藍牙

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蓝牙(Bluetooth)
藍牙(Bluetooth)

目錄

什麼是藍牙

  藍牙是一種無線個人區域網(Wireless PAN),最初由愛立信創製,後來由藍牙技術聯盟訂定技術標準。來自古老北歐國王Harald Blåtand,借國王的姓“Blåtand”當名稱,直接翻譯成中文為“藍牙”(Blå=藍、Tand=牙)。

藍牙的由來[1]

  藍牙這個名字的來歷頗具傳奇色彩。公元l0世紀的北歐正值動蕩年代,各國之間戰爭頻繁,丹麥國王哈拉德二世挺身而出,到處疾呼和平。經過他的不懈努力,戰爭終於停止,各方領袖坐到了談判桌前,至此,四分五裂的挪威和丹麥得以統一。關於這位國王的名字有兩種說法:一種說法是他的全名是Harald Blatand,Blatand在英語中意思為“藍牙”(Bluetooth);還有一種說法是這位英雄的丹麥國王酷愛吃藍梅,以致於牙齒都被染成了藍色,因此藍牙(Bluetooth)成了他的綽號。

  1000年後的今天,世界範圍內電子設備技術高速發展。瑞典的愛立信公司於1994年成立了一個專項科研小組,對行動電話及其附件的低能耗、低費用無線連接的可能性進行研究,他們的最初目的在於建立無線電話與PC卡、耳機及桌面設備等產品的連接。但是隨著研究的深入,科研人員越來越感到這項技術所獨具的個性和巨大的商業潛力.同時也意識到憑藉一家企業的實力根本無法繼續研究,於是,愛立信將其公諸於世,並極力說服其他企業加入到它的研究中來。他們共同的目標是建立一個全球性的小範圍無線通信技術,並將此技術命名為“藍牙”,來表達要將這種全新的無線傳輸技術在全球推廣,並實現全球通用的雄心。

  1998年2月,瑞典愛立信(ERICSSON)、芬蘭諾基亞(NOKIA)、日本東芝(TOSHIBA)、美國IBM和英特爾(Intel)公司五家著名廠商,組成了一個特殊利益集團(有的書譯為特別興趣小組)SIG(Special Interest Group)。之後,藍牙引起了越來越多企業的關註。1999年11月,比爾·蓋茨專程到拉斯維加斯一間只有11名員工的小公司訪問,只因這家公司已研製成功一種含藍牙技術的胸卡,隨後,微軟便宣佈加入SIG。目前,包括索尼惠普戴爾在內的2500多家公司都簽署了相關協議加入該組織,共用這一先進技術,而且數目還在不斷的增長,從而在全球範圍內掀起了一股藍牙熱潮。這麼多的精英公司集中在一項技術的大旗下,在商業史上是史無前例的,一項公開的全球統一的技術規範得到了工業界如此廣泛的關註和支持,也是以往所罕見的。這說明基於此項技術的產品具有廣闊的應用前景和巨大的潛在市場

藍牙的發展[2]

  1994年愛立信(Ericsson)公司發起了一項研究,旨在行動電話及其附件之間探求一種新的低功耗、低成本的空中介面。研究的目的之一是要找到一種新的連接方式,能夠去除連接行動電話與耳機、筆記本電腦及其他設備之間繁雜的線纜,但更主要的目的則是分析有多少種不同的通信設備可以通過行動電話接入到蜂窩網中(上述的空中介面研究只是它的一部分)。愛立信公司得出的結論是蜂窩網的最後一段應該是短距離的無線連接,愛立信將這項新的無線通信技術命名為藍牙(blue tooth)。隨著項目的進展,藍牙技術的應用前景也變得明朗起來。愛立信意識到要使這項技術最終獲得成功,必須得到業界其他公司的支持與應用。1998年5月,愛立信聯合諾基亞(Nokia)、英特爾(Intel)、IBM和東芝(Toshiba)這4家公司一起成立了藍牙特殊利益集團(SIG),負責藍牙技術標準的制定、產品測試,並協調各國藍牙的具體使用。3Com、朗訊(Lucent)、微軟(Microsoft)、摩托羅拉(Motorola)很快加盟SIG,並組成領導小組(promoter group)。領導小組的職責是:創建藍牙論壇,加強藍牙協議的制定和改進,提供互操作性測試工具,進而指導SIG成員在藍牙領域的研究工作。SIG著眼於藍牙在全球的發展與應用,將藍牙技術標準完全公開,1999年7月SIG公佈了藍牙規範1.0版;1999年12月公佈了藍牙規範1.ob版;2001年4月公佈了1.1版;2003年11月公佈了1.2版本;2004年8月公佈了2.0版本。

