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[信息技术导论论文]蓝牙技术浅探

蓝牙技术浅探



（华中科技大学电子与信息工程系电信0602班 武汉430074）

摘要：蓝牙技术是一种近距离、低功耗的无线通信标准，它为设备提供了一种低成本的无线联网方式。本文介绍了蓝牙技术中的底层模块、协议以及应用模型，并将它与其他常用的无线连接技术做了比较，以说明它的优势所在。

关键词：蓝牙；底层模块；协议；应用

1、蓝牙简介

早在1994年，Ericsson公司就在其内部提出了一项研究计划，旨在建立发展一种能简易使用并可在各种通讯设备上畅行无阻的新一代无线传输技术，建立一个实际的无线接口和相关软件标准。1998年，Ericsson公司公开了这项计划，并与Nokia、IBM、Toshiba和Intel四家公司组成了一个特别利益集团（SIG，Special Interest Group），以负责此项技术的开发。一年后的1999年7月，SIG正式提出了该技术协议的1.0版，并将此项技术命名为蓝牙（Bluetooth）。据SIG官方说明，蓝牙这个名字来自十世纪丹麦的维京族国王Harald Bluetooth。这位国王曾以武力统一了丹麦和挪威，在斯堪的那维亚半岛建立了一个庞大的帝国。

蓝牙技术解决了小型移动设备间的无线互连问题。它的硬件市场非常广阔，涵盖了局域网络中的各类数据及语音设备。该技术的本质目的不是成为另一种无线局域网（WLAN）技术，而是成为一种替代传输电缆的新型无线解决方案。从1999年的1.0版，到后来的1.1版、1.2版、2.0版，蓝牙技术不断地在技术上完善自身，力图吸取通用电缆在成本、安全和承载能力等方面的优势。在Bluetooth国王叱咤北欧的千年之后，新兴的蓝牙技术正在以其的种种优势，在全球的无线连接市场中开拓比Bluetooth国王大上千倍万倍的疆土。

2、蓝牙协议概述

蓝牙体系结构中的协议模型可分为以下5层：

（1） 物理层：蓝牙协议的无线接口层；

（2） 核心协议：基带协议（Baseband）、链路管理协议（LMP）、逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）、服务发现协议（SDP）等。基带协议可以提供同步面向连接（SCO）业务和非同步连接（ACL）业务。一般地，SCO用于分组数据业务，其特点是可靠，但有延时；而ACL用于话音传送，其特点是实时性好。但可靠性比SCO差。链路管理协议（LMP）负责建立和解除主、从设备单元之间的连接，另外还控制主、从设备单元的工作模式。L2CAP是第三层的控制和适配协议，L2CAP向RFCOMM和SDP等层提供面向连接和无连接业务。基带数据业务可以越过LMP而直接通过L2CAP向高层协议传送数据。从某种意义上说，L2CAP和LMP都相当于OSI第二层即链路层的协议；

（3） 射频通信协议：RFCOMM，它可以仿真串行电缆接口协议。通过RFCOMM，蓝牙可以在无线环境下实现对高层协议如PPP、TCP/IP、WAP等的支持。RFCOMM可以支持AT命令集，从而可以实现移动电话和传真机及调制解调器之间的无线连接；

（4） 电话传送控制协议：TCS二进制协议、AT命令集等；

（5） 应用协议（可选协议）：PPP（点对点协议）、UDP／TCP／IP、OBEX、vCard/vCarl、FAX、PAN等。

3、蓝牙底层模块

蓝牙底层模块是蓝牙技术的核心，是任何蓝牙设备都必须包括的部分。

3.1射频

为了保证系统所需频带是全球各地均能容易地获得的，蓝牙系统工作在大多数国家的工业、科学、医疗（ISM）频率——即2.4GHz。由于ISM频带的开放性，使用其中任一频段都会遇到不可预测的工扰——比如说，家用的无线电话、微波炉都可能成为干扰源。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。蓝牙将其工作的2.402GHz～2.480GHz的频带分为79个1MHz带宽的子信道，在接收或发送一个分组数据后，即跳至另一频点，因而加强了数据传输的稳定性。

