蓝牙

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蓝牙(Bluetooth)
蓝牙(Bluetooth)

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什么是蓝牙

  蓝牙是一种无线个人局域网(Wireless PAN),最初由爱立信创制,后来由蓝牙技术联盟订定技术标准。来自古老北欧国王Harald Blåtand,借国王的姓“Blåtand”当名称,直接翻译成中文为“蓝牙”(Blå=蓝、Tand=牙)。

蓝牙的由来[1]

  蓝牙这个名字的来历颇具传奇色彩。公元l0世纪的北欧正值动荡年代,各国之间战争频繁,丹麦国王哈拉德二世挺身而出,到处疾呼和平。经过他的不懈努力,战争终于停止,各方领袖坐到了谈判桌前,至此,四分五裂的挪威和丹麦得以统一。关于这位国王的名字有两种说法:一种说法是他的全名是Harald Blatand,Blatand在英语中意思为“蓝牙”(Bluetooth);还有一种说法是这位英雄的丹麦国王酷爱吃蓝梅,以致于牙齿都被染成了蓝色,因此蓝牙(Bluetooth)成了他的绰号。

  1000年后的今天,世界范围内电子设备技术高速发展。瑞典的爱立信公司于1994年成立了一个专项科研小组,对移动电话及其附件的低能耗、低费用无线连接的可能性进行研究,他们的最初目的在于建立无线电话与PC卡、耳机及桌面设备等产品的连接。但是随着研究的深入,科研人员越来越感到这项技术所独具的个性和巨大的商业潜力.同时也意识到凭借一家企业的实力根本无法继续研究,于是,爱立信将其公诸于世,并极力说服其他企业加入到它的研究中来。他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术,并将此技术命名为“蓝牙”,来表达要将这种全新的无线传输技术在全球推广,并实现全球通用的雄心。

  1998年2月,瑞典爱立信(ERICSSON)、芬兰诺基亚(NOKIA)、日本东芝(TOSHIBA)、美国IBM和英特尔(Intel)公司五家著名厂商,组成了一个特殊利益集团(有的书译为特别兴趣小组)SIG(Special Interest Group)。之后,蓝牙引起了越来越多企业的关注。1999年11月,比尔·盖茨专程到拉斯维加斯一间只有11名员工的小公司访问,只因这家公司已研制成功一种含蓝牙技术的胸卡,随后,微软便宣布加入SIG。目前,包括索尼惠普戴尔在内的2500多家公司都签署了相关协议加入该组织,共享这一先进技术,而且数目还在不断的增长,从而在全球范围内掀起了一股蓝牙热潮。这么多的精英公司集中在一项技术的大旗下,在商业史上是史无前例的,一项公开的全球统一的技术规范得到了工业界如此广泛的关注和支持,也是以往所罕见的。这说明基于此项技术的产品具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场

蓝牙的发展[2]

  1994年爱立信(Ericsson)公司发起了一项研究,旨在移动电话及其附件之间探求一种新的低功耗、低成本的空中接口。研究的目的之一是要找到一种新的连接方式,能够去除连接移动电话与耳机、笔记本计算机及其他设备之间繁杂的线缆,但更主要的目的则是分析有多少种不同的通信设备可以通过移动电话接入到蜂窝网中(上述的空中接口研究只是它的一部分)。爱立信公司得出的结论是蜂窝网的最后一段应该是短距离的无线连接,爱立信将这项新的无线通信技术命名为蓝牙(blue tooth)。随着项目的进展,蓝牙技术的应用前景也变得明朗起来。爱立信意识到要使这项技术最终获得成功,必须得到业界其他公司的支持与应用。1998年5月,爱立信联合诺基亚(Nokia)、英特尔(Intel)、IBM和东芝(Toshiba)这4家公司一起成立了蓝牙特殊利益集团(SIG),负责蓝牙技术标准的制定、产品测试,并协调各国蓝牙的具体使用。3Com、朗讯(Lucent)、微软(Microsoft)、摩托罗拉(Motorola)很快加盟SIG,并组成领导小组(promoter group)。领导小组的职责是:创建蓝牙论坛,加强蓝牙协议的制定和改进,提供互操作性测试工具,进而指导SIG成员在蓝牙领域的研究工作。SIG着眼于蓝牙在全球的发展与应用,将蓝牙技术标准完全公开,1999年7月SIG公布了蓝牙规范1.0版;1999年12月公布了蓝牙规范1.ob版;2001年4月公布了1.1版;2003年11月公布了1.2版本;2004年8月公布了2.0版本。

