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藍牙技術概要 |
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[ 通信界 | 中國電力通信網 | www.ydtdhmb.com | 2004/5/29 ]
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藍牙技術主要面向網絡中各類數據及語音設備（如PC、撥號網絡、筆記本電腦、打印機、數碼相機、移動電話和高品質耳機等），通過無線方式將它們連成一個微微網(Piconet)，多個微微網之間也可以互連形成分布式網絡(Scatternet)，從而方便、快速地實現各類設備之間的通信。它是實現語音和數據無線傳輸的開放性規范, 是一種低成本、短距離的無線連接技術。其無線收發器是很小的一塊芯片，大約有9mm×9mm，可方便地嵌入到便攜式設備中，從而增加設備的通信選擇性。 藍牙技術實現了設備的無連接工作，提供了接入數據網的功能，并且具有外圍設備接口，可以組成一個特定的小網。
藍牙技術的特點包括：采用跳頻技術，抗信號衰落；采用快跳頻和短分組技術，減少同頻干擾，保證傳輸的可靠性；采用前向糾錯(FEC)編碼技術，減少遠距離傳輸時的隨機噪聲影響；使用2.4GHz的ISM頻段，無需申請許可證；采用FM調制方式，降低設備的復雜性。該技術的傳輸速率設計為1MHz，以時分方式進行全雙工通信，其基帶協議是電路交換和分組交換的組合。一個跳頻頻率發送一個同步分組，每個分組占用一個時隙，也可擴展到5個時隙。藍牙技術支持一個異步數據通道，或3個并發的同步話音通道，或一個同時傳送異步數據和同步話音的通道。每一個話音通道支持64kbps的同步話音；異步通道支持最大速率721kbps、反向應答速率為57.6kbps的非對稱連接，或者是432.6kbps的對稱連接。
藍牙系統的基本術語
* 微微網（Piconet）：是由采用藍牙技術的設備以特定方式組成的網絡。 微微網的建立是由兩臺設備（如便攜式電腦和蜂窩電話）的連接開始，最多由8臺設備構成。所有的藍牙設備都是對等的，以同樣的方式工作。然而，當一個微微網建立時，只有一臺為主設備，其他均為從設備，而且在一個微微網存在期間將一直維持這一狀況。
* 分布式網絡（Scatternet）：是由多個獨立、非同步的微微網形成的。
* 主設備（Master unit）:在微微網中，如果某臺設備的時鐘和跳頻序列用于同步其他設備，則稱它為主設備。
* 從設備（Slave unit）：非主設備的設備均為從設備。
* MAC地址(MAC address)：用3比特表示的地址，用于區分微微網中的設備。
* 休眠設備（Parked units）：在微微網中只參與同步，但沒有MAC地址的設備。
* 監聽及保持方式（Sniff and Hold mode）：指微微網中從設備的兩種低功耗工作方式。
一、 網絡拓撲結構
藍牙系統支持點對點以及點對多點通信。幾個相互獨立、以特定方式連接在一起的微微網構成分布式網絡，各微微網由不同的跳頻序列來區分。在同一微微網中，所有的用戶均用同一跳頻序列同步。
二、 話音
話音采用連續可變斜率調制(CVSD)編碼方式，其分組不重傳。CVSD方式抗衰落性強，即使在誤比特率達到4％時，其話音質量也可接受。
三、 功能單元
藍牙系統的功能單元包括以下幾個部分：
1.無線射頻單元
藍牙系統的天線發射功率符合FCC關于ISM波段的要求。由于采用擴頻技術，發射功率可增加到100mW。系統的最大跳頻速率為1600跳/秒，在2.402GHz到2.480GHz之間，采用79個1MHz帶寬的頻點。系統的設計通信距離為0.1米到10米，如果增加發射功率，這一距離也可以達到100米。
2.連接控制單元
連接控制單元（即基帶）描述了數字信號處理的硬件部分--鏈路控制器，它實現了基帶協議和其他的底層連接規程。
1 網絡建立
在微微網建立之前，所有設備都處于就緒(STANDBY)狀態。在該狀態下，未連接的設備每隔1.28秒監聽一次消息，設備一旦被喚醒，就在預先設定的32個跳頻頻率上監聽信息。跳頻數目因地區而異，但32個跳頻頻率為絕大多數國家所采用。
連接進程由主設備初始化。如果一個設備的地址已知，就采用頁信息(Page message)建立連接；如果地址未知，就采用緊隨頁信息的查詢信息(Inquiry message)建立連接。查詢信息主要用來查詢地址未知的設備(如公用打印機、傳真機等)，它與頁信息類似，但需要附加一個周期來收集所有的應答。在初始頁狀態(PAGE state)，主設備在16個跳頻頻率上發送一串相同的頁信息給從設備，如果沒有收到應答，主設備就在另外的16個跳頻頻率上發送頁信息。主設備到從設備的最大時延為兩個喚醒周期（2.56秒），平均時延為半個喚醒周期（0.64秒）。