  現在SIG已發展成為一個相當龐大的工業界高新技術標準化組織,全球支持藍牙技術的2000多家設備製造商都已經成為它的會員。近年來,世界上一些權威的標準化組織也都在關註藍牙技術標準的制定和發展。例如,IEEE就已經成立了802.15工作組,專門關註有關藍牙技術標準的兼容和未來的發展等問題。

  2000年6月在新加坡召開的Communication Asia展覽會上,愛立信公司推出了全球第一部使用藍牙技術的GPRS(通用分組無線業務)手機R520,R520手機融合了GPRS、高速數據(HSCSD)、藍牙技術和wAP(無線應用協議),除了高速率外,R520還可以藉助其內置藍牙晶元提供全面無線連接解決方案,從而避免了在電話和其他移動設備(如PC和免提設備)之間使用連接線纜。從R520問世至今,越來越多的手機製造商開始在其手機中植入藍牙晶元,而這無疑又會帶動藍牙耳機的需求增長。藍牙手機和藍牙耳機使得用戶可以進行無線會話。咨詢機構DC的研究報告指出,2008年全球銷售的手機中將有53%具備藍牙功能,其中65%的藍牙手機在美國市場銷售。

  短距離無線藍牙技術已經嵌入到了許多消費裝置中,從筆記本電腦、手機到汽車都可以看到藍牙的蹤影。同時藍牙在操作系統方面也得到了強有力的支持,目前已經有PocketPC、WindowsCE.Net、蘋果電腦的MacOSX操作系統、Palm與多數手機操作系統增加了對藍牙的支持。藍牙進入企業的首要渠道來自手機、筆記本電腦與PDA

藍牙的優勢[3]

  (1)易於使用

  當用戶設備處於一定範圍的時候,支持藍牙無線技術的設備將自動互相識別,完成同步其電話本等工作。

  (2)無縫的互操作性

  設備應用程式的自動發現提供智能的按需訪問。通過標準的高層協議子集(Profiles)進行應用程式連接,消除了設備和操作系統的依賴性。

  (3)快速

  2.4GHz無線電發送,提供1Mbiffs的流量。

  (4)安全

  藍牙基帶部分在物理層為用戶提供保護和信息保密機制。鑒權是藍牙系統中的關鍵部分,它允許用戶為個人的藍牙設備建立一個信任域,如只允許主人自己的筆記本電腦通過主人自己的行動電話通信。

  加密被用來保護連接中的個人信息。密鑰由程式的高層來管理。網路傳送協議和應用程式可以為用戶提供一個較強的安全機制。鑒權和加密機制保證個人通信的絕對安全。

  (5)連接範圍

  在開放空間里,客戶端之間的連接可跨越10m。客戶端與接入點之間的距離可長達100m(不一定要在視線範圍內)。

  (6)語音和數據支持

  每個設備支持多達3個語音通道,7個數據連接,實現多功能連接。

  (7)被廣泛地採納

  藍牙技術被1800多家公司所採納,這意味著不斷地會有大量支持藍牙無線技術的應用和設備。

  (8)價格合理

  這種價格合理的選擇使廣泛地部署和使用成為可能。

  (9)節能

  低功耗使眾多的設備可以使用這種無線技術,如手機、手持電腦到印表機、數位相機。

  (10)在個人的層次上進行連接

  藍牙技術將會滲透到日常生活的方方面面,無論是在家裡,在工作中,還是在娛樂中。這裡有3個例子,您將能夠利用到藍牙無線技術。

  ①連接您的世界

  您的無線PAN把您所有的電子設備都連接在一起,解放您的雙手和大腦去從事更重要的事。當您需要用無線頭帶設備進行通話時,只要在您的手持電話本上選一個名字,就能用您的電話撥號了。或者,您還可以用HotSync技術同步您的手持設備和電腦,這並不需要接上電線。

