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藍牙技術的概述

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1.引言


    隨著經濟的發展,人們對隨時隨地提供信息服務的移動計算機和寬帶無線通信的需求越來迫切。以人為本、個性化、智能化的移動計算機,以其方便、快捷的無線接入、無線互聯的新產品,已經逐漸融入到人們的日常生活和工作中。隨之而來的便攜式終端和無線通信相關的新技術層出不窮,其中短距離的無線通訊技術更是百花齊放、目不暇接。藍牙技術就是在這種背景下產生的。


2.什么是藍牙技術


藍牙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,為固定和移動設備通信環境建立一個特別連接的短程無線電技術。藍牙技術是愛立信,IBMIntel,諾基亞和東芝五家公司于19985月聯合主推的一項最新無線通信協議[1],并成立了“藍牙”特殊興趣集團STG( Special Interest Group),旨在利用微波取代傳統網絡中錯綜復雜的電纜,使家庭或辦公場所的移動電話、便攜式計算機、打印機、復印機、鍵盤、耳機及其它手持設備實現無線互連互通。其目標是實現最高數據傳輸速度1Mb/s(有效傳輸速度為721kb/s)、最大傳輸距離為100m,用戶不必經過中請便可利用2.4GHz1SM(工業、利學、醫學)頻帶,在其上設立79個帶寬為1 MHz的信道,用每秒鐘切換1600次的頻率、滾齒方式的頻譜擴散技術來實現電波的收發。


3.藍牙技術的特點


3. 1  特性


藍牙設備的工作頻段選在全球通用的2.4GHzISM (工業、科學、醫學)頻段,這樣用戶不必經過申請便可以在2400~2500MHz范圍內選用適當的藍牙無線電收發器頻段。頻道采用23個或79個,頻道間隔均為1MHz,采用時分雙工方式。調制方式為BT= 0. 5GFSK,調制指數為0. 28~0. 35。藍牙的無線發射機采用FM調制方式,從而能降低設備的復雜性。最大發射功率分為三個等級,100mW(20dBm), 2.5mW(4dBm), 1mw(0dBm),4~20dBm范圍內要求采用功率控制,因此,藍牙設備之間的有效通訊距離大約為10~100m


3. 2  TDMA結構


藍牙的數據傳輸率為1Mb/s,采用數據包的形式按時隙傳送每時隙0. 625 us。藍牙系統支持實時的同步定向聯接和非實時的異步不定向聯接,藍牙技術支持一個異步數據通道或一個并發的同步語音通道或一個同時傳送異步數據和同步語音通道。每一個語音通道支持64KB/S的同步語音,異步通道支持最大速率為721KB/S,反向應答速度為57.6KB/s的非對稱連接,或者一是速率為432.6KB/S的對稱連接。


3. 3使用跳頻技術


跳頻是藍牙使用的關鍵技術之一。對于單時隙包,藍牙的跳頻速率為1600/秒;對于多時隙包,跳頻速率有所降低;但在建鏈時則提高為3200/秒。使用這樣高的調頻速率,藍牙系統具有足夠高的抗干擾能力,且硬件設備簡單、性能優越。


3. 4藍牙設備的組網


藍牙根據網絡的概念提供點對點和點對多點的無線連接,在任意一個有效通訊范圍內,所有的設備都是平等的,并且遵循相同的工作方式。基于TDMA原理和藍牙設備的平等性,任一藍牙設備在主從網絡(Piconet)和分散網絡(Scatternet)中,既可做主設備(Master),又可作從設備(Slaver},還可同時既是主設備(Master),又是從設備(Slaver)。因此在藍牙系統中沒有從站的概念,另外所有的設備都是可移動的,組網十分方便。


3. 5軟件的層次結構


    和許多通訊系統一樣,藍牙的通訊協議采用層次式結構,其程序寫在一個9mm×9mm的微芯片中。其底層為各類應用所通用,高層則視具體應用而有所不同,大體分為計算機背景和非計算機背景兩種方式,前者一通過卞機控制接口HCI(Host Control Interface)實現高、低層的連接。后者一則不需要HCI。層次結構使其設備具有最大的通用性和靈活性。根據通訊協議,各種藍牙設備無論在任何地方,都可以通過人土或自動查詢來發現其它藍牙設備,從而構成卞從網和分散網,實現系統提供的各種功能,使用起來十分方便[2]


