Bluetooth ---快速发展的小范围无线通信技术

2019-11-03 09:41:56

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供稿：网友

摘要：本文讨论了Bluetooth系统的技术特点，阐述其广泛的应用及今后的发展，最后简要给出作者对这一课题的研究开发情况。

　　关键字：蓝牙系统，无线个域网，跳频技术，通信协议

一、小范围应用的意义及巨大的市场潜力

　　随著Internet和多媒体通信的发展，人们对宽带无线通信的要求也越来越迫切。宽带和大容量这一对矛盾促使著人们开发新的频段和加紧对小范围应用的研究，其代表性的成果有：以无线LAN (Local Area Network) 为典型应用的IEEE 802.11[1]；由若干著名公司为核心的“家用射频工作组”( HRFWG，Home Radio Frequency Working Group )提出的、以家庭应用为主要背景的“共用无线访问协议”( SWAP，Shared Wireless access PRotocol )[2]；由EriCSSon等公司发起成立的“蓝牙特别兴趣组”(BSIG，Bluetooth Special Interest Group)并提出的“蓝牙系统”（Bluetooth System）[3]等。这些系统以小范围应用和采用跳频技术为主要特色，工作率在2.4GHz频段，虽然其标准目前还在不断修改，但已展现出强大的生命力，国际上一流的通信公司、计算机公司和软件公司一方面协作攻关，另一方面也正如火如荼地开展竞争。这种适合小范围应用的研究方兴未艾并正酝酿著更大的技术突破，预计近年将可在全球范围内获得极为广泛的应用。

　　从网路的角度来看，继广域网(WAN，Wind Area Network或城域网，MAN, Metropolitan Area Network)、局域网（LAN，Local Area Network）之后，最近人们又提出了“无线个域网”（WPAN, Wireless Personal Area Network）。这一新概念将小范围应用提升到网路理论的高度。在短短的时间，WPAN成为一个受人瞩目的新热点，WPAN的研究组成立不到1年，就演变为IEEE的专门工作组IEEE 802.15（即WPAN Working Group，於1999年3月成立）[4,5]，可见其受重视的程度。

　　比较而言， Bluetooth系统更具有代表性，它正根据WPAN的概念向前发展。事实上，Bluetooth和WPAN的概念相辅相成，Bluetooth已经是WPAN的一个雏形。从它最初由Ericsson，IBM，Intel，Nokia和Toshiba公司作为原始发起组织而推出，1年多时间已吸引了近2000个国际上有影响的公司的参与。1999年底，美国的4家公司3COM，Lucent，Microsoft和Motorola，与上述5公司一样作为Bluetooth的发起组织，使它在与SWAP、IEEE802.11等类似应用的标准的竞争中脱颖而出，发展前景更加明朗【6】。为了推动Bluetooth的发展，Bluetooth的标准是非专利的。Bluetooth已成为目前通信领域的一个新热点，预计不远的将来就可成为小范围无线多媒体通信的国际标准。

　　小范围的应用(或WPAN)有著巨大的市场潜力，它和大范围快速移动情况下的应用相辅相成，互为补充，对国民经济的发展和人们生活水平的提高都具有重要的意义。从某种意义上说，前者的市场潜力可能更为巨大，因为这种应用可在小范围内将各种移动通信设备、固定通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统(例如数字照相机、数字摄像机等)甚至各种家用电器，使用一种廉价的无线方法建立它们之间的信息传输，涉及到的设备面广量大，容易形成新的经济增长点。

二、Bluetooth系统的技术特点

1. 射频特性 [3,7]