跳频技术除了为蓝牙技术提供了稳定性保障以外，还在物理层为其安全性提供了保障。在跳频通信中，数据信号被窄带载波信号调制，而这些窄带载波信号则做为时间的函数不断从一个频率跳到另一频率。蓝牙标准采用的是每秒跳跃1600次的跳频序列。收发双方都知道的跳频码决定了射频载波的频率以及跳频的顺序。为正确地进行信号接收，接收器必须设置成与发送方一样的跳频码，并在恰当的时间和正确的频率点监听载波信号。只有正确同步时，才能维持一个逻辑信道。其他没有同步的接收器收到的信号仅是持续时间极短的脉冲噪声，这就使得窃听变得十分困难。

跳频技术带来的第三个好处是可以使设备同时连接多台设备。如前所述，蓝牙在79个信道里以跳频方式工作。当两个蓝牙设备成功建立链接之后，一个piconet（微微网）就形成了。两者之间的通信通过无线电波在这79个信道中随机跳转而完成。蓝牙给每个piconet提供特定的跳转模式，因此它允许大量的piconet同时存在。

3.2双工方式和业务类型当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工制。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟。蓝牙采用时分双工（TDD）方案来实现全双工传输，因此蓝牙的一个基带帧包括两个包——首先是发送包，然后是接收包。每个包可由1个、3个、5个时隙组成，每个时隙625us。一个典型的单时隙帧每秒跳1600次。多时隙帧由于节省了头信息开销而具有更高的数据速率。因此，蓝牙的理论传输速率峰值可以达到1Mbps，平均值也可稳定在720kbps。

蓝牙既支持电路交换也支持分组交换。蓝牙基带帧保留一部分时隙用于同步分组（对应于电路交换），每个分组在不同的跳频中发射，一个分组通常占用1个时隙，最多能扩展到5个时隙。蓝牙支持最大可达3个同步语音信道，同时也支持非同步数据信道，或者一个信道同时支持同步语音和非同步数据。

3.3工作模式

在活动状态中，每个蓝牙设备都被分配了一个3比特的主动成员地址（AMA）。它指引数据传到不同的设备中。为了在很低的功率状态下也能使蓝牙设备处于连接状态，蓝牙规定了三种工作模式：停等（Park）、保持（Hold）和呼吸（Sniff）。在Park状态中，设备释放了AMA地址而得到一个8比特的被动成员地址（PMA），并以一定间隔监听主控设备的消息，包括：询问该设备是否想成为活动设备；询问任何停等的设备是否想成为活动设备；广播消息。在Hold状态中，设备停止传送数据，但一旦激活，数据传递就立即重新开始。在Sniff状态中，从属设备降低了从piconet接收消息的速率，保持了一定的时间间隔，一会儿醒一会儿睡，宛如呼吸一样。这三种模式的节能效率是：Sniff>Hold>Park。

3.4纠错方案

蓝牙采用三种纠错方案：1／3前项纠错（FEC）、2／3前项纠错和自动请求重发（ARQ）。前项纠错的目的是减少重发的可能性。在信道噪声干扰较大时蓝牙系统会使用前项纠错方案以保证通信质量：对SCO链路使用1／3前项纠错，对ACL链路使用2／3前项纠错。在无编号的自动请求重发方案中，一个时隙传送的数据必须在下一个时隙得到收到的确认。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余校验（CRC）后认为无错时才向发送端发回通认消息，否则返回一个错误消息。

3.5链路层的安全管理

蓝牙系统的移动性和开放性使得安全问题显得极端重要。虽然跳频技术已经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍需链路层的安全管理。在链路层中，蓝牙系统提供了认证、加密和密钥管理等功能。每个用户都有一个个人标识码PIN，它会被译成一个128bit的链路密钥（Link Key）来进行单双向认证。一旦认证完毕，链路就会以不同长度的密码（Eneryption Key）来加密。蓝牙采用8～128位的密钥对蓝牙分组中的数据载荷进行加密，但不对蓝牙接入码和分组头进行加密。载荷加密的具体细节依赖于所需要的加密强度以及产品最终应用国家的地区性法规要求。蓝牙系统采用称为E0的序列加密算法对数据进行加密。对每一数据载荷，E0算法都进行重新同步。E0序列加密包含3个部分：初始化部分，生成载荷密钥；密钥流比特生成器；加密与解密硬件电路。有3种加密模式：不对任何数据进行加密；一点对多点数据流不加密，点对点数据流进行加密；所有数据流均进行加密。