4.藍牙系統的組成


藍牙系統一般由無線單元、鏈路控制(硬件)單元、鏈路管理(軟件)單元和藍牙軟件協議棧)單元等四個功能單元組成[3]。如圖所示:



4.1 天線單元


    藍牙技術的天線部分體積十分小巧、重量輕,屬于微帶大線。藍牙空中接口建立在0dbm


(1mW)的基礎上,最大可達20dbm (100mW},遵循FCC(美國聯邦通信委員會)有關電平為0dbmISM頻段的標準。


4.2  鏈路控制(硬件)單元


目前藍牙產品的鏈路控制硬件單元包括3個集成器件:連接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器,此外還使用了3~5個單獨調諧件。基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其他一些低層常規協議。藍牙基帶協議是電路交換與分組交換的結合,采用時分雙工實現全雙工傳輸。


4.3  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、鏈路硬件配置和其他一些協議。LM能夠發現其他遠端LM并通過LMP(鏈路管理協議)與之通信。


4.4  軟件(協議棧)單元


    藍牙規范接口可以直接集成到筆記本電腦上,或者通過PC卡或USB接口連接,或者直接集成到蜂窩電話中或通過附加設備連接。藍牙的軟件(協議棧)單元是一個獨立的操作系統,不與任何操作系統捆綁,它符合己經制定好的藍牙規范。適用于集中不同商用操作系統(WindowsunixPocket PC)的藍牙技術規范正在完善中。


5.藍牙技術的應用


藍牙技術主要針對3大類的應用:話音數據接入、外圍設備互聯和個人局域網。藍牙能夠使蜂窩電話系統、無繩通信系統、無線局域網和互聯網等現有網絡增添新功能,使各類計算機、傳真機、打印機設備增添無線傳輸和組網功能,在家庭和辦公自動化、家庭娛樂、電子商務、無線公文包應用、各類數字電子設備、工業控制、智能化建筑等場合以及軍事領域開辟了廣闊的應用人地。下面介紹幾種主要應用領域。


(1)    通訊


第一代藍牙產品主要集中在語音通信方面。如:移動電話使用的無線耳機。第二代產品是帶有嵌入式藍牙技術模塊的數據通信產品,它們能夠在單個設備之間,如:膝上計算機與PDA間傳送數據或文件。藍牙技術在通信方面的另一個應用是構成特設網絡。藍牙技術產品應用于移動電話、家庭及辦公室電話系統中,可以實現真正意義上的個人通信,即個人局域網。這種個人局域網采用移動電話為信息網關,使各種便攜式設備之間可以交換內容。


(2)    計算機


藍牙技術將廣泛應用于計算機。無需安裝費用,無需下載軟盤驅動器,移動電話就能與計算機進行無線連接,這是計算機時代的夢想。無線操作的便攜硬盤是藍牙技術在計算機方面應用的一個很好的例子。


(3) 家庭


在家庭應用方面,可用藍牙技術實現“三表”自動抄錄和遠程傳輸;還可用藍牙技術改造電話系統,實現真正意義的個人通訊。嵌入了藍牙芯片的數字移動電話具備一機三用和耳機無線連接功能。嵌入了藍牙芯片的“信息家電”,也具有了網絡信息終端的功能,可以主動地發布、獲取和處理相關信息,使得個人家庭與現代信息社會的信息高速公路通信網緊密相連。可以設想所有的信息家電通過一個遙控器來進行控制,既可以控制電視,也可以控制計算機和空調器,同時還可以用作無繩電話或者移動電話,甚至可以在這些信息家電之間共享有用的信息,在家庭內部形成一個個人智能網絡。


(4) 辦公商務


在辦公自動化和電子商務方面,藍牙設備將消除桌面上錯綜復雜的連線,將出現無線鼠標和鍵盤,通過無線接入局域網,實現文件、調制解調器、打印機和服務器的共享。在開辦公會議時,可以用無線的方式訪問其他成員,共享文件等信息。利用藍牙技術還可以制造電子錢包和電子鎖,在很多消費場合進行電子付賬或在賓館接待處實現電子登記服務等。