  ②與其他人、其他設備相連

  您需要跨出個人區域網路後,同樣可以沒有障礙地進行連接。走到印表機前,就可以列印出會議的日程。可以在會議室的虛擬電子白板下載記錄,和其他與會者交換電子名片、文檔。

  ③訪問整個世界

  藍牙無線技術也許還能在您觀看體育比賽時幫助您下載運動員的檔案、獲得其他比賽的最新比分情況、預定座位、用電子貨幣結算。在體育館里,您可以向全世界的朋友發電子郵件

藍牙技術

1.特點[1]

  1.成本低

  為了能夠替代一般電纜,它必須具備和一般電纜差不多的價格,這樣才能被廣大普通消費者接受,也才能使這項技術普及開來。藍牙的最終目標是集成於單價為5美元的CMOS晶元。目前,藍牙晶元價格降不下來,既有經濟原因,也有技術原因。從技術角度來看,藍牙晶元集成了無線、基帶和鏈路管理層功能,而鏈路管理功能實際上既可以通過硬體實現,也可以通過軟體實現,如果由軟體實現鏈路管理層功能,那麼晶元被簡化,價格也將變得合理。

  2.功耗低、體積小

  藍牙技術本來目的就是用於互連小型移動設備及其外設,它的市場目標是移動筆記本電腦、行動電話、小型的PDA以及它們的外設,因此藍牙晶元必須具有功耗低、體積小的特點,以便於集成到小型便攜設備中去。藍牙產品輸出功率很小(只有lmW),僅是微波爐使用功率的百萬分之一,是行動電話的一小部分。

  3.近距離通信

  藍牙技術通信距離為10m,如果需要的話,還可以選用放大器使其擴展到100m。這已經足夠在辦公室內任意摟敖外圍設備,而不用再擔心電纜長度是否夠用。

  4.安全性

  同其它無線信號一樣,藍牙信號很容易被截取,因此藍牙協議提供了認證和加密功能,以保證鏈路級的安全。藍牙系統認證與加密服務由物理層提供,採用流密碼加密技術,適合於硬體實現,密鑰由高層軟體管理。如果用戶有更高級別的保密要求,可以使用更高級、更有效的傳輸層和應用層安全機制。認證可以有效防止電子欺騙以及不期望的訪問,而加密則保護鏈路隱私。除此之外,跳頻技術的保密性和藍牙有限的傳輸範圍也使竊聽變得困難。

  然而,在提供鏈路級認證和加密的同時,也阻礙了一些公共性較強應用模型的用戶友好訪問,比如服務發現和商業卡虛擬交換等。因此,為了滿足這些不同的安全需求,藍牙協議定義了三種安全模式。模式1不提供安全保障,模式2提供業務級安全,模式3則提供鏈路級安全。

2.典型應用[4]

  藍牙技術適用於以下三個方面的短距離無線連接:

  • 數據和語音接人點。
  • 替代電線和電纜。
  • 包含硬體、軟體和互操作需求的一種無固定中心站的網路。

  對用戶而言,藍牙技術則試圖實現把所有的設備——包括筆記本電腦、滑鼠、印表機、接人點、行動電話和話筒等——都使用藍牙協議無線地連接在一起,進行語音和數據的交換。同時,還可以通過無線或有線的接人點(如PSTN,ISDN,LAN,xDSL)與外界相連。

  藍牙技術的幾種典型應用如下:

  (1)三合一電話

  藍牙技術使一部行動電話手機能在多種場合內使用:在辦公室里,這部手機是內部電話,不計電話費;在家裡,是無繩電話,計固定電話費;出門在外,是一部行動電話。

  (2)Intemet網橋

  藍牙技術可以使攜帶型電腦在任何地方都能通過行動電話手機進入網際網路,隨時隨地到網際網路上去“衝浪”。

  (3)交互性會議

  在會議中,藍牙技術可以迅速使自己的信息通過便攜電腦、手機、PDA等供其他與會者共用。

  (4)手機公文包

  筆記本電腦還在皮包里時收到了外來的電子郵件,用戶的行動電話就會發出聲音,提醒用戶“電腦收到了電子郵件”。這時用戶不用打開電腦,在手機上就可以瀏覽收到的電子郵件。註意,該功能與現有的如搜狐網易提供的類似功能的實現方式是完全不同的。

  (5)圖像的無線傳輸

  藍牙技術可將數字相機中的圖像發送給其他的數字相機或者PC機、PDA等。

  (6)家用設備的遙控和家電網路

  家用微波爐、電磁爐、空調、冰箱以及照明燈具等,均可以使用藍牙技術進行“智能化”的遙控和互連。

3.藍牙技術的最新進展[4]

  下麵對藍牙技術的新產品和新技術規範做介紹。

  1.新產品

  愛立信公司發佈了基於藍牙技術的無線耳機,並投放了內置藍牙收發信號模塊的行動電話手機;摩托羅拉公司在消費類電子產品展覽會上將展示網際網路接人和同步服務;E13A公司提供了藍牙ISDN產品。藍牙的PCMCIA卡和數據機也即將面世。另外,越來越多的公司宣佈將生產各種各樣基於藍牙技術的產品。

  在晶元方面,有關廠商已經開發出了各種藍牙專用集成電路(ASIC),併發布了相應的開發工具包,使較早採用此技術的廠商能更快更容易地生產出應用產品。

  在軟體方面,不少公司也開發出廠相應的藍牙協議棧。特別值得一提的是,總部在加拿大而開發工作在北京進行的IVT公司實現了用C代碼和SDL的藍牙協議棧,可以用於不同的操作系統,該公司還開發出了相應的軟體開發包。

  藍牙技術把各種攜帶型電腦、行動電話和家用電器等用無線鏈路連接起來,將電腦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。人們相信,藍牙技術將掀起無線連接與通信的革命。因此,電信業、電腦業、家電業都對藍牙技術很重視,認為藍牙技術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。藍牙技術被認為是無線數據通信最為重大的進展之一。

  2.藍牙2.0

  主導藍牙技術的愛立信技術許可公司描述了藍牙2.0的一些基本功能,它可以支持4Mbit/s、8Mbit/s和12Mbit/s多種傳輸速度。即將推出的藍牙2.0無線通信設備瞄準的是個人區域網路(PAN)。

  藍牙2.0使用“非跳躍窄帶通道和分散式媒體訪問控制協議(non-hopping narrowband channel and distributed media-access control protocols),可以在現有藍牙規範的基礎上提供新的通信模式。藍牙2.0採用速度較高的模式,應答時間會更短,並可以提供內置服務質量(QoS),還支持廣播/多點傳播。

  藍牙2.0預計將同現在的藍牙規範一樣,在10m內的範圍工作,其最大耗電量估計將是現有藍牙規範的兩倍。

  藍牙2.0採用的分散式協議將用於緩解現有藍牙主從(master/slave)設備的Piconet所存在的問題。在現有藍牙規範里,主設備離開後,Piconet就關閉了。藍牙2.0免除了主設備,使得Piconet里的任何設備都成為主設備,因此在一臺設備離開後,Piconet上的其他設備仍可繼續進行通信。

  就在藍牙2.0即將出現之時,IEEE標準組織也在加速無線LAN和無線PAN技術的工作進程,以解決家庭內部音頻和視頻設備之間無線連接的問題。儘管其他無線技術的推廣給藍牙帶來了競爭,但藍牙2.0的優勢則在互動游戲和多媒體應用方面,除藍牙技術外的任何其他的無線技術都不能滿足手機所要求的低耗電量、低成本功能。