蓝牙安全机制依赖PIN码在设备间建立信任关系，一旦这种关系建立起来了，这些PIN码就可以存储在设备中以便将来更便捷地连接。关于设备，蓝牙定义了3种信任级别：

（1） 可信任设备：设备已经通过鉴权，存储了链路密钥，在设备数据库中标识为“可信任”；

（2） 不可信任设备：设备已经通过鉴权，存储了链路密钥，但在设备数据库中没有标识为“可信任”；

（3） 未知设备：无此设备的安全性信息，它同样是一个不可信任设备。

4、应用

随着蓝牙技术的成熟和其芯片价格的降低，蓝牙已经逐步渗透到我们生活的各个层面当中。下面就简单列举蓝牙在我们日常生活中的应用。

（1） 数据同步：通过蓝牙以及相应程序，手机或是PDA等移动设备内部的信息可以与计算机的同步，永保信息的最新。

（2） 文件传输：带有蓝牙芯片的手机、DC、DV可以通过蓝牙实现数据的无线传输。DC上的保存的图片也可以通过蓝牙连接通过蓝牙打印机打印出来。另外，只要计算机上配备了蓝牙适配器，移动设备也可以方便地与之进行文件的传输。

（3） 终端耳机：蓝牙耳机可以在蓝牙发射有效范围内（半径5cm~10m，加大功率可达100m）接收设备传送的音频信号，使人没有线缆的羁绊也可以轻松地进行听觉享受。

（4） Internet接入：蓝牙规范允许装备了蓝牙芯片的任何设备只要位于数据访问点的有效范围内，就可以轻松地上网。

蓝牙应用模型展示了蓝牙技术的实际用途。尽管蓝牙规范定义了很多应用模型，但不外乎分为三大范畴：语音／数据访问点、外设连接和个人网络（PAN）。

5、与其他无线连接技术的比较

5.1 IEEE802.11b

即常见的WiFi技术（Wireless Fidelity）。该技术最初主要应用于学校／商业办公区域，如今已经逐步实现了个人用户的广泛使用。现今最热门的笔记本电脑移动技术——迅驰就是基于这一技术。它的带宽比蓝牙宽，达到了17MHz；传输速率也可达到1～11Mbps，电波覆盖范围也比蓝牙广。但其易受干扰，安全性也不如蓝牙，而且需要安装无线网卡，成本较高。

5.2 HomeRF

该技术是面向家庭／小型商用无线局域网的开放性工业标准。工作频段为10GHz，数据传输速率可达100Mbit/s，在WLAN的安全性方面主要考虑访问控制和加密技术。 HomeRF不需接入点硬件，易安装，价格便宜。但其抗干扰能力、安全性仍要低于蓝牙。

5.3 红外（ID）技术

该技术采用IrDA标准，通过波长为850mm的红外光进行通讯。该技术曾因其价格低廉而倍受青睐，一度在笔记本电脑、手机上得到广泛应用。但其对传输的距离、角度上有着严格的限制。传输速率低。

6、蓝牙的优点

（1） 无线性；

（2） 开放性；

（3） 互操作性与兼容性。虽然蓝牙的技术是开放的，但各国的蓝牙产品在生产之后都要通过SIG的认证程序（qualification program）的认证，所以其具有很高的互操作性与兼容性；

（4） 价格低廉；

（5） 对人体安全影响不大。

7、结束语

蓝牙是一种以安全的方式把众多移动设备连接起来的无线网络连接技术，它有着无限的应用前景。本文仅仅从蓝牙技术的几个方面对蓝牙进行一个简单的描画。蓝牙真正丰富的，是建立于其应用层的各种丰富的应用。相信在不久的将来，蓝牙技术会凭借其种种优势开拓出更为宽广的市场。



参考文献

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[2]刘莉平，金瓯 蓝牙技术与应用 信息技术，2003,（10）；4－6

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