(5) 軍事應用            


由于其特有的無需架設網絡設施、可快速展開、抗毀性強等特點,它的典型應用藍牙網絡已被軍事通信專家看好,用來發展相應的通信裝備。建立在網絡基礎上的“藍牙”單兵數字化裝備,無需在任何電子設備間布設專用線纜和連接器,通過“藍牙”遙控裝備就可以形成一點從到多點的連接,進行微微網網內設備通信,還可以利用藍牙組成戰術級無線局域網傳輸戰場信息、作戰數據,實現快速的戰場通信[4] 藍牙還可以用于軍事裝備的性能檢測、故障診斷,尤其在戰場環境中優勢明顯,可以產生巨大的軍事效益。


6.藍牙技術的發展趨勢


    (1) 芯片越來越小巧


    藍牙技術界面是專用半導體集成電路芯片,用于嵌入電子器件內。而與用戶直接見面的產品界面則是各種時尚電子產品。因此,藍牙技術要嵌入到電子器件內就要考慮藍牙的芯片尺寸,它必須具有小巧、廉價、結構緊湊和功能強大的特點才能放進蜂窩電話中。


(2) 與其它技術的兼容


藍牙只是W LAN中一項重要的技術,本身有其局限, W LAN網的實現需要幾種技術的結合如IEEE802.15委員會采納了可使藍牙和IEEE802.11b共存的技術提案[5]。解決藍牙產品基礎組件間的兼容問題。


    (3) 提高抗干擾能力和傳輸距離


實驗表明,在同時使用無線LAN和微波爐的情況下,藍牙的性能明顯下降,無干擾時,數據速率為500-600kb/s一旦干擾出現,速率突降至200kb/s。藍牙只有l0m的傳輸距離也制約著它的應用和發展,需要充分利用其功率類型,增加特殊應用通信距離。


    (4) 眾多操作系統支持藍牙


微軟公司于近年上市的所有Windows操作系統均支持藍牙。以IBM為首的眾多計算機廠商正在努力達成協議,為PC 平臺制定藍牙標準,以解決不同設備之間的兼容性。


    (5) 支持漫游功能


藍牙技術可以在微網絡或擴大網之間切換,但每次切換都必須斷開與當前PAN的連接。為解決此問題,Commil技術公司設計了一種系統,即使在藍牙模式不同入口點之間漫游,仍可以維持連續的、不中斷的數據和聲音交流[6]


7.藍牙技術存在的問題


任何科學技術的發展總是從不完善向完善發展的,與其他通信技術一樣,藍牙技術也是一個開放的技術,必然存在一些問題,如保密安全問題,2.4GHzISM頻段使用的電磁兼容與頻率共用問題,互操作性與兼容性問題,價格、可靠性等綜合吸引力問題下面主要對保密安全問題和2.4GHzISM頻段使用的電磁兼容與頻率共用問題進行闡述。


藍牙技術剛開始發展的時候,對保密安全問題考慮不周全,雖采用了無線跳頻技術,但竊聽者和截取者來說這不是一個技術障礙。藍牙網絡是一個開放式網絡,提供128bit的芯片作為設備的健全鑒權號,但在通訊中可以被篡改和冒用。SIG已開始重視藍牙的保密安全問題,提出藍牙的安全模式問題。


藍牙可以使用專用或共用2類頻段,但是由于專用頻帶需占用較寬頻帶,而只有2. 4GHz5.8GHz是當前藍牙技術與ISM共用可以考慮的頻帶范圍,因此藍牙技術只得使用與工、科、醫設備相同的頻帶,必然存在干擾問題。藍牙技術采用2.4GHz頻帶時,可能存在來自系統內部的干擾、藍牙與其他通信系統之間的干擾以及來自ISM設備的干擾。目前,藍牙技術采用跳頻擴譜技術(FHSS),其抗干擾能力很強,發射功率為毫瓦級,但必須檢驗其實際共存的可靠性和可能性,以及管理規則的協調配合問題等。


8.結束語


    藍牙作為一新興的事物,發展迅速,產品市場占有量穩步增長,前景光明。但也有一些不足之處,如成本過高、有效距離短及速度和安全性能也不令人滿意等。但藍牙與生俱來的開放性賦予了它強大的生命力,從一問世,人們就看到了它的巨大的商業價值,可以預見,藍牙將給我們的生活帶來一場革命。在不久的將來,藍牙將形成一個新的浪潮,席卷全球。

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