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1、普通高等教育规划教材 蓝牙技术基础,第1章 蓝牙技术基础知识 本章介绍蓝牙技术基础知识,本章内容,1.1 蓝牙技术简介 1.1.1 什么是蓝牙技术 1.1.2 蓝牙名称的由来 1.1.3 蓝牙技术特征 1.2 蓝牙技术协议 1.2.1 蓝牙技术协议的体系结构 1.2.2 蓝牙核心协议 1.2.3 蓝牙协议栈 1.3 蓝牙技术应用 1.3.1 蓝牙产品 1.3.2 蓝牙应用,序言,开发蓝牙技术的目的是将近距离的信息产品实现无线连接，使它们之间安全完成信息的传递和交换，如同无线通信网络把世界各地的移动通信设备连接起来一样。本章介绍什么是蓝牙、蓝牙的主要内容以及蓝牙技术的若干特征。,1.1 蓝牙技术
2、简介（1）,1.1.1 什么是蓝牙技术 蓝牙技术不是凭空产生的，而是信息产业发展到了一定阶段必然出现的产物。随着人们生产生活质量的日益提高，在我们周围出现了越来越多的电子产品，例如计算机、电信设备、网络、家用电器、家用汽车的自动控制部分等等。这些电子产品在刚开始问世的时候，它们完全是各自独立设计、独立生产、独立存在、独立地为人类服务。随着生产的发展和生活的需要，这些彼此独立的产品开始要求建立电的联系、实现信息的交换。把它们连成一个整体的方法只能是有线连接和无线连接两种。,1.1 蓝牙技术简介（2）,1.1.1 什么是蓝牙技术 多年来人们使用电缆线进行有线连接，例如一台微机系统就是由主机、键盘、
3、打印机、显示器等通过总线连接而成。当接入微机系统的电子产品越多时，连接用的电缆信号线越多。如果要让微机系统和另一些电子产品交换数据，使用的电缆线必然更多、更乱。能否使用“无线通信”的方式代替总线的“有线连接”呢？答复是肯定的。“无线连接”的最大优点就是斩断了每个电子产品的通信电缆线尾巴；最大问题是通信无线电信号不能像电缆线那样由发送源直达接收目的地，而是会向四周散射，接收可靠性和泄密不安全性大为增加。,1.1 蓝牙技术简介（3）,1.1.1 什么是蓝牙技术 蓝牙技术是一种近距离的保证可靠接收和信息安全的无线通信技术。 长期以来，现代通信技术致力于远距离的宽带通信网和全球漫游式的无线通信，企图把
4、全世界的每一个角落都纳入到有线或无线的网络之中，但是近距离的数字通信却一直被忽略，直到上世纪末，才提到议事日程。蓝牙技术所要解决的问题是在10m范围内实现各种电子产品信息的无线传输，消除它们之间纵横交错的连接电缆。,1.1 蓝牙技术简介（4）,1.1.1 什么是蓝牙技术 蓝牙技术的技术要求： 完好的替代功能 信息安全功能 承载能力 超低功率 致密性高 全球通用蓝牙网络功能,1.1 蓝牙技术简介（5）,1.1.1 什么是蓝牙技术 蓝牙技术的实现有赖于硬件电路和软件程序的双重支撑。硬件电路是一种1cm见方的嵌入式微功率芯片，如此小的体积、功率便于它嵌入到普通电子产品中；控制软件的职责是搜索并联系起
5、其它也嵌入有蓝牙芯片的电子产品，联系过程是一场信息交换的过程。信息交换通过发送、接收无线电波实现，发送功率越大，传播的距离就越远。但它们并不成正比，通常100mw的发射功率可传输100m。而1mw的发射功率应传输10m左右，不能按比例减到只有1m。传播距离与一般家居面积相差无几。,1.1 蓝牙技术简介（6）,1.1.1 什么是蓝牙技术 对蓝牙芯片的基本要求有： （1）在10m范围内实现一点对多点的通信； （2）蓝牙数据传输速率有效值应达到每条信道721k位/秒； （3）使用频段2.42.4835GHZ； （4）要求成本低廉，价格与所取代的电缆线基本持平。 近期蓝牙的主要目标是取代各种电缆连接，
6、通过统一标准的无线链路网将数字设备连成一个密不可分的整体，方便灵活、低成本、低功耗，像移动通信那样传输语音，像因特网那样传输信息。长远蓝牙的主要目标是占领家用和商用的近距离数据传输市场。,1.1.2 蓝牙名称的由来（1）,1蓝牙技术的命名 1994年，瑞典爱立信公司移动通信部在一项课题研究中，确定使用无线电射频技术实现移动电话与周围器件之间的低成本、低功耗的无线互连，并将互连的技术规范命名为蓝牙（Bluetooth）。,1.1.2 蓝牙名称的由来（2）,2蓝牙名称的认同和蓝牙SIG组织 1998年2月，由世界上最有名的5个I T产业公司（爱立信、Intel、IBM、东芝、诺基亚）发起组建“蓝牙