  现在SIG已发展成为一个相当庞大的工业界高新技术标准化组织,全球支持蓝牙技术的2000多家设备制造商都已经成为它的会员。近年来,世界上一些权威的标准化组织也都在关注蓝牙技术标准的制定和发展。例如,IEEE就已经成立了802.15工作组,专门关注有关蓝牙技术标准的兼容和未来的发展等问题。

  2000年6月在新加坡召开的Communication Asia展览会上,爱立信公司推出了全球第一部使用蓝牙技术的GPRS(通用分组无线业务)手机R520,R520手机融合了GPRS、高速数据(HSCSD)、蓝牙技术和wAP(无线应用协议),除了高速率外,R520还可以借助其内置蓝牙芯片提供全面无线连接解决方案,从而避免了在电话和其他移动设备(如PC和免提设备)之间使用连接线缆。从R520问世至今,越来越多的手机制造商开始在其手机中植入蓝牙芯片,而这无疑又会带动蓝牙耳机的需求增长。蓝牙手机和蓝牙耳机使得用户可以进行无线会话。咨询机构DC的研究报告指出,2008年全球销售的手机中将有53%具备蓝牙功能,其中65%的蓝牙手机在美国市场销售。

  短距离无线蓝牙技术已经嵌入到了许多消费装置中,从笔记本计算机、手机到汽车都可以看到蓝牙的踪影。同时蓝牙在操作系统方面也得到了强有力的支持,目前已经有PocketPC、WindowsCE.Net、苹果计算机的MacOSX操作系统、Palm与多数手机操作系统增加了对蓝牙的支持。蓝牙进入企业的首要渠道来自手机、笔记本计算机与PDA

蓝牙的优势[3]

  (1)易于使用

  当用户设备处于一定范围的时候,支持蓝牙无线技术的设备将自动互相识别,完成同步其电话本等工作。

  (2)无缝的互操作性

  设备应用程序的自动发现提供智能的按需访问。通过标准的高层协议子集(Profiles)进行应用程序连接,消除了设备和操作系统的依赖性。

  (3)快速

  2.4GHz无线电发送,提供1Mbiffs的流量。

  (4)安全

  蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。鉴权是蓝牙系统中的关键部分,它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域,如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。

  加密被用来保护连接中的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。鉴权和加密机制保证个人通信的绝对安全。

  (5)连接范围

  在开放空间里,客户端之间的连接可跨越10m。客户端与接入点之间的距离可长达100m(不一定要在视线范围内)。

  (6)语音和数据支持

  每个设备支持多达3个语音通道,7个数据连接,实现多功能连接。

  (7)被广泛地采纳

  蓝牙技术被1800多家公司所采纳,这意味着不断地会有大量支持蓝牙无线技术的应用和设备。

  (8)价格合理

  这种价格合理的选择使广泛地部署和使用成为可能。

  (9)节能

  低功耗使众多的设备可以使用这种无线技术,如手机、手持电脑到打印机、数码相机。

  (10)在个人的层次上进行连接

  蓝牙技术将会渗透到日常生活的方方面面,无论是在家里,在工作中,还是在娱乐中。这里有3个例子,您将能够利用到蓝牙无线技术。

  ①连接您的世界

  您的无线PAN把您所有的电子设备都连接在一起,解放您的双手和大脑去从事更重要的事。当您需要用无线头带设备进行通话时,只要在您的手持电话本上选一个名字,就能用您的电话拨号了。或者,您还可以用HotSync技术同步您的手持设备和电脑,这并不需要接上电线。