藍牙協議[5]

  藍牙協議是由Bluetooth SIG開發的無線通信協議,主要面向近距離的無線數據語音傳輸,完成電纜替代的核心應用。從層次上區分,藍牙協議可以分為底層協議、中間層協議及應用層協議。藍牙底層協議包括:射頻(Radio)、基帶(BaseBand)、鏈路管理協議(Link Manager Protocol,LMP)、邏輯鏈路控制與適配協議(Logical Link Control and Adaptation Protocol,L2CAP)、主控制器介面(Host Controller Interface,HCI)協議等;中間層協議包括:服務發現協議(Service Discovery Protocol,SDP)、串口模擬協議(RFCOMM)、電話控制協議規範(TelCtrl)、與紅外通信協議的互操作性(IrDAOper)、對象交換協議(Object Exchange,OBEX)等,底層協議與中間層協議共同組成藍牙核心層協議;藍牙應用層協議也稱為藍牙應用規範PROHLE(也有翻譯成剖面),都建立在核心協議的基礎上。藍牙應用規範很多,其中較典型的有服務發現(Service Discovery Application,SDA)、互通(Intercom)、無繩電話(Cordless Telephony)、傳真(FAX)、撥號網路(Dialup Networking)、耳機(Headset)、區域網訪問(LAN Access)、文件傳輸(File Transfer)、同步(Synchronization)、Object Push等。各種Profile從協議棧中選取不同的協議組合來完成特定的功能。

  藍牙技術發展中經歷了V1.0、V1.1、V1.2、V2.0、V2.1等5個版本,其中V1.0是最早的版本,V1.1協議是最早成熟的協議,對藍牙早期的產品統一起到很大的作用,V1.2是最成熟的藍牙應用協議,V2.0在V1.2的基礎上增加了EDR(增強數據率),V2.1是最新提出的版本,所有的藍牙協議都向下兼容,不同版本的協議可以互聯互通。

  下麵,對藍牙協議V1.1、V1.2、V2.0與V2.1進行簡單的介紹與比較。

  1.Bluetooth V1.1

  由於沒有考慮到設備互操作性的問題,Bluetooth V1.0規範在標準方面有所欠缺。例如出於安全性方面的考慮,Bluetooth V1.0設備之間的通信都是經過加密的——當兩台藍牙設備之間嘗試建立起一條通信鏈路時,它們會因為不同廠家設置的口令不同不匹配而無法正常通信;或如果響應設備(輔設備)處理信息的速度高於主設備,隨之而來的競爭態勢會使兩台設備都得出自己是通信主設備的計算結果等。Bluetooth V1.1規範對這一問題進行瞭解決,Bluetooth V1.1技術規範要求會話中的每一臺設備都需要確認其在主設備/輔設備關係中所扮演的角色。

  此外,Bluetooth技術本來將2.4GHz的頻帶劃分為79個子頻段,而為了適應一些國家的軍用需要,Bluetooth V1.0重新定義了另一套子頻段劃分標準,將整個頻帶劃分為23個子頻段,以避免使用2.4GHz頻段中指定的區域。這造成了使用79個子頻段的設備與那些設計為使用23個子頻段的設備之間互不兼容。BluetoothV1.1標準取消了23個子頻段的副標準,所有的BluetoothV1.1設備都使用79個子頻段在2.4GHz的頻譜範圍之內進行相互的通信。

  此外,Bluetooth V1.1規範也修正了因互不兼容的數據格式引發的Bluetooth V1.0設備之間的互操作性問題,允許從設備主動與主設備進行通信並告知主設備有關分組大小方面的信息。

  Bluetooth V1.1規範中,輔設備可以在必要的時候通知主設備發送包含多少時隙(Slots)的數據包

  2.Bluetooth V1.2

  Bluetooth V1.1標準的缺點與優點同樣明顯,例如它很容易受到主流802.1lb設備干擾。Bluetooth SIG新發佈的V1.2標準就提供了更好的同頻抗干擾能力,並且加強了語音識別能力,並向下兼容V1.1的設備。