7、特殊利益小组”（Special Interest Group）SIG，小组的任务是制订蓝牙技术标准、如何测试蓝牙产品、协调各国蓝牙技术的使用频段。SIG于1998年5月正式成立，1999年12月，又有4家公司（3Com、微软、摩托罗拉和朗讯）加入SIG。通常把这9个公司称为SIG的倡议者，后来加入的其它成员被称为SIG的响应者。,1.1.2 蓝牙名称的由来（3）,微软于1999年12月宣布全面支持蓝牙并参加SIG。2000年4月，参加SIG的公司已达到1790家，2001年6月激增到2491家。在各种通信或网络方面的国际组织中，SIG的成员无疑是最多的。从行业来看范围也是最广的，其中有名的成员
8、有： 通信行业：爱立信、诺基亚、西门子、AT&T、摩托罗拉、日立、英国电讯、阿尔卡特等。 IC生产行业：Intel、Philips、松下、三星、AMD、TI等。 计算机硬件行业：IBM、NEC、惠普、康柏、宏基、戴尔等。 计算机软件行业：微软等。 汽车行业：宝马、沃尔沃、福特、Delco等。 家用电器及外围I/O设备等行业：东芝、卡西欧、爱普生、LG、夏普、索尼、TDK、松下、三菱重工、三洋等。 网络产品行业：3Com、朗讯等。,1.1.2 蓝牙名称的由来（4）,SIG已经拥有2000多个成员，中文译名近来将其译为“蓝牙特殊利益集团”。 SIG是一个适应市场需求的、开放的国际标准化组织，是由生
9、产厂家自己发起的、以自身利益为出发点的组织，它不是一个由各国政府决定的机构。只要是SIG成员，都有权无偿使用新技术，无偿使用蓝牙专利而不交任何费用。 SIG是一个非营利的科研、生产、营销厂商组织，它的主要职责是制订蓝牙技术规范和推广蓝牙技术。,1.1.2 蓝牙名称的由来（5）,SIG由7个委员会组成，它们是管制委员会、法律委员会、测试和互操作委员会、管理业务委员会、结构检查委员会、市场开发委员会和认证委员会。 SIG在成员之间交换信息使用3种文档：一种是协议，用于规范从无线层到应用层的具体要求；一种是剖面，用于规范应用层中各协议的使用；一种是测试，反映协议和剖面的测试过程。 蓝牙SIG每年召开
10、3次蓝牙年会(UnPlugFests)，年会是SIG为其成员利益举行的会议，主要讨论产品互操作性测试方面的问题，为各种蓝牙产品提供测试机会。,1.1.3 蓝牙技术特征(1),1999年7月，蓝牙SIG推出蓝牙规范1.0版本，版本中提出了蓝牙技术的主要技术指标和系统参数，如表1-1所示。系统参数主要以满足美国联邦通信委员会FCC的要求为基准制订的，如果用到其它一些国家，还需适当作一些修改。该表所列各项技术特征是对蓝牙系统的最低要求，少数个别指标没有作特别规定。从实际执行情况看，蓝牙产品的指标大多已经超过这些标准。,1.1.3 蓝牙技术特征(2),1.2 蓝牙技术协议,所谓“协议”是游戏双方为使游
11、戏顺利进行而共同认可且遵守的一种规则，离开了游戏规则，游戏将无法进行。蓝牙协议就是使用蓝牙技术的各方共同约定的技术规范。主要蓝牙协议的集合，构成了蓝牙协议栈。在蓝牙协议栈内，各种协议并不是杂乱无章地堆放在一起，而是有层次地按序排列，形成了蓝牙独有的协议体系结构。,1.2.1 蓝牙技术协议的体系结构,蓝牙协议体系由3层组成，分别是底层、中间层和应用层，如图1-1所示。底层有一些硬件模块：射频RF、基带层BB和链路管理层LM。中间层由软件模块构成，包括逻辑链路控制和适配协议L2CAP、服务发现协议SDP、串口仿真协议RFCOMM和电话通信协议TCS。应用层位于最高端，对应各种应用模型的剖面，目前定
