作者：shywalker
日期：2000-5-31 10:53:05
Bluetooth是如何工作的  
    
       Bluetooth使用內制在9x9平方毫米微芯片上的短程射頻鏈接。該協議能使包括蜂窩電話、掌上電腦、筆記本電腦、相關外設和家庭Hub等包括家庭RF的眾多設備之間進行信息交換。它使用2.45GHz ISM全球通自 由波段，使旅行者可以毫無障礙地使用Bluetooth設備。Bluetooth不需要看的見的連線即可使操作范圍內的Bluetooth產品實現連接。 ---- Bluetooth寬帶協議結合電路開關和分組交換機，適用與語音和數據傳輸。每個聲道支持64KB每秒同步（語音）鏈接。而異步信道支持任一方向上高到721KB每秒和回程方向57.6KB每秒的非對稱鏈接。因此，它可以足夠快地應付蜂窩系統上的非常大的數據比率。一般來說，它的鏈接范圍為10厘米到10米；如果增加傳輸功率的話，其鏈接范圍可以擴展到100米。Bluetooth軟件構架規范要求與Bluetooth相順從的設備支持基本水平的互操作性。這種順從水平由不同的應用來決定。 
     
藍牙技術概述  
    
      系統概述 
    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，為固定與移動設備通信環境建立一個特別連接。其程序寫在一個9 x 9 mm的微芯片中。 
    例如，如果把藍牙技術引入到移動電話和膝上型電腦中，就可以去掉移動電話與膝上型電腦之間的令人討厭的連接電纜而而通過無線使其建立通信。打印機、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數字設備都可以成為藍牙系統的一部分。除此之外，藍牙無線技術還為已存在的數字網絡和外設提供通用接口以組建一個遠離固定網絡的個人特別連接設備群。 
    藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業、科學、醫學）頻段。藍牙的數據速率為1Mb/s。時分雙工傳輸方案被用來實現全雙工傳輸。 
    ISM頻帶是對所有無線電系統都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等，都可能是干擾。為此，藍牙特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩定。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻信道（hop channel），在一次連接中，無線電收發器按一定的碼序列（即一定的規律，技術上叫做"偽隨機碼"，就是"假"的隨機碼）不斷地從一個信道"跳"到另一個信道，只有收發雙方是按這個規律進行通信的，而其他的干擾不可能按同樣的規律進行干擾；跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶寬成百倍地擴展成寬頻帶，使干擾可能的影響變成很小。 
    與其它工作在相同頻段的系統相比，藍牙跳頻更快，數據包更短，這使藍牙比其它系統都更穩定。FEC（Forward Error Correction，前向糾錯）的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪音。應用了二進制調頻（FM）技術的跳頻收發器被用來抑制干擾和防止衰落。 
    藍牙基帶協議是電路交換與分組交換的結合。在被保留的時隙中可以傳輸同步數據包，每個數據包以不同的頻率發送。一個數據包名義上占用一個時隙，但實際上可以被擴展到占用5個時隙。藍牙可以支持異步數據信道、多達3個的同時進行的同步話音信道，還可以用一個信道同時傳送異步數據和同步話音。每個話音信道支持64kb/s同步話音鏈路。異步信道可以支持一端最大速率為721kb/s而另一端速率為57.6kb/s的不對稱連接，也可以支持43.2kb/s的對稱連接。 
    藍牙系統由以下功能單元組成： 
    · 無線單元 
    · 鏈路控制單元 
    · 鏈路管理 
    · 軟件功能 Definitions
    名詞解釋： 
    · Piconet：通過藍牙技術連接在一起的所有設備被認為是一個piconet，一個piconet可以只是兩臺相連的設備，比如一臺便攜式電腦和一部移動電話，也可以是八臺連在一起的設備。在一個piconet中，所有設備都是級別相同的單元，具有相同的權限。但是在piconet網絡初建時，其中一個單元被定義為master ，其它單元被定義為slave。 
    · Scatternet：幾個獨立且不同步的piconet組成一個scatternet。 
    · Master unit：主單元,即在一個piconet中，其時鐘和跳頻順序被用來同步其它單元的設備。 
    · Slave units：從單元,即piconet中不是master的所有設備。 
    · Mac address：用來區分piconet中各單元的長度為3比特的地址。 
    · Parked units：暫停單元,即piconet中與網絡保持同步但沒有Mac address的設備。 
    · Sniff and hold mode：呼吸與保持模式,與網絡同步但進入睡眠狀態以節省能源的一種工作模式。 
    網絡技術 
    藍牙技術支持點對點和點對多點連接。幾個piconet可以被連接在一起，靠跳頻順序識別每個piconet。同一piconet所有用戶都與這個跳頻順序同步。其拓撲結構可以被描述為"多piconet"結構。 