　　Bluetooth设备工作在2.4 GHz的ISM(Industrial, Science and Medicine)频段，在北美和欧洲 (法国和西班牙除外)为2400~2483.5MHz，使用79个频道，载频为2402+k MHz ( k = 0, 1, …，78 )；法国和西班牙使用23个频道，载频分别为2454+k MHz和 2449+k MHz( k = 0, 1, …，22 )，但已有提案改为统一的79个频道，西班牙很快将有结果；日本原使用23个频道，但自1999年10月开始已改为统一的79个频道，原来的23个频道所使用的2471-2497MHz频段作为选用。无论是79个频道还是23个频道，频道间隔均为1 MHz，采用时分双工（TDD，Time Division Duplex）方式。调制方式为BT=0.5的GFSK，调制指数为0.28~0.35。最大发射功率分为三个等级，分别是：100mW (20dBm)，2.5mW (4dBm) 和1mW (0dBm)，在4~20dBm范围内要求采用功率控制，因此，Bluetooth设备间的有效通信距离大约为10~100米。

2. TDMA结构 [3]

　　在1.0B版本的标准中，Bluetooth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，不排除将来采用更高的符号速率。Bluetooth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，分别成为SCO链路（Synchronous Connection-Oriented Link）和ACL链路（Asynchronous Connection-Less Link），前者主要传送话音等实时性强的信息，在规定的时隙传输，后者则以数据为主，可在任意时隙传输。但当ACL传输占用SCO的预留时隙时，一旦系统需要SCO传输，ACL则自动让出这些时隙以保证SCO的实时性。数据包被分成3大类：链路控制包、SCO包和ACL包。已定义了4种链路控制数据包，后两者最多可分别定义12种，目前已分别定义了4种和7种，即共定义了15种。大多数数据包只占用1个时隙，但有些包占用3个或5个时隙。

　　Bluetooth支持64kb/s的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数PCM或连续可变斜率增量调制（CVSD，Continuos Variable Slope Delta Modulation）。语音和数据可单独或同时传输。当仅传输语音时，Bluetooth设备最多可同时支持3路全双工的话音通信；当语音和数据同时传输或仅传输数据时，支持433.9 kb/s 的对称全双工通信，或723.2kb/s、57.6 kb/s 的非对称双工通信，后者特别适合无线访问Internet。另外，还采用CRC (Cyclic Redundancy Check)、FEC (Forward Error Correction) 及ARQ (Automatic Repeat Request) 以提高通信的可靠性。

3. 使用跳频技术

　　跳频是Bluetooth使用的关键技术之一。对应于单时隙包，Bluetooth的跳频速率为1600跳　　F对应于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时(包括寻呼和查询)则提高为3,200跳每秒。使用这样高的跳频速率，Bluetooth系统具有ì够高的抗干扰能力。

图1 跳频频率计算案
　　跳频序列受控於Bluetooth 48-bit设备地址码(BD_ADDR)中的28-bit和27-bit的时钟，采用以多级蝶形运算为核心的映射方案，其示意图如图1。该跳频图案和其他方案相比，具有硬体设备简单、性能优越、便於79/23频段两种系统的兼容以及各种状态的跳频序列使用统一的电路来实现等特点。

　　Bluetooth系统的设备有两个主要工作状态：守候状态和连接状态；七个中间临时状态：寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主设备回应、从设备回应和查询回应。不同状态产生不同的跳频序列。

4. Bluetooth设备的组网及其工作状态

　　Bluetooth根据网路的概念提供点对点和点对多点的无线链接。在任意一个有效通信范围内，所有设备的地位都是平等的。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)。利用TDMA，一个Master最多可同时与7个Slave进行通信并和多个Slave（最多可超过200个）保持同步但不通信。一个Master和一个以上的Slave构成的网路称为Bluetooth的主从网路(Piconet)。若两个以上的Piconet之间存在著设备间的通信，则构成了Bluetooth的分散网路(Scatternet)。Piconet和Scatternet的示意图如图2所示。基於TDMA原理和Bluetooth设备的平等性，任一Bluetooth设备在Piconet和Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，还可同时既是Master又是Slave。因此，在Bluetooth中没有基站的概念。另外，所有设备都是可移动的。

