更新時間：2021-06-10 07:36:08作者：admin2
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[信息技術導論論文]藍牙技術淺探
藍牙技術淺探
（華中科技大學電子與信息工程系電信0602班 武漢430074）
摘要：藍牙技術是一種近距離、低功耗的無線通信標準，它為設備提供了一種低成本的無線聯網方式。本文介紹了藍牙技術中的底層模塊、協議以及應用模型，并將它與其他常用的無線連接技術做了比較，以說明它的優勢所在。
關鍵詞：藍牙；底層模塊；協議；應用
1、藍牙簡介
早在1994年，Ericsson公司就在其內部提出了一項研究計劃，旨在建立發展一種能簡易使用并可在各種通訊設備上暢行無阻的新一代無線傳輸技術，建立一個實際的無線接口和相關軟件標準。1998年，Ericsson公司公開了這項計劃，并與Nokia、IBM、Toshiba和Intel四家公司組成了一個特別利益集團（SIG，Special Interest Group），以負責此項技術的開發。一年后的1999年7月，SIG正式提出了該技術協議的1.0版，并將此項技術命名為藍牙（Bluetooth）。據SIG官方說明，藍牙這個名字來自十世紀丹麥的維京族國王Harald Bluetooth。這位國王曾以武力統一了丹麥和挪威，在斯堪的那維亞半島建立了一個龐大的帝國。
藍牙技術解決了小型移動設備間的無線互連問題。它的硬件市場非常廣闊，涵蓋了局域網絡中的各類數據及語音設備。該技術的本質目的不是成為另一種無線局域網（WLAN）技術，而是成為一種替代傳輸電纜的新型無線解決方案。從1999年的1.0版，到后來的1.1版、1.2版、2.0版，藍牙技術不斷地在技術上完善自身，力圖吸取通用電纜在成本、安全和承載能力等方面的優勢。在Bluetooth國王叱咤北歐的千年之后，新興的藍牙技術正在以其的種種優勢，在全球的無線連接市場中開拓比Bluetooth國王大上千倍萬倍的疆土。
2、藍牙協議概述
藍牙體系結構中的協議模型可分為以下5層：
（1） 物理層：藍牙協議的無線接口層；
（2） 核心協議：基帶協議（Baseband）、鏈路管理協議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協議（L2CAP）、服務發現協議（SDP）等。基帶協議可以提供同步面向連接（SCO）業務和非同步連接（ACL）業務。一般地，SCO用于分組數據業務，其特點是可靠，但有延時；而ACL用于話音傳送，其特點是實時性好。但可靠性比SCO差。鏈路管理協議（LMP）負責建立和解除主、從設備單元之間的連接，另外還控制主、從設備單元的工作模式。L2CAP是第三層的控制和適配協議，L2CAP向RFCOMM和SDP等層提供面向連接和無連接業務?；鶐祿I務可以越過LMP而直接通過L2CAP向高層協議傳送數據。從某種意義上說，L2CAP和LMP都相當于OSI第二層即鏈路層的協議；
（3） 射頻通信協議：RFCOMM，它可以仿真串行電纜接口協議。通過RFCOMM，藍牙可以在無線環境下實現對高層協議如PPP、TCP/IP、WAP等的支持。RFCOMM可以支持AT命令集，從而可以實現移動電話和傳真機及調制解調器之間的無線連接；
（4） 電話傳送控制協議：TCS二進制協議、AT命令集等；
（5） 應用協議（可選協議）：PPP（點對點協議）、UDP／TCP／IP、OBEX、vCard/vCarl、FAX、PAN等。
3、藍牙底層模塊
藍牙底層模塊是藍牙技術的核心，是任何藍牙設備都必須包括的部分。
3.1射頻
為了保證系統所需頻帶是全球各地均能容易地獲得的，藍牙系統工作在大多數國家的工業、科學、醫療（ISM）頻率——即2.4GHz。由于ISM頻帶的開放性，使用其中任一頻段都會遇到不可預測的工擾——比如說，家用的無線電話、微波爐都可能成為干擾源。為此，藍牙特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩定。藍牙將其工作的2.402GHz～2.480GHz的頻帶分為79個1MHz帶寬的子信道，在接收或發送一個分組數據后，即跳至另一頻點，因而加強了數據傳輸的穩定性。
