藍(lán)牙技術(shù)概述 

系統(tǒng)概述
    藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接。其程序?qū)懺谝粋€9 x 9 mm的微芯片中。


    例如，如果把藍(lán)牙技術(shù)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(jī)、PDA、桌上型電腦、傳真機(jī)、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數(shù)字設(shè)備都可以成為藍(lán)牙系統(tǒng)的一部分。除此之外，藍(lán)牙無線技術(shù)還為已存在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)提供通用接口以組建一個遠(yuǎn)離固定網(wǎng)絡(luò)的個人特別連接設(shè)備群。


    藍(lán)牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)速率為1Mb/s。時分雙工傳輸方案被用來實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。


    ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預(yù)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(lán)牙特別設(shè)計了快速確認(rèn)和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。跳頻技術(shù)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(fā)器按一定的碼序列（即一定的規(guī)律，技術(shù)上叫做"偽隨機(jī)碼"，就是"假"的隨機(jī)碼）不斷地從一個信道"跳"到另一個信道，只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)律進(jìn)行通信的，而其他的干擾不可能按同樣的規(guī)律進(jìn)行干擾；跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴(kuò)展頻譜技術(shù)使這個窄帶寬成百倍地擴(kuò)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(tǒng)相比，藍(lán)牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍(lán)牙比其它系統(tǒng)都更穩(wěn)定。FEC（Forward Error Correction，前向糾錯）的使用抑制了長距離鏈路的隨機(jī)噪音。應(yīng)用了二進(jìn)制調(diào)頻（FM）技術(shù)的跳頻收發(fā)器被用來抑制干擾和防止衰落。


    藍(lán)牙基帶協(xié)議是電路交換與分組交換的結(jié)合。在被保留的時隙中可以傳輸同步數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包以不同的頻率發(fā)送。一個數(shù)據(jù)包名義上占用一個時隙，但實(shí)際上可以被擴(kuò)展到占用5個時隙。藍(lán)牙可以支持異步數(shù)據(jù)信道、多達(dá)3個的同時進(jìn)行的同步話音信道，還可以用一個信道同時傳送異步數(shù)據(jù)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(lán)牙系統(tǒng)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(lán)牙技術(shù)連接在一起的所有設(shè)備被認(rèn)為是一個piconet，一個piconet可以只是兩臺相連的設(shè)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(shè)備。在一個piconet中，所有設(shè)備都是級別相同的單元，具有相同的權(quán)限。但是在piconet網(wǎng)絡(luò)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(dú)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(shè)備。
    · Slave units：從單元,即piconet中不是master的所有設(shè)備。
    · Mac address：用來區(qū)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(wǎng)絡(luò)保持同步但沒有Mac address的設(shè)備。
    · Sniff and hold mode：呼吸與保持模式,與網(wǎng)絡(luò)同步但進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能源的一種工作模式。


    網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
    藍(lán)牙技術(shù)支持點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以被描述為"多piconet"結(jié)構(gòu)。
    在一個"多piconet"結(jié)構(gòu)中，在帶有10個全負(fù)載的獨(dú)立的piconet的情況下，全雙工數(shù)據(jù)速率超過6Mb/s。


    話音
    話音信道采用連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSD）話音編碼方案，并且從不重發(fā)話音數(shù)據(jù)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(dá)到4%，CVSD編碼的語音還是可聽的。


    無線
    藍(lán)牙空中接口是建立在天線電平為0dBm的基礎(chǔ)上的。空中接口遵循FCC(美國聯(lián)邦通信委員會）有關(guān)電平為0dBm的ISM頻段的標(biāo)準(zhǔn)。如果全球電平達(dá)到100mW以上，可以使用擴(kuò)展頻譜功能來增加一些補(bǔ)充業(yè)務(wù)。頻譜擴(kuò)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(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。出于某些本地規(guī)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(fā)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(shù)字信號處理規(guī)范。基帶鏈路控制器負(fù)責(zé)處理基帶協(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議。


