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1、摘要：本文介绍了一种功耗比标准蓝牙更低的超低功耗蓝牙技术，分别描述了这种技术的由来、协议栈构成、拓扑结构、Radio层的工作状态和工作角色以及特点。在技术特点部分中，详细介绍了超低功耗蓝牙技术实现低功耗的原理。关键词： 超低功耗；蓝牙；跳频；低能耗Abstract：This article introduces a technology of Ultra Low Power Bluetooth whose power is lower than the standard Bluetooth, describes respectively origin, structure of protoco
2、l stack and topology, operating states and roles of Radio layer, characteristics of the technology. In the part of characteristics of the technology, the reason why Ultra Low Power Bluetooth technology can realize ultra low power is detailed, and a table that contains some parameters of Ultra Low Po
3、wer Bluetooth compared with the standard Bluetooth technology is also showed.Keywords：ultra low power; Bluetooth; frequency hopping; low energy 目录第1章 蓝牙技术简介11.1 蓝牙技术的概述11.2蓝牙技术的特点21.3蓝牙技术的应用51.4 ULP蓝牙技术的价值8第2章 ULP蓝牙系统体系结构102.1 ULP蓝牙系统体系结构概述102.2蓝牙系统的拓扑结构112.3蓝牙系统RADIO层的状态和角色13第3章 ULP蓝牙技术规范153.1 物理层规
4、范153.1.1 信道分配153.1.2发射机163.1.3 接收机173.2 链路层规范173.3 主机接口规范193.4 主机规范223.5 安全服务规范263.5.1 密钥263.5.2 匹配和密钥交换27第四章 蓝牙应用前景304.1 ULP蓝牙技术的特点304.2 ULP蓝牙技术的应用34致谢37附录38参考文献40 第1章 蓝牙技术简介1.1 蓝牙技术的概述随着时代的发展社会的进步信息化技术逐步的完善，各种通信手段日益增多。我们日常生活中常见的蓝牙就是一个鲜活的例子。所谓蓝牙技术实际上是一种短距离无线电技术，利用蓝牙技术能够有效的简化掌上电脑、笔记本电脑、和移动电话手机等移动通信终
5、端设备之间的通信从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信开拓道路。说的通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的通信网络。蓝牙技术属于一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案，因此，目前无线通信的蓝牙刚刚露出一点芽尖，却已经引起了全球通信业界和广大用户的密切关注。蓝牙是以公元10世纪统一丹麦和瑞典的一位斯堪的纳维亚国王的名字命名。它孕育着颇为神奇的前景：对手机而言，与耳机
6、之间不再需要连线；在个人计算机，主机与键盘、显示器和打印机之间可以摆脱纷乱的连线；在更大范围内，电冰箱、微波炉和其它家用电器可以与计算机网络的连接，实现智能化操作。发明蓝牙技术的是瑞典电信巨人爱立信公司。由于这种技术具有十分可喜的应用前景，1998年5月，五家世界顶级通信计算机公司：爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔经过磋商，联合成立了蓝牙共同利益集团，目的是加速其开发、推广和应用。此项无线通信技术公布后，便迅速得到了包括摩托罗拉、3COM、朗讯、康柏、西门子等一大批公司的一致拥护，至今加盟蓝牙SIG的公司已达到2000多个，其中包括许多世界最著名的计算机、通信以及消费电子产品领域的企业和生
7、产厂家。一项公开的技术规范能够得到工业界如此广泛的关注和支持，这说明基于此项蓝牙技术的产品将具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。蓝牙共同利益集团现已改成蓝牙推广集团。1.2蓝牙技术的特点蓝牙技术发展的最大障碍是成本太高，突出表现在芯片大小和价格难以下调并存在抗干扰性能不强、传输距离太短、信息安全等问题，这就使得很多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。因此蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。其特点主要有以下几点：（1）工作在2.4GHz的ISM频段，工作频段无需申请许可。（2）当发射功率为1mW时，通信距离可达到10m，发射功率为100mW时通信距离可达100m。
8、（3）使用1Mb/s速率已达到最大限制宽带。（4）使用快速调频（166跳/s）技术抗干扰。（5）在干扰下，使用短数据帧尽可能增大容量。（6）快速确认机制能在链路情况良好时实现较低的编码开销。（7）采用CVSD话音编码，可在高误码率下 使用。（8）灵活帧方式支持广泛的应用领域。（9）宽松链路配置支持低价单芯片集成。（10）严格设计的空中接口使功耗最小。（11）发射功率自适应，低干扰。（12）采用灵活的无机站组网方式，使得一个蓝牙单元同时最多可以和7个其它的蓝牙单元通信，同时支持点对点和一点对多点的连接。在业务的支持上，蓝牙规范同时支持数据业务和话音业务的传输，即同时支持异步方式（ACL）与同步方