跳頻技術除了為藍牙技術提供了穩定性保障以外，還在物理層為其安全性提供了保障。在跳頻通信中，數據信號被窄帶載波信號調制，而這些窄帶載波信號則做為時間的函數不斷從一個頻率跳到另一頻率。藍牙標準采用的是每秒跳躍1600次的跳頻序列。收發雙方都知道的跳頻碼決定了射頻載波的頻率以及跳頻的順序。為正確地進行信號接收，接收器必須設置成與發送方一樣的跳頻碼，并在恰當的時間和正確的頻率點監聽載波信號。只有正確同步時，才能維持一個邏輯信道。其他沒有同步的接收器收到的信號僅是持續時間極短的脈沖噪聲，這就使得竊聽變得十分困難。
跳頻技術帶來的第三個好處是可以使設備同時連接多臺設備。如前所述，藍牙在79個信道里以跳頻方式工作。當兩個藍牙設備成功建立鏈接之后，一個piconet（微微網）就形成了。兩者之間的通信通過無線電波在這79個信道中隨機跳轉而完成。藍牙給每個piconet提供特定的跳轉模式，因此它允許大量的piconet同時存在。
3.2雙工方式和業務類型當數據的發送和接收分流，分別由兩根不同的傳輸線傳送時，通信雙方都能在同一時刻進行發送和接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工制。在全雙工方式下，通信系統的每一端都設置了發送器和接收器，因此，能控制數據同時在兩個方向上傳送。全雙工方式無需進行方向的切換，因此，沒有切換操作所產生的時間延遲。藍牙采用時分雙工（TDD）方案來實現全雙工傳輸，因此藍牙的一個基帶幀包括兩個包——首先是發送包，然后是接收包。每個包可由1個、3個、5個時隙組成，每個時隙625us。一個典型的單時隙幀每秒跳1600次。多時隙幀由于節省了頭信息開銷而具有更高的數據速率。因此，藍牙的理論傳輸速率峰值可以達到1Mbps，平均值也可穩定在720kbps。
藍牙既支持電路交換也支持分組交換。藍牙基帶幀保留一部分時隙用于同步分組（對應于電路交換），每個分組在不同的跳頻中發射，一個分組通常占用1個時隙，最多能擴展到5個時隙。藍牙支持最大可達3個同步語音信道，同時也支持非同步數據信道，或者一個信道同時支持同步語音和非同步數據。
3.3工作模式
在活動狀態中，每個藍牙設備都被分配了一個3比特的主動成員地址（AMA）。它指引數據傳到不同的設備中。為了在很低的功率狀態下也能使藍牙設備處于連接狀態，藍牙規定了三種工作模式：停等（Park）、保持（Hold）和呼吸（Sniff）。在Park狀態中，設備釋放了AMA地址而得到一個8比特的被動成員地址（PMA），并以一定間隔監聽主控設備的消息，包括：詢問該設備是否想成為活動設備；詢問任何停等的設備是否想成為活動設備；廣播消息。在Hold狀態中，設備停止傳送數據，但一旦激活，數據傳遞就立即重新開始。在Sniff狀態中，從屬設備降低了從piconet接收消息的速率，保持了一定的時間間隔，一會兒醒一會兒睡，宛如呼吸一樣。這三種模式的節能效率是：Sniff>Hold>Park。
3.4糾錯方案
藍牙采用三種糾錯方案：1／3前項糾錯（FEC）、2／3前項糾錯和自動請求重發（ARQ）。前項糾錯的目的是減少重發的可能性。在信道噪聲干擾較大時藍牙系統會使用前項糾錯方案以保證通信質量：對SCO鏈路使用1／3前項糾錯，對ACL鏈路使用2／3前項糾錯。在無編號的自動請求重發方案中，一個時隙傳送的數據必須在下一個時隙得到收到的確認。只有數據在接收端通過了報頭錯誤檢測和循環冗余校驗（CRC）后認為無錯時才向發送端發回通認消息，否則返回一個錯誤消息。
3.5鏈路層的安全管理
