藍牙技術及其系統原理

“藍芽”（Bluetooth）技術是由世界著名的5家大公司――愛立信（Ericsson）、諾基亞 (Nokia)、東芝(Toshiba)、國際商用機器公司(IBM)、英特爾(Intel)，于1998年5月聯合宣布的一種無線通信新技術。它是針對目前相距很近的便攜式設備之間的鏈接主要是用紅外線鏈路 (infrared lind,簡稱IrDA)進行而提出的。應用紅外線收發器鏈接雖然能免去電線或電纜的連接，但是使用起來有許多不便，不僅距離只限于1~2m，而且必須在視線上直接對準，中間不能有任何阻擋，同時只限于在兩個設備之間進行鏈接，不能同時鏈接更多的設備。另一方面，人們對無線電通信技術很熟悉，無線電技術能實現遠距離的通信，可以實現衛星通信以至宇宙太空的通信。但人們也許沒有注意到，在同一間屋內或在相距咫尺的地方，無線電也能發揮巨大的作用。“藍芽”技術的目的是使特定的移動電話、便攜式電腦以及各種便攜式通信設備的主機之間在近距離內實現無縫的資源共享。
1. 藍芽技術
“藍芽”（Bluetooth）原為歐洲中世紀的丹麥國王Harald II的名字，他為統一四分五裂的瑞典、芬蘭、丹麥有著不朽的功勞。瑞典的Ericsson公司為這種即將成為全球通用的無線技術命此名，也許大有一統天下的含義。
藍芽技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，它以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環境建立一個特別連接的短程無線電技術。其實質內容是要建立通用的無線電空中接口（radio air interface）及其控制軟件的公開標準，使通信和計算機進一步結合，使不同廠家生產的便攜式設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內具有互用、相互操作的性能（interoperability）。其程序寫在一個9mm×9mm的微芯片中。
“藍芽”技術的作用是簡化小型網絡設備（如移動PC、掌上電腦、手機）之間以及這些設備與Internet之間的通信，免除在無繩電話或移動電話、調制解調器、頭套式送/受話器、PDAs、計算機、打印機、幻燈機、局域網等之間加裝電線、電纜和連接器。而且，這種技術可以延伸到那些完全不同的新設備和新應用中去。例如，如果把藍芽技術引入到移動電話和膝上型電腦中，就可以去掉移動電話與膝上型電腦之間的令人討厭的連接電纜而通過無線使其建立通信。打印機、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數字設備都可以成為藍芽系統的一部分。除此之外，藍芽無線技術還為已存在的數字網絡和外設提供通用接口以組建一個遠離固定網絡的個人特別連接設備群。
“藍芽”技術的無線電收發器的連接距離可達30英尺，不限制在直線范圍內，甚至設備不在同一間房內也能相互鏈接；并且可以鏈接多個設備，最多可達7個，這就可以把用戶身邊的設備都鏈接起來，形成一個“個人區域的網絡”（Personal area network）。
2. 藍芽系統
在了解藍芽系統結構之前，先熟悉藍芽系統幾個常用的專有名詞。
Piconet：通過藍芽技術連接在一起的所有設備被認為是一個piconet。一個piconet可以只是兩臺相連的設備，比如一臺便攜式電腦和一部移動電話，也可以是8臺連在一起的設備。在一個 piconet中，所有設備都是級別相同的單元，具有相同的權限。但是在piconet網絡初建時，其中一個單元被定義為master，其它單元被定義為slave。
Master unit：其它單元，即在一個piconet中，其時鐘和跳頻順序被用來同步其它單元的設備。
Slave units：從單元，即piconet中不是master的所有設備。
Scatternet：幾個獨立且不同步的piconet組成一個scatternet。
Mac address：用來區分piconet中各單元的長度為3比特的地址。
Parked units：暫停單元，即piconet中與網絡保持同步但沒有Mac address的設備。
Sniff and hold mode：呼吸與保持模式，與網絡同步但進入睡眠狀態以節省能源的一種工作模式。
藍芽系統一般由以下4個功能單元組成：天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍芽軟件（協議）單元。
2.1天線單元
藍芽要求其天線部分體積十分小巧、重量輕，因此，藍芽天線屬于微帶天線。藍芽空中接口是建立在天線電平為0dBm的基礎上的。空中接口遵循Federal Communications Commission(簡稱FCC，即美國聯邦通信委員會)有關電平為0dBm的ISM頻段的標準。如果全球電平達到100mW以上，可以使用擴展頻譜功能來增加一些補充業務。頻譜擴展功能是通過起始頻率為2.402GHz，終止頻率為2.480GHz，間隔為1MHz的79個跳頻頻點來實現的。出于某些本地規定的考慮，日本、法國和西班牙都縮減了帶寬。最大的跳頻速率為1660跳/s。理想的連接范圍為100mm~10m。但是通過增大發送電平可以將距離延長至100m。