9、式（SCO）。在工作模式上，蓝牙设备可以有两种选择，即主设备（Master）方式和从设备（Slave）方式。主设备负责设定调频序列，从设备必须与主设备保持同步；主设备负责控制主从之间的业务传输时间与速率。在组网方式上，蓝牙规范支持微微网（Piconet）和散射网（Scatternrt）2种模式，但对前者，一个主设备所支持的活跃从设备数不超过7个。多个微微网可以通过节点桥接的方式构成散射网，但蓝牙规范并没有对散射网构成的细节加以定义。蓝牙协议栈结构如1.1所示，就其工业实现而言，蓝牙标准可分为硬件和软件2部分，硬件部分包括射频/无软件硬件图 图1.1线协议 、基带/链路控制器协议和链路管理器协议
10、（LMP），一般是做成一个芯片。软件部分则包括逻辑链路控制与适配协议及其以上的所有部分。硬件和软件之间通过主机控制器接口协议（HCI）进行连接。也就是说HCI在硬件和软件中都有，两者提供相同的接口进行通信。图1.1中的高层协议包括：串口通信协议（RFCOMM）;电话控制协议（TCS）;对象交换协议（OBEX）;控制命令（ATCommand）、vCard和vCalender电子商务表中的协议；PPP、IP、TCP、UDP等与因特网相关的协议以及WAP协议。1.3蓝牙技术的应用尽管开发蓝牙技术的初衷是用于取代移动或固定电子设备之间的链接电缆，但其特有的一些优势，如功耗低、体积小以及良好的抗干扰能力
11、，使其应用范围大大扩大，而且还将继续扩展。美国市场研究公司In-Stat/MDR于2003年5月发表的一份报告指出，垂直市场将为蓝牙技术提供大量机会，这些市场包括医疗保健、政府机关、移动电子商务、服务业、交通、通信、公共事业、制造业、矿业和零售业。蓝牙技术自诞生以来，其作为“驱动新经济的引擎”受到很多公司和科研机构的重视，基于蓝牙芯片的各种蓝牙产品和蓝牙手机、蓝牙数码相机、蓝牙耳机、蓝牙MP3等也越来越多。随着蓝牙技术的进一步发展和其价格的低廉化，今后还将实现家庭无线网（Wireless Home）和个人无线网。然而，目前蓝牙技术的应用主要局限在通信电子等领域其他领域的制造商和科研工作者逐渐认
12、识到蓝牙这一新兴技术将给社会带来巨大的变革。根据蓝牙目前的发展状况和未来发展前景，蓝牙的应用将有更广阔的市场。以下举例说明几种蓝牙技术潜在的应用。 儿童监护跟踪设备在人群密集和流动性大的公共场合，经常会发生儿童迷路或走失的情况基于蓝牙技术的儿童监护跟踪设备，可以有效地避免这些情况的发生。在公共场合，父母佩戴一个主蓝牙标签，给儿童佩戴一个从标签，就可以随时了解孩子的位置。当儿童离开父母超过预先设置的距离时，蓝牙主标签会发出一个警告给父母，并且可以从标签的位置。蓝牙电子标签可以做成胸章、手镯和挂件等便于携带。无线抄表系统目前的人力手工抄表方式工作量大、准确度低，且只能1个月左右反应1次用电情况，其
13、信息反馈速度相当于电力调动的瞬间操作远远滞后，因而无法实现高低峰的电价应有所不同的要求。而红外自动抄表方案是将数字电表的用电量信息用红外传输方式，通过电话线或局域网传输到接收端。此种方案使用电话线传输不可能做到实时，且接收端所需的Modem等费用过高。采用蓝牙技术和有线电视设备相结合即可以避免出现上述问题，又能较好的实现实时控制。先将计费电表的直流信号通过加载的蓝牙芯片无线传输到CATV线路中的上行信道，通过遍布城乡的CATV网络，直接传输到物业公司或电业管理的调度部门后，再重新解调出数字信号，便可输入到计算机中完成网上任一用户的电费自动查询，当然，也可以与现有的电费收费网络系统相连接，以及与
14、电网的调度指挥中心相连接成一个完整的用电管理网络。基于蓝牙的医学临床监护在现有的医疗监护系统中，数据的监测和传输一般采用有线的方式。连接到人体的各种连线不仅会使病人感到不舒服、心情紧张，从而导致所检测到的数据不准确，而且还使病房显得杂乱无章，影响病人的心情。采用蓝牙技术可实现生理检测仪器的无线化，拜托监控电缆在病人身体上的缠绕，不会对人体正常活动产生干扰，在医院和家庭保障中有着良好的应用前景。将带有蓝牙芯片的便携式微型传感器安置在人体上，可将病人的各项生理参数通过蓝牙技术传送到相应的接收设备上进行处理。实际上，蓝牙技术的应用领域和场合不计其数，例如电子病历、防盗系统、无线电子钱包等。1.4 U
15、LP蓝牙技术的价值在短距离低功率无线领域，似乎蓝牙技术的地位已经不容质疑。但在功耗和成本为主要约束的情况下，应用就受到了限制，较高的功耗使其应用不能使用功率极小的纽扣电池。此外越来越多的产品要求装置和设备之间要能够实现无线协作，以现行的蓝牙技术，这只是一个梦想。ULP蓝牙技术填补空白不同的技术似乎覆盖了整个无线通信领域，包括从远距离、高带宽一直到短距离、低功耗。但是，许多工程师意识到迫切需要另外一种无线射频技术，其能够在小型个人便携式产品之间协作，而且耗电量极小，电池的寿命能够达到数月至一年。专有解决方案都具备高带宽、抗干扰、电池寿命长等令人羡慕的特点。但同时，产品间不能协作。扩大无线连接蓝牙作为一个开放标准，鼓励半导体厂商之间进行良性竞争，促成了一系列相互竞争然而能够协同运作的产品和服务，而也正是BluetoothSIG培育了新兴的Wibree技术，并将其作为“蓝牙超低功耗无线技术”纳入蓝牙技术规范。第2章 ULP蓝牙系统体系结构2.1 ULP蓝牙系统体系结构概述ULP蓝牙系统的体系结构自上而下是由应用层、Host层、HCI层（Host Controller Interface）和Radio层所组成