  ②与其他人、其他设备相连

  您需要跨出个人区域网络后,同样可以没有障碍地进行连接。走到打印机前,就可以打印出会议的日程。可以在会议室的虚拟电子白板下载记录,和其他与会者交换电子名片、文档。

  ③访问整个世界

  蓝牙无线技术也许还能在您观看体育比赛时帮助您下载运动员的档案、获得其他比赛的最新比分情况、预定座位、用电子货币结算。在体育馆里,您可以向全世界的朋友发电子邮件

蓝牙技术

1.特点[1]

  1.成本低

  为了能够替代一般电缆,它必须具备和一般电缆差不多的价格,这样才能被广大普通消费者接受,也才能使这项技术普及开来。蓝牙的最终目标是集成于单价为5美元的CMOS芯片。目前,蓝牙芯片价格降不下来,既有经济原因,也有技术原因。从技术角度来看,蓝牙芯片集成了无线、基带和链路管理层功能,而链路管理功能实际上既可以通过硬件实现,也可以通过软件实现,如果由软件实现链路管理层功能,那么芯片被简化,价格也将变得合理。

  2.功耗低、体积小

  蓝牙技术本来目的就是用于互连小型移动设备及其外设,它的市场目标是移动笔记本电脑、移动电话、小型的PDA以及它们的外设,因此蓝牙芯片必须具有功耗低、体积小的特点,以便于集成到小型便携设备中去。蓝牙产品输出功率很小(只有lmW),仅是微波炉使用功率的百万分之一,是移动电话的一小部分。

  3.近距离通信

  蓝牙技术通信距离为10m,如果需要的话,还可以选用放大器使其扩展到100m。这已经足够在办公室内任意搂敖外围设备,而不用再担心电缆长度是否够用。

  4.安全性

  同其它无线信号一样,蓝牙信号很容易被截取,因此蓝牙协议提供了认证和加密功能,以保证链路级的安全。蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供,采用流密码加密技术,适合于硬件实现,密钥由高层软件管理。如果用户有更高级别的保密要求,可以使用更高级、更有效的传输层和应用层安全机制。认证可以有效防止电子欺骗以及不期望的访问,而加密则保护链路隐私。除此之外,跳频技术的保密性和蓝牙有限的传输范围也使窃听变得困难。

  然而,在提供链路级认证和加密的同时,也阻碍了一些公共性较强应用模型的用户友好访问,比如服务发现和商业卡虚拟交换等。因此,为了满足这些不同的安全需求,蓝牙协议定义了三种安全模式。模式1不提供安全保障,模式2提供业务级安全,模式3则提供链路级安全。

2.典型应用[4]

  蓝牙技术适用于以下三个方面的短距离无线连接:

  • 数据和语音接人点。
  • 替代电线和电缆。
  • 包含硬件、软件和互操作需求的一种无固定中心站的网络。

  对用户而言,蓝牙技术则试图实现把所有的设备——包括笔记本电脑、鼠标、打印机、接人点、移动电话和话筒等——都使用蓝牙协议无线地连接在一起,进行语音和数据的交换。同时,还可以通过无线或有线的接人点(如PSTN,ISDN,LAN,xDSL)与外界相连。

  蓝牙技术的几种典型应用如下:

  (1)三合一电话

  蓝牙技术使一部移动电话手机能在多种场合内使用:在办公室里,这部手机是内部电话,不计电话费;在家里,是无绳电话,计固定电话费;出门在外,是一部移动电话。

  (2)Intemet网桥

  蓝牙技术可以使便携式电脑在任何地方都能通过移动电话手机进入因特网,随时随地到因特网上去“冲浪”。

  (3)交互性会议

  在会议中,蓝牙技术可以迅速使自己的信息通过便携电脑、手机、PDA等供其他与会者共享。

  (4)手机公文包

  笔记本电脑还在皮包里时收到了外来的电子邮件,用户的移动电话就会发出声音,提醒用户“电脑收到了电子邮件”。这时用户不用打开电脑,在手机上就可以浏览收到的电子邮件。注意,该功能与现有的如搜狐网易提供的类似功能的实现方式是完全不同的。

  (5)图像的无线传输

  蓝牙技术可将数字相机中的图像发送给其他的数字相机或者PC机、PDA等。

  (6)家用设备的遥控和家电网络

  家用微波炉、电磁炉、空调、冰箱以及照明灯具等,均可以使用蓝牙技术进行“智能化”的遥控和互连。

3.蓝牙技术的最新进展[4]

  下面对蓝牙技术的新产品和新技术规范做介绍。

  1.新产品

  爱立信公司发布了基于蓝牙技术的无线耳机,并投放了内置蓝牙收发信号模块的移动电话手机;摩托罗拉公司在消费类电子产品展览会上将展示因特网接人和同步服务;E13A公司提供了蓝牙ISDN产品。蓝牙的PCMCIA卡和调制解调器也即将面世。另外,越来越多的公司宣布将生产各种各样基于蓝牙技术的产品。

  在芯片方面,有关厂商已经开发出了各种蓝牙专用集成电路(ASIC),并发布了相应的开发工具包,使较早采用此技术的厂商能更快更容易地生产出应用产品。

  在软件方面,不少公司也开发出厂相应的蓝牙协议栈。特别值得一提的是,总部在加拿大而开发工作在北京进行的IVT公司实现了用C代码和SDL的蓝牙协议栈,可以用于不同的操作系统,该公司还开发出了相应的软件开发包。

  蓝牙技术把各种便携式电脑、移动电话和家用电器等用无线链路连接起来,将计算机与通信更加密切结合起来,使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。人们相信,蓝牙技术将掀起无线连接与通信的革命。因此,电信业、计算机业、家电业都对蓝牙技术很重视,认为蓝牙技术将对未来的无线移动数据通信业务有巨大的促进作用,预计在最近几年内无线数据通信业务将迅速增长。蓝牙技术被认为是无线数据通信最为重大的进展之一。

  2.蓝牙2.0

  主导蓝牙技术的爱立信技术许可公司描述了蓝牙2.0的一些基本功能,它可以支持4Mbit/s、8Mbit/s和12Mbit/s多种传输速度。即将推出的蓝牙2.0无线通信设备瞄准的是个人区域网络(PAN)。

  蓝牙2.0使用“非跳跃窄带信道和分布式媒体访问控制协议(non-hopping narrowband channel and distributed media-access control protocols),可以在现有蓝牙规范的基础上提供新的通信模式。蓝牙2.0采用速度较高的模式,应答时间会更短,并可以提供内置服务质量(QoS),还支持广播/多点传播。

  蓝牙2.0预计将同现在的蓝牙规范一样,在10m内的范围工作,其最大耗电量估计将是现有蓝牙规范的两倍。

  蓝牙2.0采用的分布式协议将用于缓解现有蓝牙主从(master/slave)设备的Piconet所存在的问题。在现有蓝牙规范里,主设备离开后,Piconet就关闭了。蓝牙2.0免除了主设备,使得Piconet里的任何设备都成为主设备,因此在一台设备离开后,Piconet上的其他设备仍可继续进行通信。

  就在蓝牙2.0即将出现之时,IEEE标准组织也在加速无线LAN和无线PAN技术的工作进程,以解决家庭内部音频和视频设备之间无线连接的问题。尽管其他无线技术的推广给蓝牙带来了竞争,但蓝牙2.0的优势则在互动游戏和多媒体应用方面,除蓝牙技术外的任何其他的无线技术都不能满足手机所要求的低耗电量、低成本功能。