    建立網(wǎng)絡(luò)連接
    在piconet內(nèi)的連接被建立之前，所有的設(shè)備都處于standby（待令）狀態(tài)。在這種模式下，未連接單元每隔1.28秒周期性地"監(jiān)聽"信息。每當(dāng)一個設(shè)備被激活，它就監(jiān)聽規(guī)劃給該單元的32個跳頻頻點(diǎn)。跳頻頻點(diǎn)的數(shù)目因地理區(qū)域的不同而異，32這個數(shù)字只適用于除日本、法國和西班牙之外的大多數(shù)國家。作為master的設(shè)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(tài)，master單元將在分配給被尋呼單元的16個跳頻頻點(diǎn)上發(fā)送一串16個相同的page消息。如果沒有應(yīng)答，master則按照激活次序在剩余16個頻點(diǎn)上繼續(xù)尋呼。Slave收到從master發(fā)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(lán)牙設(shè)備，如共享打印機(jī)、傳真機(jī)和其它一些地址未知的類似設(shè)備。Inquiry消息和page消息很相象，但是inquiry消息需要一個額外的數(shù)據(jù)串周期來收集所有的響應(yīng)。
    如果piconet中已經(jīng)處于連接的設(shè)備在較長一段時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙還支持節(jié)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(nèi)部計數(shù)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(shù)據(jù)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(shè)備，如溫度傳感器。除hold模式外，藍(lán)牙還支持另外兩種節(jié)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(yīng)用要求做適當(dāng)調(diào)整。在park模式下，設(shè)備依然與piconet同步但沒有數(shù)據(jù)傳送。工作在park模式下的設(shè)備放棄了MAC地址，偶爾收聽master的消息并恢復(fù)同步、檢查廣播消息。如果我們把這幾種工作模式按照節(jié)能效率以升序排一下隊(duì)，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式。 　
    連接類型和數(shù)據(jù)包類型 連接類型定義了哪種類型的數(shù)據(jù)包能在特別連接中使用。藍(lán)牙基帶技術(shù)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(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)包，其中包括四個控制分組，這一點(diǎn)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(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。
    SCO連接為對稱連接，利用保留時隙傳送數(shù)據(jù)包。連接建立后,master和slave可以不被選中就發(fā)送SCO數(shù)據(jù)包。SCO數(shù)據(jù)包既可以傳送話音，也可以傳送數(shù)據(jù)，但在傳送數(shù)據(jù)時，只用于重發(fā)被損壞的那部分的數(shù)據(jù)。
    ACL鏈路就是定向發(fā)送數(shù)據(jù)包，它既支持對稱連接，也支持不對稱連接。master負(fù)責(zé)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(shù)據(jù)。ACL鏈路也支持接收master發(fā)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(shù)據(jù)的自動請求重發(fā)方案
    FEC（前向糾錯）方案的目的是為了減少數(shù)據(jù)重發(fā)的次數(shù)，降低數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載。但是，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無差錯傳輸，F(xiàn)EC就必然要生成一些不必要的開銷比特而降低數(shù)據(jù)的傳送效率。這是因?yàn)椋瑪?shù)據(jù)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(hù)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(shù)據(jù)必須在下一個時隙得到收到的確認(rèn)。只有數(shù)據(jù)在收端通過了報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余檢測后認(rèn)為無錯后才向發(fā)端回確認(rèn)消息，否則，則返回一個錯誤消息。


    鑒權(quán)和保密
    藍(lán)牙基帶部分在物理層為用戶提供保護(hù)和信息保密機(jī)制。
    鑒權(quán)基于"請求-響應(yīng)"運(yùn)算法則。鑒權(quán)是藍(lán)牙系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它允許用戶為個人的藍(lán)牙設(shè)備建立一個信任域，比如只允許主人自己的筆記本電腦通過主人自己的移動電話通信。
    加密被用來保護(hù)連接中的個人信息。密鑰由程序的高層來管理。網(wǎng)絡(luò)傳送協(xié)議和應(yīng)用程序可以為用戶提供一個較強(qiáng)的安全機(jī)制。