在微微網中，無數據傳輸的設備轉入節能工作狀態。主設備可將從設備設置為保持方式(HOLD mode)，此時，只有內部定時器工作；從設備也可以要求轉入保持方式。設備由保持方式轉出后，可以立即恢復數據傳輸。連接幾個微微網或管理低功耗器件（如溫度傳感器）時，常使用保持方式。監聽方式(SNIFF mode)和休眠方式（PARK mode）是另外兩種低功耗工作方式。在監聽方式下，從設備監聽網絡的時間間隔增大，其間隔大小視應用情況由編程確定；在休眠方式下，設備放棄了MAC地址，僅偶爾監聽網絡同步信息和檢查廣播信息。各節能方式依電源效率高低排列為：休眠方式→保持方式→監聽方式。
藍牙基帶技術支持兩種連接方式：
* 面向連接（SCO）方式：主要用于話音傳輸；
* 無連接(ACL)方式：主要用于分組數據傳輸。
在同一微微網中，不同的主從設備可以采用不同的連接方式，在一次通信中，連接方式可以任意改變。每一連接方式可支持16種不同的分組類型，其中控制分組有4種，是SCO和ACL通用的分組，兩種連接方式均采用時分雙工（TDD）通信。SCO為對稱連接，支持限時話音傳送，主從設備無需輪詢即可發送數據。SCO的分組既可以是話音又可以是數據，當發生中斷時，只有數據部分需要重傳。ACL是面向分組的連接，它支持對稱和非對稱兩種傳輸流量，也支持廣播信息。在ACL方式下，主設備控制鏈路帶寬，負責從設備帶寬的分配；從設備依輪詢發送數據。
2 差錯控制 基帶控制器采用3種檢糾錯方式：
* 1/3前向糾錯編碼(FEC)；
* 2/3前向糾錯編碼；
* 自動請求重傳(ARQ)。
采用FEC編碼方式的目的在于減少數據重發次數，但在無差錯環境，FEC方式產生的無用檢驗位降低了數據吞吐量，因此，業務數據是否采用FEC，還將視需要而定。分組報頭含有重要的連接信息和糾錯信息，始終采用1/3 FEC方式進行保護性傳輸。無編號ARQ方式應用于在數據發送后的下一時隙就給出確認的數據傳輸，返回ACK意味著頭信息校驗及循環冗余校驗都正確，否則，將返回NACK。
3 認證與加密
認證與加密服務由物理層提供。認證采用口令--應答方式，在連接過程中，可能需要一次或兩次認證，或者無需認證。認證對任何一個藍牙系統都是重要的組成部分，它允許用戶自行添加可信任的藍牙設備，例如，只有用戶自己的筆記本電腦才可以通過用戶自己的手機進行通信。藍牙系統采用流密碼加密技術，適于硬件實現，密鑰長度可以是0、40或64位，密鑰由高層軟件管理。藍牙安全機制的目的在于提供適當級別的保護，如果用戶有更高級別的保密要求，可以使用有效的傳輸層和應用層安全機制。
3.鏈路管理
鏈路管理器(LM)軟件實現鏈路的建立、認證及鏈路配置等。鏈路管理器可發現其他的鏈路管理器，并通過連接管理協議(LMP)建立通信聯系，LM利用鏈路控制器(LC)提供的服務實現上述功能。 LC的服務項目包括：接收和發送數據、設備號請求、鏈路地址查詢、建立連接、認證、協商并建立連接方式、確定分組的幀類型、設置監聽方式、設置保持方式以及設置休眠方式等。
4.軟件結構
藍牙設備應具有互操作性。對于某些設備，從無線電兼容模塊和空中接口，直到應用層協議和對象交換格式，都要實現互操作性；對另外一些設備（如頭戴式設備等）的要求則寬松得多。藍牙計劃的目標就是要確保任何帶有藍牙標記的設備都能進行互操作。軟件的互操作性始于鏈路級協議的多路傳輸、設備和服務的發現，以及分組的分段和重組。藍牙設備必須能夠彼此識別，并通過安裝合適的軟件識別出彼此支持的高層功能。互操作性要求采用相同的應用層協議棧。不同類型的藍牙設備（如PC、手持設備、頭戴設備、蜂窩電話等）對兼容性有不同的要求，用戶不能奢望頭戴式設備內含有地址簿。藍牙的兼容性是指它具有無線電兼容性，有話音收發能力及發現其他藍牙設備的能力，更多的功能則要由手機、手持設備及筆記本電腦來完成。為實現這些功能，藍牙軟件構架將利用現有的規范，如OBEX、vCard/vCalendar、HID（人性化接口設備）及TCP/IP等，而不是再去開發新的規范。設備的兼容性要求能夠適應藍牙規范和現有的協議。
藍牙系統的軟件結構將實現以下功能：配置及診斷、藍牙設備的發現、電纜仿真、與外圍設備的通信、音頻通信及呼叫控制，以及交換名片和電話號碼等。來收集所有的應答。在初始頁狀態(PAGE state)，主設備在16個跳頻頻率上發送一串相同的頁信息給從設備，如果沒有收到應答，主設備就在另外的16個跳頻頻率上發送頁信息。主設備到從設備的最大時延為兩個喚醒周期（2.56秒），平均時延為半個喚醒周期（0.64秒）。
在微微網中，無數據傳輸的設備轉入節能工作狀態。 |
1作者：中國電力通信網 來源：中國電力通信網 編輯：顧北 |
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