12、义了13种剖面。,1底层(1),底层又称底层硬件模块，其中射频RF（Radio and Antenna）的功能是完成数据位流的过滤和传输。由数据位形成的数据位流在一位一位地通过RF时，要求RF满足ISM频段传输2.4GHz微波的一系列要求。在蓝牙技术的工作频段内，要求蓝牙设备提供720Kbit/s的数据交换速率。射频RF的功率定义有100mW、2.5mW和1mW三种，不同的功率有不同的传输距离指标。 基带层BB（Base Band）的功能是实现蓝牙数据传输或信息帧的传输。传输业务分为电路交换和分组交换两种不同类型。,1底层(2),链路管理协议LMP（Link Manager Protocol）
13、用于规定如何建立和拆除连接，以及链路的控制和安全。蓝牙技术定义了两种不同的链路类型：面向连接的同步链路SCO和面向无连接的异步链路ACL，每种链路容许16种不同的分组，其中有4组是控制分组。 同步链路SCO的发送特征有两个：一个是链路建立之前，必须先建立异步链路ACL传送控制信息；另一个是链路一旦建立，主从节点无需查询便可直接发送SCO数据组，发送时间是在保留的时隙内，这就要求SCO数据包结构对称，同时包括1个、2个或3个时隙。SCO数据包既可以用于传送话音，又可以用于传送数据，只不过限于重发被损坏的数据。ACL数据包无论是发送还是接收，都应当有奇数个时隙，便于整个帧的时隙成为偶数。,1底层(
14、3),ACL链路的带宽由蓝牙网的主节点控制，蓝牙网是一种微微网（piconet）。最多限于256个蓝牙设备连接而成，处于工作状态的只有1个主节点和7个从节点，网上其它多余节点均处于空闲状态。从节点在发送数据前，必须接受查询，只有被主节点选中才允许发送，每个从节点占用的带宽也由主节点决定。主节点的另一功能是决定了微微网中连接的对称性。 由多个相互重叠的微微网组成的网络称为散射网（Scatternet），散射网中的各微微网之间允许重叠、允许交叉、允许共享从设备。网络中的底层硬件模块构成了蓝牙技术的核心内容，是任何一个蓝牙设备必须具备的部分。在使用这些硬件模块时，为方便起见，蓝牙技术规定了连接时的节
15、能状态、纠错方式、系统的移动性和安全性。,1底层(4),连接时的节能状态有3种，分别是等待（Park）、保持（Hold）和呼吸（Sniff）状态，目的是为了保证较低功率场合中蓝牙设备也能实现连接。从节能效果看，Park最好，Hold其次，Sniff最低。 蓝牙技术采用了3种纠错方式，分别是1/3前向纠错FEC、2/3前向纠错FEC以及自动重发ARQ。不同的链路有不同的链路管理，SCO链路选用1/3前向纠错；ACL选用2/3前向纠错；在无编号发送中选用自动重发方式，这时接收端要么向发送端发送一个确认正确收到数据的信息，要么发送一个没有收到的错误消息，如果是后者，发送端将自动重发。对比起“自动重发
16、”，“前向纠错”能减少重发的可能，特别适合于信道中噪声较大的场合。选用哪种纠错方法可以在软件中定义。,1底层(5),蓝牙安全问题是由于蓝牙技术的移动性和开放性引来的，尽管蓝牙跳频技术本身有一定的安全系数，但链路层和应用层的安全管理依旧十分重要。链路层中的安全措施是为每一个用户提供一个个人标识码PIN，蓝牙系统将其翻译成128位的链路密钥（Link Key）并进行单双向认证，蓝牙安全机制提供了大量的认证方案。认证完毕后，链路使用不同长度的密码将其加密，加密方案机动灵活到允许协商密码的长度，不同的国家规定有不同的密码长度，例如美国的密码长度允许128位，西班牙的密码长度仅48位。如果美国和西班牙的
17、蓝牙设备互相通信，链路自行选择长度48位来加密。蓝牙系统有能力为连入微微网中各蓝牙设备选择较小的最大容许加密长度。,2中间层 (1),中间层又称中间协议层软件模块 逻辑链路控制和适配协议L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）具有拆装数据、控制服务质量和协议复用等功能，为中间层其它协议提供实施基础，向上层提供面向连接或无连接的数据服务，允许上层协议和应用层发送或接收多达64KB的数据分组，并且能完成分组的分割或提取、重新组装等。 服务发现协议SDP（Service Discovery Protocol）的作用是为上层应用层给出一种机制，该机制能发现网络中的可用协议，并解释这些可用协议的特征。SDP突出了蓝牙环境，使得只要使用基于客户/服务器机制，就能按照蓝牙服务类型和属性定义发现服务的方式。,