图2 Piconet 和Satternet 的示意图

5. 全球范围内的工作

　　Bluetooth的基本出发点是可使其设备能够在全球范围内应用於任意的小范围通信。任一Bluetooth设备，都可根据IEEE 802标准得到一个唯一的48-bit的BD_ADDR，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在BD_ADDR基础上，使用一些性能良好的演算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码(ID，Identification)在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。

6. 软件的层次结构[8]

　　和许多通信系统一样，Bluetooth的通信协议采用层次结构。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体上分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口(HCI，Host Control Interface)实现高、低层的联接，后者则可不用HCI。图3给出了它的一种协议体系，从中可以看出，这种层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议，各种Bluetooth设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它Bluetooth设备，从而构成Piconet或Scatternet ，实现系统提供的各种功能。

图3 Bluetooth的协议体系

三、广泛的应用

　　跳频、TDD和TDMA等技术的使用使得Bluetooth的射频电路较为简单，通信协议的大部分内容可以用专用积成电路和软件来实现，因此从技术上保证了Bluetooth设备的高性能和低成本。Bluetooth使蜂房电话系统、无绳通信系统、无线局域网和因特网等现有网路增添了新功能，使各类计算机、传真机、打印机乃至各种室内电子、信息和电器设备增添了无线传输和组网的功能，应用空间将极为广阔。

　　Bluetooth的目标是在所有移动设备之间以及任何小范围内各种信息传输设备乃至於各种电器设备之间建立起无线链接。在其1.0版本的标准中，已定义了包括使用WAP(Wireless application Protocol) 协议联结Internet的多种应用。就目前的发展来看，Bluetooth产品将会较快地和如下设备或系统融为一体，从而提供新的服务。

1. 各种电话系统[9]

　　Bluetooth为品将会首先应用於数字手机、家庭及办公室电话、小型PBX等电话系统中，实现真正意义上的个人通信。这样，从消费者的角度来讲既方便又节约，相当於手机既连接著蜂房系统，又连接著PSTN、办公室电话系统、局域网及Internet，使用手机但可享受合理的通信开支；对於网路营运商来说，PSTN将增加话务量自不必说，蜂房系统由於手机的话务量被分流到PSTN及PBX等系统，看起来可能会使其收费减少，但手机的平均话务量减少将使系统容量增加，特别是随著WAP协议的使用将使手机上网的机会越来越多，容量问题将会更加突出，因此移动通信营运商也是乐於接受Bluetooth的。目前，国际上各大手机制造商都在加紧开发Bluetooth手机，无绳电话和有线电话的制造商也感受到Bluetooth带来的挑战和机遇，竞相研发带有Bluetooth的新为品，这些都将推动它迅速发展。

2. 无线电缆

　　无论是实验室、办公室还是家庭，计算机及其外设的应用越来越普及，它们之间的通信传统上必然要通过网线，这给使用带来很大的不便。Bluetooth基於无线电缆的概念，使这类信息传输设备除电源线外再无其它连线，甚至包括键盘、滑鼠等也采用无线传输。Bluetooth企图建立一个全无线的工作环境和生活环境，由於这些设备类多量广，无论是硬体还是软件，都有著极大的商机。

3. 无线公事包

　　以便携式计算机和掌上计算机为代表，采用无线方式和其他设备或网络相连接，使人们拥有一个可流动的办公室。Bluetooth标准已制定了和计算机以及与Internet、PSTN、ISDN(Integrated Services Digital Network)、LAN、WAN、xDSL (x Digital Subscriber Loop)等网路的接口协议，其目标是用单一的Bluetooth标准来建立起和众多国际标准的连接。目前它用1Mb/s的速率已完全可以胜任这些工作，将来根据IEEE 802.15的发展计划，可以将速率提高到20Mb/s以上。

