH的每个频率出现概率大致相同—抗干扰能力强密钥量大：FH图案数目足够多正交性好：FH图案出现频率重叠的机会尽量小，有利于组网和多用户4、跳频2.4022.480freqmasterslavetime🞑

2.链路控制（LC，固件）单元🞑链路控制单元链路控制单元（即基带）描述了硬件——基带链路控制器的数字信号处理规范。🞑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。🞑

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。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。🞑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🞑

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；🞑

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。🞑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的消息并恢复同步、检查广播消息🞑

蓝牙基带技术支持两种连接类型：🞑

同步定向连接（SCO，Synchronous

Connection

Oriented）类型，主要用于传送话音；🞑

异步无连接（ACL，Asynchronous

Connectionless）类型，主要用于传送数据包。🞑

蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护

和信息保密机制。鉴权基于“请求——响应

”运算法则🞑鉴权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，比如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。🞑加密被用来保护连接的个人信息。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。🞑

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。🞑

必须符合已经制定好的蓝牙规范。🞑蓝牙规范是为个人区域内的无线通信而制定的协议，它包括两部分：🞑第一部分为核心（Core）部分，用以规定诸如射频、基带、连接管理、业务搜寻（servicediscovery）、传输层以及与不同通信协议间的互用、互操作性等组件；🞑

第二部分为协议子集（Profile）部分，用以规定不同蓝牙应用（也称使用模式）所需的协议和过程。🞑

蓝牙规范的协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量（QoS）、协议的复用和分用等功能。在设计协议栈，特别是高层协议时的原则就是最大限度地重用现存的协议，而且其高层应用协议（协议栈的垂直层）都使用公共的数据链路和物理层。🞑

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。🞑在蓝牙协议栈中，还有一个主机控制接口（HCI）和音频（Audio）接口。HCI是到基带控制器、链路管理器以及访问硬件状态和控制寄存器的命令接口。利用音频接口，可以在一个或多个蓝牙设备之间传递音频数据，该接口与基带直接相连。Bluetooth的特点（5）TDMA结构🞑

TDMA（Time

Division

Multiple

Access），时分多址。1 Bluetooth技术概述🞑TDMA是把时间分割成周期性的帧(Frame)；🞑每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。🞑同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在给定的时隙中传输；🞑各移动终端只要在相应的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。1 Bluetooth技术概述Bluetooth的特点（5）TDMA结构🞑蓝牙的数据传输率为1Mbit/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625μ

s。🞑蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，分别为SCO（Synchronous

Connection

Oriented

Link）链路和ACL（Asynchronous

Connectionless

Link）链路。🞑前者主要传送话音等实时性强的信息，后者则以数据为主。1 Bluetooth技术概述FH/TDD

Channel625

sttmasterslavef(2k)f(2k+1)f(2k+2)指标类型系统参数工作频段ISM频段，2.402～2.480GHz双工方式全双工，TDD时分双工业务类型支持电路交换和分组交换业务数据速率异步信道速率同步信道速率1Mbit/s非对称连接为721kbit/s、57.6kbit/s，对称连接为432.6kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率64kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率功率美国FCC要求小于0dBm（1mW），其他国家可扩展为100mW跳频频率数79个频点/MHz跳频速率1600跳/秒工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式面向连接业务（SCO），无连接业务（ACL）纠错方式1/3

FEC、2/3FEC、ARQ等信道加密采用0位、40位和60位密钥发射距离一般可达10cm～10m，增加功率的情况下可达100m蓝牙规范公布的主要技术指标和系统参数蓝牙标准的发展V1.1(1991年)V2.1(2004年)V1.2V2.2V4.0(2010年)V3.0(2009年)蓝牙标准的发展V1.1(1998年):为最早期版本，传输率约在748~810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。V1.2:748~810kb/s

的传输率，增加了(改善Software)抗干扰跳频功能。

V2.1(2004年):改善了装置配对流程，短距离的配对方面，具备了在两个支持蓝牙的手机之间互相进行配对与通讯传输的NFC（Near

Field

CoMMunication）机制。具备更佳的省电效果。V3.0(2009年):核心是“Generic

Alternate

MAC/PHY”(AMP)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。传输速率更高，功耗更低。V4.0(2010年):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。有效传输距离也有所提升，为60M。BLUETOOTH设备举例PDA,笔记本，手机…Bluetooth

USB

AdaptorBluetooth

耳机Bluetooth

PC

cardBluetooth

USB

Switch🞑市面上的蓝牙产品主要包括蓝牙耳机、蓝牙适配器、车载蓝牙多媒体系统、车载蓝牙电话、蓝牙键盘和鼠标、蓝牙网关、蓝牙无线条码扫描枪等。🞑蓝牙技术可以用来连接其他的无线设备、下载照片、进行多人游戏，甚至可以进行自动存取款、订票。🞑蓝牙技术的应用涉及到居家、工作、娱乐等方面，为我们的生活带来极大的便利，使得物物联网的概念成为现实。3

Bluetooth的应用及产品🞑

2010年7月，蓝牙技术联盟（Bluetooth

SIG）宣布正式采纳蓝牙4.0核心规范，并启动对应的认证计划。🞑

蓝牙4.0的标志性特色是2009年底宣布的低功耗蓝牙无线技术规范，该技术拥有极低的运行和待机功耗，使用一粒纽扣电池可连续工作数年之久，同时还拥有低成本、跨厂商互操作性、3ms低延迟、100m以上超长距离、AES-128加密等特色。🞑

可用于计步器、心律监视器、智能仪表等领域。3

Bluetooth的应用及产品蓝牙技术的应用 家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等。数字照相机、数字摄像机等。无线键盘、鼠标等。 以便携式计算机和掌上计算机为代表。各种电话系统蓝牙技术的应用应用面多前景广阔数字手机、家庭及办公室电话、小型PBX等电话系统等。无线电缆无线办公包数字

电子设备电子商务电子付帐系统，宾馆接待处的电子登记服务等。办公自动化家庭娱乐等总结--Bluetooth很好的抗干扰能力和安全性可建立临时对等连接全球范围适用同时传输语音数据近距离通信功耗低体积小蓝牙技术特点 工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4-2.4835GHz。 蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。 主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。FH方式来扩展频谱，抵抗来自这些设备的干扰。提供了认证和加密功能，以保证链路级的安全。Connection下，有四种：激活（Active）模式，呼吸（Sniff）模式保持（Hold）模式，休眠（Park）模式，

Active模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。 通信距离为10m,可根据需要扩展至

100m，以满足不同设备的需要。蓝牙系统的组成系统组成描述了链路控制器，实现了基带协议和其他的底层连接规程-媒体接入控制(MAC)-差错控制-认证与加密链路管理器（LM）软件实现链路的建立认证及链路配置等-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。天线发射功率符合FCC关于ISM

波段的要求。-发射功率：100mW-跳频速率：1600

跳/秒蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分：核心（Core）部分和协议子集（Profile）部分。协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输,跳频和数据帧传输,连接的建立和释放,链路的控制,数据的拆装等功能。蓝牙系统的技术特点-1射频特性工作在2.45GHz频段收发机配置符合IEEE

802标准48位地址数据频率为1Mb／s使用扩频和跳频技术，噪音环境也能工作工作范围约10m，可加至100m蓝牙系统的技术特点-2在1.0B版本的标准中，蓝牙的基带符号速率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625ms