  V1.2版本最大的改進在於增加了自適應跳頻技術(Adaptive Frequency Hopping,AFH),並主要針對現有藍牙協議和802.1lb/g之間的互相干擾問題進行了全面的改進,防止用戶在同時使用支持藍牙和無線區域網的兩種裝置的時候出現互相干擾的情況。

  1.2版本增強了語音處理,改善了語音連接的品質(可以提高藍牙耳機的音質),並能更快速地連接設備。

  3.Bluetooth V2.0+EDR

  新版藍牙規範提高了帶寬,使得新版本的藍牙設備可以傳輸更大的文件,同時V2.0+EDR版本兼容所有舊版規範。V2.0+EDR版的開發是基於當前對提升數據吞吐量的需要,比如傳輸CD音質的流媒體文件,數位相片和激光列印等。藍牙核心規範V2.0+EDR主要內容如下:

  (1)3倍數據傳輸速率(最大可以達到10倍);

  (2)更多的帶寬簡化了多連接模式;

  (3)向後兼容早期藍牙設備;

  (4)降低了誤比特率BER(BitErrorRate)。

  4.Bluetooth V2.1+EDR

  雖然BluetoothV2.0+EDR標準在技術上作了大量的改進,但從1.X標準延續下來的配置流程複雜和設備功耗較大的問題依然存在。為了改善舊版藍牙技術存在的問題,藍牙SIG組織推出了BluetoothV2.1+EDR版本的藍牙技術。

  藍牙核心規範V2.1+EDR的主要改進包括如下兩點:

  (1)改善裝置配對流程。由於有許多使用者在進行硬體之間的藍牙配對時,會遭遇到許多問題,不管是單次配對,或者是永久配對,配對的過程與必要操作過於繁雜,以往在連接過程中,需要利用個人識別碼來確保連接的安全性,而改進後的連接方式則是會自動使用數字密碼來進行配對與連接,舉例來說,只要在手機選項中選擇連接特定裝置,在確定之後,手機會自動列出目前環境中可使用的設備,並且自動進行連接。

  而在短距離配對方面,也具備了在兩個支持藍牙的手機之間互相進行配對與通信傳輸的NFC(Near Field communication)機制。NFC是短距離的無線RFID技術,在針對1~2m的短距離聯機應用上,以電磁波為基礎,取代傳統無線電傳輸。由於NFC機制掌控了配對的起始偵測,當範圍內的兩台裝置要進行配對傳輸時,只要簡單地在手機屏幕上點選是否接受聯機即可。不過要應用NFC功能,系統必須內建NFC晶元或具備相關硬體功能。

  (2)更佳的省電效果。藍牙2.1版本加入了Sniff Subrating的功能,通過設定在兩個裝置之間互相確認信號的發送間隔來達到節省功耗的目的。一般來說,當兩個進行連接的藍牙裝置進人待機狀態之後,藍牙裝置之間仍需要通過相互的呼叫來確定彼此是否仍保持在聯機狀態,因此,藍牙晶元就必須隨時保持在工作狀態,即使手機的其他組件都已進入休眠模式。為了改善這一狀況,藍牙2.1將裝置之間相互確認的信號發送時間間隔從舊版的0.1s延長到0.5s左右,這樣一來可以讓藍牙晶元的工作負載大幅降低,也讓藍牙模塊可以有更多的時問徹底休眠。根據官方的報告,採用此技術之後,藍牙裝置在開啟藍牙聯機之後的待機時間可以有效延長5倍以上。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 張衛鋼主編.通信原理與通信技術.西安電子科技大學出版社,2003
  2. 汪濤主編.無線網路技術導論.清華大學出版社,2008
  3. 鄒濤編著.網路與無線通信技術.人民郵電出版社,2004
  4. 4.0 4.1 石碩主編.電腦組網技術.機械工業出版社,2003
  5. 李香編著.藍牙應用分析設計與組網通信技術.哈爾濱工業大學出版社,2009
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