藍芽工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業、科學、醫學)頻段。藍芽的數據速率為1Mb/s。 ISM頻帶是對所有無線電系統都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等，都可能是干擾。為此，藍芽特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩定。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻信道（hop channel），在一次連接中，無線電收發器按一定的碼序列（即一定的規律，技術上叫做“偽隨機碼”，就是“假”的隨機碼）不斷地從一個信道“跳”到另一個信道，只有收發雙方是按這個規律進行通信的，而其它的干擾不可能按同樣的規律進行干擾；跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶成百倍地擴展成寬頻帶，使干擾可能造成的影響變得很小。時分雙工（Time Division Duplex，簡稱TDD）方案被用來實現全雙工傳輸。
與其它工作在相同頻段的系統相比，藍芽跳頻更快，數據包更短，這使藍芽比其它系統都更穩定。FEC（Forward Error Correction,前向糾錯）的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪音；應用了二進制調頻（FM）技術的跳頻收發器被用來抵制干擾和防止衰落。
2.2鏈路控制（固件）單元
在目前藍芽產品中，人們使用了3個IC分別作為聯接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器，此外還使用了30~50個單獨調諧元件。
基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其它一些低層常規協議。
基帶控制器有3種糾錯方案：1/3比例前向糾錯（FEC）碼；2/3比例前向糾錯碼；數據的自動請求重發方案。
采用FEC（前向糾錯）方案的目的是為了減少數據重發的次數，降低數據傳輸負載。但是要實現數據的無差錯傳輸，FEC就必然要生成一些不必要的開銷比特而降低數據的傳送效率。這是因為數據包對于是否使用FEC是彈性定義的。報頭總有占1/3比例的FEC碼起保護作用，其中包含了有用的鏈路信息。
在無編號的ARQ方案中，在一個時隙中傳送的數據必須在下一個時隙得到收到的確認。只有數據在收端通過了報頭錯誤檢測和循環冗余檢測后認為無錯才向發端發回確認消息，否則返回一個錯誤消息。比如藍芽的話音信道采用Continuous Variable Slope Delta Modulation(簡稱 CVSD，即連續可變斜率增量調制技術)語音編碼方案，獲得高質量傳輸的音頻編碼。CVSD編碼擅長處理丟失和被損壞的語音采樣，即使比特錯誤率達到4%，CVSD編碼的語音還是可聽的。
而Cambridge Consultants的分公司Cambridge Silicon Radio就提出了他們的看法。這個公司的入門產品是一個單芯片傳輸器和聯接控制器。公司稱之為BlueCore和BlueStack。這是一個完整的藍芽，不需要外部的SAW濾波器、陶瓷電容或感應器，產品集成度非常高，使用了 0.18μm或0.15μm技術，能夠在幾乎不增加成本的情況下把基帶電路加到芯片中。
2.3鏈路管理（軟件）單元
鏈路管理（LM）軟件模塊攜帶了鏈路的數據設置、鑒權、鏈路硬件配置和其它一些協議。LM 能夠發現其它遠端LM并通過LMP（鏈路管理協議）與之通信。LM模塊提供如下服務：
（1）發送和接收數據。
（2）請求名稱。
（3）鏈路地址查詢。
（4）建立連接。
（5）鑒權。
（6）鏈路模式協商和建立。
（7）決定幀的類型。
（8）將設備設為sniff模式。master只能有規律地在特定的時隙發送數據。
（9）將設備設為hold模式。工作在hold模式的設備為了節能在一個較長的周期內停止接收數據，平均每4s激活一次鏈路，這由LM定義，LC（鏈路控制器）具體操作。
（10）當設備不需要傳送或接收數據但仍需保持同步時將設備設為暫停模式。處于暫停模式的設備周期性地激活并跟蹤同步，同時檢查page消息。
（11）建立網絡連接。在piconet內的連接被建立之前，所有的設備都處于standby(待命)狀態。在這種模式下，未連接單元每隔1.28s周期性地“監聽”信息。每當一個設備被激活，它就監聽規劃給該單元的32個跳頻頻點。跳頻頻點的數目因地理區域的不同而異，32這個數字適用于除日本、法國和西班牙之外的大多數國家。作為master的設備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過尋呼（page）消息建立連接，如果地址未知，則通過一個后接page消息的inquiry(查詢)消息建立連接。在最初的尋呼狀態，master單元將在分配給被尋呼單元的16個跳頻頻點上發送一串16個相同的page消息。如果沒有應答，master則按照激活次序在剩余16個頻點上繼續尋呼 。 Slave 收到從master發來的消息的最大延遲時間為激活周期的2倍（2.56s），平均延遲時間是激活周期的一半（0.6s）。Inquiry消息主要用來尋找藍芽設備，如共享打印機、傳真機和其它一些地址未知的類似設備。Inquiry消息和page消息很想像，但是inquiry消息需要一個額外的數據串周期來收集所有的響應。