藍牙系統的移動性和開放性使得安全問題顯得極端重要。雖然跳頻技術已經提供了一定的安全保障，但是藍牙系統仍需鏈路層的安全管理。在鏈路層中，藍牙系統提供了認證、加密和密鑰管理等功能。每個用戶都有一個個人標識碼PIN，它會被譯成一個128bit的鏈路密鑰（Link Key）來進行單雙向認證。一旦認證完畢，鏈路就會以不同長度的密碼（Eneryption Key）來加密。藍牙采用8～128位的密鑰對藍牙分組中的數據載荷進行加密，但不對藍牙接入碼和分組頭進行加密。載荷加密的具體細節依賴于所需要的加密強度以及產品最終應用國家的地區性法規要求。藍牙系統采用稱為E0的序列加密算法對數據進行加密。對每一數據載荷，E0算法都進行重新同步。E0序列加密包含3個部分：初始化部分，生成載荷密鑰；密鑰流比特生成器；加密與解密硬件電路。有3種加密模式：不對任何數據進行加密；一點對多點數據流不加密，點對點數據流進行加密；所有數據流均進行加密。
藍牙安全機制依賴PIN碼在設備間建立信任關系，一旦這種關系建立起來了，這些PIN碼就可以存儲在設備中以便將來更便捷地連接。關于設備，藍牙定義了3種信任級別：
（1） 可信任設備：設備已經通過鑒權，存儲了鏈路密鑰，在設備數據庫中標識為“可信任”；
（2） 不可信任設備：設備已經通過鑒權，存儲了鏈路密鑰，但在設備數據庫中沒有標識為“可信任”；
（3） 未知設備：無此設備的安全性信息，它同樣是一個不可信任設備。
4、應用
隨著藍牙技術的成熟和其芯片價格的降低，藍牙已經逐步滲透到我們生活的各個層面當中。下面就簡單列舉藍牙在我們日常生活中的應用。
（1） 數據同步：通過藍牙以及相應程序，手機或是PDA等移動設備內部的信息可以與計算機的同步，永保信息的最新。
（2） 文件傳輸：帶有藍牙芯片的手機、DC、DV可以通過藍牙實現數據的無線傳輸。DC上的保存的圖片也可以通過藍牙連接通過藍牙打印機打印出來。另外，只要計算機上配備了藍牙適配器，移動設備也可以方便地與之進行文件的傳輸。
（3） 終端耳機：藍牙耳機可以在藍牙發射有效范圍內（半徑5cm~10m，加大功率可達100m）接收設備傳送的音頻信號，使人沒有線纜的羈絆也可以輕松地進行聽覺享受。
（4） Internet接入：藍牙規范允許裝備了藍牙芯片的任何設備只要位于數據訪問點的有效范圍內，就可以輕松地上網。
藍牙應用模型展示了藍牙技術的實際用途。盡管藍牙規范定義了很多應用模型，但不外乎分為三大范疇：語音／數據訪問點、外設連接和個人網絡（PAN）。
5、與其他無線連接技術的比較
5.1 IEEE802.11b
即常見的WiFi技術（Wireless Fidelity）。該技術最初主要應用于學校／商業辦公區域，如今已經逐步實現了個人用戶的廣泛使用?，F今最熱門的筆記本電腦移動技術——迅馳就是基于這一技術。它的帶寬比藍牙寬，達到了17MHz；傳輸速率也可達到1～11Mbps，電波覆蓋范圍也比藍牙廣。但其易受干擾，安全性也不如藍牙，而且需要安裝無線網卡，成本較高。
5.2 HomeRF
該技術是面向家庭／小型商用無線局域網的開放性工業標準。工作頻段為10GHz，數據傳輸速率可達100Mbit/s，在WLAN的安全性方面主要考慮訪問控制和加密技術。 HomeRF不需接入點硬件，易安裝，價格便宜。但其抗干擾能力、安全性仍要低于藍牙。
5.3 紅外（ID）技術
該技術采用IrDA標準，通過波長為850mm的紅外光進行通訊。該技術曾因其價格低廉而倍受青睞，一度在筆記本電腦、手機上得到廣泛應用。但其對傳輸的距離、角度上有著嚴格的限制。傳輸速率低。
6、藍牙的優點
（1） 無線性；
（2） 開放性；
（3） 互操作性與兼容性。雖然藍牙的技術是開放的，但各國的藍牙產品在生產之后都要通過SIG的認證程序（qualification program）的認證，所以其具有很高的互操作性與兼容性；
（4） 價格低廉；
（5） 對人體安全影響不大。
7、結束語
藍牙是一種以安全的方式把眾多移動設備連接起來的無線網絡連接技術，它有著無限的應用前景。本文僅僅從藍牙技術的幾個方面對藍牙進行一個簡單的描畫。藍牙真正豐富的，是建立于其應用層的各種豐富的應用。相信在不久的將來，藍牙技術會憑借其種種優勢開拓出更為寬廣的市場。
參考文獻
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