蓝牙协议[5]

  蓝牙协议是由Bluetooth SIG开发的无线通信协议,主要面向近距离的无线数据语音传输,完成电缆替代的核心应用。从层次上区分,蓝牙协议可以分为底层协议、中间层协议及应用层协议。蓝牙底层协议包括:射频(Radio)、基带(BaseBand)、链路管理协议(Link Manager Protocol,LMP)、逻辑链路控制与适配协议(Logical Link Control and Adaptation Protocol,L2CAP)、主控制器接口(Host Controller Interface,HCI)协议等;中间层协议包括:服务发现协议(Service Discovery Protocol,SDP)、串口仿真协议(RFCOMM)、电话控制协议规范(TelCtrl)、与红外通信协议的互操作性(IrDAOper)、对象交换协议(Object Exchange,OBEX)等,底层协议与中间层协议共同组成蓝牙核心层协议;蓝牙应用层协议也称为蓝牙应用规范PROHLE(也有翻译成剖面),都建立在核心协议的基础上。蓝牙应用规范很多,其中较典型的有服务发现(Service Discovery Application,SDA)、互通(Intercom)、无绳电话(Cordless Telephony)、传真(FAX)、拨号网络(Dialup Networking)、耳机(Headset)、局域网访问(LAN Access)、文件传输(File Transfer)、同步(Synchronization)、Object Push等。各种Profile从协议栈中选取不同的协议组合来完成特定的功能。

  蓝牙技术发展中经历了V1.0、V1.1、V1.2、V2.0、V2.1等5个版本,其中V1.0是最早的版本,V1.1协议是最早成熟的协议,对蓝牙早期的产品统一起到很大的作用,V1.2是最成熟的蓝牙应用协议,V2.0在V1.2的基础上增加了EDR(增强数据率),V2.1是最新提出的版本,所有的蓝牙协议都向下兼容,不同版本的协议可以互联互通。

  下面,对蓝牙协议V1.1、V1.2、V2.0与V2.1进行简单的介绍与比较。

  1.Bluetooth V1.1

  由于没有考虑到设备互操作性的问题,Bluetooth V1.0规范在标准方面有所欠缺。例如出于安全性方面的考虑,Bluetooth V1.0设备之间的通信都是经过加密的——当两台蓝牙设备之间尝试建立起一条通信链路时,它们会因为不同厂家设置的口令不同不匹配而无法正常通信;或如果响应设备(辅设备)处理信息的速度高于主设备,随之而来的竞争态势会使两台设备都得出自己是通信主设备的计算结果等。Bluetooth V1.1规范对这一问题进行了解决,Bluetooth V1.1技术规范要求会话中的每一台设备都需要确认其在主设备/辅设备关系中所扮演的角色。

  此外,Bluetooth技术本来将2.4GHz的频带划分为79个子频段,而为了适应一些国家的军用需要,Bluetooth V1.0重新定义了另一套子频段划分标准,将整个频带划分为23个子频段,以避免使用2.4GHz频段中指定的区域。这造成了使用79个子频段的设备与那些设计为使用23个子频段的设备之间互不兼容。BluetoothV1.1标准取消了23个子频段的副标准,所有的BluetoothV1.1设备都使用79个子频段在2.4GHz的频谱范围之内进行相互的通信。

  此外,Bluetooth V1.1规范也修正了因互不兼容的数据格式引发的Bluetooth V1.0设备之间的互操作性问题,允许从设备主动与主设备进行通信并告知主设备有关分组大小方面的信息。

  Bluetooth V1.1规范中,辅设备可以在必要的时候通知主设备发送包含多少时隙(Slots)的数据包

  2.Bluetooth V1.2

  Bluetooth V1.1标准的缺点与优点同样明显,例如它很容易受到主流802.1lb设备干扰。Bluetooth SIG新发布的V1.2标准就提供了更好的同频抗干扰能力,并且加强了语音识别能力,并向下兼容V1.1的设备。