如果piconet中已經處于連接的設備在較長一段時間內沒有數據傳輸，藍芽還支持節能工作模式。master可以把slave置為hold(保持)模式，在這種模式下，只有一個內部計數器在工作。 slave也可以主動要求被置為hold模式。一旦處于hold模式的單元被激活，則數據傳遞也立即重新開始。Hold模式一般被用于連接好幾個piconet的情況下或者耗能低的設備，如溫度傳感器。除 hold模式外，藍芽還支持另外兩種節能工作模式：sniff(呼吸)模式和park(暫停)模式。在sniff 模式下，slave降低了從piconet“收聽”消息的速率，“呼吸”間隔可以依應用要求做適當調整。在park模式下，設備依然與piconet同步但沒有數據傳送。工作在park模式下的設備放棄了 MAC地址，偶爾收聽master的消息并恢復同步、檢查廣播消息。如果我們把這幾種工作模式按照節能效率以升序排一下隊，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式。
（12）連接類型和數據包類型。連接類型定義了哪種類型的數據包能在特別連接中使用。藍芽基帶技術支持兩種連接類型：同步定向連接（Synchronous Connection Oriented，簡稱 SCO）類型，主要用于傳送語音；異步無連接（Asynchronous Connectionless,簡稱ACL）類型，主要用于傳送數據包。
同一個piconet中不同的主從對可以使用不同的連接類型，而且在一個階段內還可以任意改變連接類型。每個連接類型最多可以支持16種不同類型的數據包，其中包括4個控制分組，這一點對 SCO和ACL來說都是相同的。兩種連接類型都使用TDD（時分雙工傳輸方案）實現全雙工傳輸。
SCO連接為對稱連接，利用保留時隙傳送數據包。連接建立后，master和slave可以不被選中就發送SCO數據包。SCO數據包既可以傳送話音，也可以傳送數據，但在傳送數據時，只用于重發被損壞的那部分數據。
ACL鏈路就是定向發送數據包，它既支持對稱連接，也支持不對稱連接。master負責控制鏈路帶寬，并決定piconet中的每個slave可以占用多少帶寬和連接的對稱性。slave只有被選中時才能傳送數據。ACL鏈路也支持接收master發給piconet中所有slave的廣播消息。
（13）鑒權和保密。藍芽基帶部分在物理層為用戶提供保護和信息保密機制。
鑒權基于“請求一響應”運算法則。鑒權是藍芽系統中的關鍵部分，它允許用戶為個人的藍芽設備建立一個信任域，比如只允許主人自己的筆記本電腦通過主人自己的移動電話通信。加密被用來保護連接的個人信息。密鑰由程序的高層來管理。網絡傳送協議和應用程序可以為用戶提供一個較強的安全機制。
3.4軟件（協議）單元
Bluetooth 基帶協議結合電路開關和分組交換機，適用于語音和數據傳輸。每個聲道支持 64kb/s同步鏈接。而異步信道支持任一方向上高達721 kb/s和回程方向57.6kb/s的非對稱鏈接，也可以支持43.2 kb/s的對稱鏈接。因此，它可以足夠快地應付蜂窩系統上的非常大的數據比率。一般地說，他的鏈接范圍為100mm~10m；如果增加傳輸功率的話，其鏈接范圍可以擴展到100m。 Bluetooth軟件構架規范要求與Bluetooth相順從的設備支持基本水平的互操作性。這種順從水平由不同的應用來決定。
藍芽設備需要支持一些基本互操作特性要求。對某些設備，這種要求涉及到無線模塊、空中協議及應用層協議和對象交換格式。Bluetooth1.0標準由兩個文件組成：一個叫Foundation Core , 它規定的是設計標準；另一個是Foundation Profile，它規定的是相互操作性準則。但對另外一些設備，比如耳機，這種要求就簡單得多。藍芽設備必須能夠彼此識別并裝載與之相應的軟件以支持設備更高層次的性能。
藍芽對不同級別的設備（如PC、手持機、移動電話、耳機等）有不同的要求，例如，你無法期望一個藍芽耳機提供地址簿。但是移動電話、手持機、筆記本電腦就需要有更多的特性。軟件（協議）結構需有如下功能：設置及故障診斷工具；能自動識別其他設備；取代電纜連接；與外設通信；音頻通信與呼叫控制；商用卡的交易與號簿網絡協議。
藍芽的軟件（協議）單元是一個獨立的操作系統，不與任何操作系統捆綁。適用于幾種不同商用操作系統的藍芽規范正在完善中。
近年來，移動通信發展迅速，便攜式計算機如掌上電腦（LAPTOP）、筆記本電腦（NOTEBOOK）手持式電腦（HPC）以及PDA等也迅速發展，還有因特網的迅速發展，使人們對電話通信以外的各種數據信息傳遞的需求日益增長。
藍芽技術把各種便攜式電腦與蜂窩電話用無線電連接起來，使計算機與通信更加密切結合起來，使人們能隨時隨地進行數據信息的交換與傳輸。因此，計算機行業、移動通信行業都對藍芽技術很重視，認為將對未來的無線移動數據通信業務有巨大的促進作用，預計在最近幾年內無線數據通信業務將迅速增長。藍芽技術被認為是無線數據通信最為重大的進展之一。