    在一個"多piconet"結構中，在帶有10個全負載的獨立的piconet的情況下，全雙工數據速率超過6Mb/s。
    話音 
    話音信道采用連續可變斜率增量調制（CVSD）話音編碼方案，并且從不重發話音數據包。CVSD編碼擅長處理丟失和被損壞的語音采樣，即使比特錯誤率達到4%，CVSD編碼的語音還是可聽的。 
    無線 
    藍牙空中接口是建立在天線電平為0dBm的基礎上的。空中接口遵循FCC(美國聯邦通信委員會）有關電平為0dBm的ISM頻段的標準。如果全球電平達到100mW以上，可以使用擴展頻譜功能來增加一些補充業務。頻譜擴展功能是通過起始頻率為2.402，終止頻率為2.480，間隔為1MHz的79個跳頻頻點來實現的。出于某些本地規定的考慮，日本、法國和西班牙都縮減了帶寬。最大的跳頻速率為1660跳/秒。理想的連接范圍為10厘米--10米，但是通過增大發送電平可以將距離延長至100米。 
    基帶 
    基帶部分描述了硬件--基帶鏈路控制器的數字信號處理規范。基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其它一些低層常規協議。 
    建立網絡連接 
    在piconet內的連接被建立之前，所有的設備都處于standby（待令）狀態。在這種模式下，未連接單元每隔1.28秒周期性地"監聽"信息。每當一個設備被激活，它就監聽規劃給該單元的32個跳頻頻點。跳頻頻點的數目因地理區域的不同而異，32這個數字只適用于除日本、法國和西班牙之外的大多數國家。作為master的設備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過尋呼（page）消息建立連接，如果地址未知，則通過一個后接page消息的inquiry（查詢）消息建立連接。在最初的尋呼狀態，master單元將在分配給被尋呼單元的16個跳頻頻點上發送一串16個相同的page消息。如果沒有應答，master則按照激活次序在剩余16個頻點上繼續尋呼。Slave收到從master發來的消息的最大延遲時間為激活周期的2倍（2.56秒），平均延遲時間是激活周期的一半（0.6秒）。Inquiry消息主要用來尋找藍牙設備，如共享打印機、傳真機和其它一些地址未知的類似設備。Inquiry消息和page消息很相象，但是inquiry消息需要一個額外的數據串周期來收集所有的響應。 
    如果piconet中已經處于連接的設備在較長一段時間內沒有數據傳輸，藍牙還支持節能工作模式。master可以把slave置為hold(保持)模式，在這種模式下，只有一個內部計數器在工作。slave也可以主動要求被置為hold模式。一旦處于hold模式的單元被激活，則數據傳遞也立即重新開始。Hold模式一般被用于連接好幾個piconet的情況下或者耗能低的設備，如溫度傳感器。除hold模式外，藍牙還支持另外兩種節能工作模式：sniff(呼吸)模式和park(暫停)模式。在sniff模式下，slave降低了從piconet"收聽"消息的速率，"呼吸"間隔可以依應用要求做適當調整。在park模式下，設備依然與piconet同步但沒有數據傳送。工作在park模式下的設備放棄了MAC地址，偶爾收聽master的消息并恢復同步、檢查廣播消息。如果我們把這幾種工作模式按照節能效率以升序排一下隊，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式。 　 
    連接類型和數據包類型 連接類型定義了哪種類型的數據包能在特別連接中使用。藍牙基帶技術支持兩種連接類型： 
    · 同步定向連接（SCO）類型（主要用于傳送話音） 
    · 異步無連接（ACL）類型（主要用于傳送數據包） 
    同一個piconet中不同的主從對可以使用不同的連接類型，而且在一個階段內還可以任意改變連接類型。每個連接類型最多可以支持16種不同類型的數據包，其中包括四個控制分組，這一點對SCO和ACL來說都是相同的。兩種連接類型都使用TDD（時分雙工傳輸方案）實現全雙工傳輸。 
    SCO連接為對稱連接，利用保留時隙傳送數據包。連接建立后,master和slave可以不被選中就發送SCO數據包。SCO數據包既可以傳送話音，也可以傳送數據，但在傳送數據時，只用于重發被損壞的那部分的數據。 
    ACL鏈路就是定向發送數據包，它既支持對稱連接，也支持不對稱連接。master負責控制鏈路帶寬，并決定piconet中的每個slave可以占用多少帶寬和連接的對稱性。slave只有被選中時才能傳送數據。ACL鏈路也支持接收master發給piconet中所有slave的廣播消息。 
    糾錯 
    基帶控制器有三中糾錯方案： 
    · 1/3比例前向糾錯（FEC）碼 
    · 2/3比例前向糾錯碼 
    · 數據的自動請求重發方案 
    FEC（前向糾錯）方案的目的是為了減少數據重發的次數，降低數據傳輸負載。但是，要實現數據的無差錯傳輸，FEC就必然要生成一些不必要的開銷比特而降低數據的傳送效率。這是因為，數據包對于是否使用FEC是彈性定義的。報頭總有占1/3比例的FEC碼起保護作用，其中包含了有用的鏈路信息。 
    在無編號的ARQ方案中，在一個時隙中傳送的數據必須在下一個時隙得到收到的確認。只有數據在收端通過了報頭錯誤檢測和循環冗余檢測后認為無錯后才向發端回確認消息，否則，則返回一個錯誤消息。 
    鑒權和保密 
    藍牙基帶部分在物理層為用戶提供保護和信息保密機制。