  V1.2版本最大的改进在于增加了自适应跳频技术(Adaptive Frequency Hopping,AFH),并主要针对现有蓝牙协议和802.1lb/g之间的互相干扰问题进行了全面的改进,防止用户在同时使用支持蓝牙和无线局域网的两种装置的时候出现互相干扰的情况。

  1.2版本增强了语音处理,改善了语音连接的品质(可以提高蓝牙耳机的音质),并能更快速地连接设备。

  3.Bluetooth V2.0+EDR

  新版蓝牙规范提高了带宽,使得新版本的蓝牙设备可以传输更大的文件,同时V2.0+EDR版本兼容所有旧版规范。V2.0+EDR版的开发是基于当前对提升数据吞吐量的需要,比如传输CD音质的流媒体文件,数码相片和激光打印等。蓝牙核心规范V2.0+EDR主要内容如下:

  (1)3倍数据传输速率(最大可以达到10倍);

  (2)更多的带宽简化了多连接模式;

  (3)向后兼容早期蓝牙设备;

  (4)降低了误比特率BER(BitErrorRate)。

  4.Bluetooth V2.1+EDR

  虽然BluetoothV2.0+EDR标准在技术上作了大量的改进,但从1.X标准延续下来的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。为了改善旧版蓝牙技术存在的问题,蓝牙SIG组织推出了BluetoothV2.1+EDR版本的蓝牙技术。

  蓝牙核心规范V2.1+EDR的主要改进包括如下两点:

  (1)改善装置配对流程。由于有许多使用者在进行硬件之间的蓝牙配对时,会遭遇到许多问题,不管是单次配对,或者是永久配对,配对的过程与必要操作过于繁杂,以往在连接过程中,需要利用个人识别码来确保连接的安全性,而改进后的连接方式则是会自动使用数字密码来进行配对与连接,举例来说,只要在手机选项中选择连接特定装置,在确定之后,手机会自动列出目前环境中可使用的设备,并且自动进行连接。

  而在短距离配对方面,也具备了在两个支持蓝牙的手机之间互相进行配对与通信传输的NFC(Near Field communication)机制。NFC是短距离的无线RFID技术,在针对1~2m的短距离联机应用上,以电磁波为基础,取代传统无线电传输。由于NFC机制掌控了配对的起始侦测,当范围内的两台装置要进行配对传输时,只要简单地在手机屏幕上点选是否接受联机即可。不过要应用NFC功能,系统必须内建NFC芯片或具备相关硬件功能。

  (2)更佳的省电效果。蓝牙2.1版本加入了Sniff Subrating的功能,通过设定在两个装置之间互相确认信号的发送间隔来达到节省功耗的目的。一般来说,当两个进行连接的蓝牙装置进人待机状态之后,蓝牙装置之间仍需要通过相互的呼叫来确定彼此是否仍保持在联机状态,因此,蓝牙芯片就必须随时保持在工作状态,即使手机的其他组件都已进入休眠模式。为了改善这一状况,蓝牙2.1将装置之间相互确认的信号发送时间间隔从旧版的0.1s延长到0.5s左右,这样一来可以让蓝牙芯片的工作负载大幅降低,也让蓝牙模块可以有更多的时问彻底休眠。根据官方的报告,采用此技术之后,蓝牙装置在开启蓝牙联机之后的待机时间可以有效延长5倍以上。

参考文献

  1. 1.0 1.1 张卫钢主编.通信原理与通信技术.西安电子科技大学出版社,2003
  2. 汪涛主编.无线网络技术导论.清华大学出版社,2008
  3. 邹涛编著.网络与无线通信技术.人民邮电出版社,2004
  4. 4.0 4.1 石硕主编.计算机组网技术.机械工业出版社,2003
  5. 李香编著.蓝牙应用分析设计与组网通信技术.哈尔滨工业大学出版社,2009
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