4. 各类数字电子设备

　　数字照相机、数字摄像机等设备装上Bluetooth系统，既可免去使用电缆的不便，又可不受记忆体溢出的困扰，随时随地可将所摄图片或影像通过同样装上Bluetooth系统的手机或其他设备传回指定的计算机中。

　　PDA(Personal Digital Assistant)装上Bluetooth系统后，采用无线方式收、发e-mail甚至浏览网页将更为方便。

　　Bluetooth的硬体电路可以做到微型化，在Headset上应用非常合适。装上Bluetooth系统的Headset可以使它和手机进行无线连接，也可以使人在小范围内自由走动地打电话、收听音乐，在较大的范围内召开电话会议，应用前景十分诱人。

　　微型化、低功耗和低成本的特性给Bluetooth在人们日常生活中的应用开拓了近乎无限的空间。例如，Bluetooth构成的无线电电子锁比其它非接触式电子锁或IC锁具有更高的安全性和适用性，各种无线电遥控器（特别是汽ó防盗和遥控）比红外线遥控器的功能更强大，在餐馆酒楼用膳时菜单的双向无线传输或招呼服务员提供指定的服务（如添茶、加某种饮料）将更为方便等。

5. 电子商务

　　Bluetooth的安全保密特性将大大扩展现有电子商务系统的功能。例如，可用它在很多消费场合构成电子付帐系统，宾馆接待处的电子登记服务等。

6. 将来的应用

　　Bluetooth芯片的微型化和低成本将为它在家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等场合开辟广阔的应用前景。

四、Bluetooth系统的实现

　　低成本和小型化是制作Bluetooth设备的关键，ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的解决方案，包括射频和基带部分，是主要的途径。现在已有多种将基带ASIC电路和射频ASIC电路做成一个电路模组的方案，有的样品不到1cm2。Bluetooth系统的通信协议大部分可用软件来实现，加载到Flash RAM中。由此可见，Bluetooth系统容易实现低成本和小型化，而且容易扩充功能，预计很快将会进入批量生产的阶段。

五、结束语

　　Bluetooth是最近提出的一种小范围信息传输系统，已表现出较强的生命力。东南大学移动通信国家重点实验室较早地跟踪这一发展，从1998年开始，和香港通讯科技中心（TTC, Telecom Technology Centre）共同研究理解Bluetooth标准，继而合作开发Bluetooth系统，双方都是BSIG的成员。通讯科技中心於1999年在这一项目上获得香港特区政府“创新与科技基金（ITF, Innovation and Technology Fund）”的资助，双方在该基金的支持下进行了更为紧密的合作，目前已基本完成了基於PC的大部分通信协议的软件开发和部分硬体电路的研制，相信我们的研究开发成果不久即可向有兴趣的厂商转让。

参考文献

[1] http://www.ieee.org/groups/802/11/

[2] http://www.homerf.org

[3] Ericssion, etc. Specification of the Bluetooth System. Version 1.0B. December 1st, 1999. (见 http://www.bluetooth.com)

[4] http://www.grouper.org/groups/802/15/

[5] Ian Gifford, Bruce Kraemer. WPANs: Creating standards for Bluetooth-IEEE. Bluetooth SIGnal Newsletter, no.2, April, 2000. (见 http://www.bluetooth.com)

[6] Anders Edlund. The secret of success. Bluetooth SIGnal Newsletter, no.3, November 1999. (见 http://www.bluetooth.com)

[7] Paul Buegess. The Bluetooth Radio Specification. Bluetooth Developers Conference--- building a world without wires. December 8, 1999. (见 http://www.bluetooth.com)

[8] Jon Inouye. Bluetooth Software Overview. Bluetooth Developers Conference--- building a world without wires. December 6, 1999. (见 http://www.bluetooth.com)

[9] Michael T. Camp. WAP and Bluetooth-Beyond Cable Replacement. Bluetooth Developers Conference---building a world without wires. December 8, 1999. (见 http://www.bluetooth.com)

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