    鏈路管理
    鏈路管理（LM）軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設(shè)置、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其它一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其它遠(yuǎn)端LM并通過LMP（鏈路管理協(xié)議）與之通信。LM模塊提供如下服務(wù)：
    · 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)
    · 請求名稱。LM能夠有效地查詢和報告名稱或者長度最大可達(dá)16位的設(shè)備ID。
    · 鏈路地址查詢
    · 建立連接
    · 鑒權(quán)
    · 鏈路模式協(xié)商和建立，比如數(shù)據(jù)模式或者話音/數(shù)據(jù)模式。在連接建立過程中模式是可以變更的。
    · 決定幀的類型。
    · 將設(shè)備設(shè)為sniff模式。工作在在sniffe模式的設(shè)備只接收M時隙的數(shù)據(jù)。M時隙的位置是由LM協(xié)商決定的。master只能有規(guī)律地在特定的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。
    · 將設(shè)備設(shè)為hold模式。工作在hold模式的設(shè)備為了節(jié)能在一個較長的周期內(nèi)停止接收數(shù)據(jù)，平均每4秒激活一次鏈路，這由LM定義，LC（鏈路控制器）具體操作。
    · 當(dāng)設(shè)備不需要傳送或接收數(shù)據(jù)但仍需保持同步時將設(shè)備設(shè)為暫停模式。處于暫停模式的設(shè)備周期性地激活并跟蹤同步，并檢查page消息。


    軟件結(jié)構(gòu)
    藍(lán)牙設(shè)備需要支持一些基本互操作特性要求。對某些設(shè)備，這種要求涉及到無線模塊、空中協(xié)議以及應(yīng)用層協(xié)議和對象交換格式。但對另外一些設(shè)備，比如耳機(jī)，這種要求就簡單得多。藍(lán)牙設(shè)備必須能夠彼此識別并裝載與之相應(yīng)的軟件以支持設(shè)備更高層次的性能.
    藍(lán)牙對不同級別的設(shè)備(如PC、手持機(jī)、移動電話、耳機(jī)等）有不同的要求，例如，你無法期望一個藍(lán)牙耳機(jī)提供地址簿。但是移動電話、手持機(jī)、筆記本電腦就需要有更多的功能特性。
    軟件結(jié)構(gòu)需有如下功能：
    · 設(shè)置及故障診斷工具
    · 能自動識別其它設(shè)備
    · 取代電纜連接
    · 與外設(shè)通信
    · 音頻通信與呼叫控制
    · 商用卡的交易與號簿網(wǎng)絡(luò)協(xié)議


    PC
    藍(lán)牙規(guī)范接口可以直接集成到筆記本電腦或者通過PC卡或USB接口連接。
    筆記本電腦的使用模型包括：
    · 通過藍(lán)牙蜂窩電話連接遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)
    · 利用藍(lán)牙蜂窩電話做揚(yáng)聲器
    · 藍(lán)牙筆記本電腦、手持機(jī)和移動電話間的商用卡交易
    · 藍(lán)牙筆記本電腦、手持機(jī)和移動電話間的時間同步
    藍(lán)牙是一個獨(dú)立的操作系統(tǒng)，不與任何操作系統(tǒng)捆綁。適用于幾種不同商用操作系統(tǒng)的藍(lán)牙規(guī)范正在完善中。


   電話
   藍(lán)牙規(guī)范接口可以直接集成到蜂窩電話中或通過附加設(shè)備連接。電話的使用模型包括（可選）：
    · 通過藍(lán)牙無線耳機(jī)實(shí)現(xiàn)電話的免提功能
    · 與筆記本電腦和手持機(jī)的無電纜連接
    · 與其它藍(lán)牙電話、筆記本電腦和手持機(jī)的商用卡交易
    · 與信任的藍(lán)牙筆記本電腦或手持機(jī)自動同步地址簿
    其它
    其它藍(lán)牙設(shè)備的使用模型包括：
    · 耳機(jī)
    · 手持機(jī)和其它便攜設(shè)備
    · 人機(jī)接口設(shè)備
    · 數(shù)據(jù)及話音接入點(diǎn) 　


    注釋：
    CVSD：Continuous Variable Slope Delta Modulation，連續(xù)可變斜率增量調(diào)制。一種自適應(yīng)增量調(diào)制技術(shù)，能夠獲得高質(zhì)量傳輸?shù)囊纛l編碼。
    FCC：Federal Communications Comission，美國聯(lián)邦通信委員會
    SCO：Synchronous Connection Oriented ，同步定向連接
    ACL：Asynchronous Connectionless ，異步無連接
    TDD：Time Division Duplex ，時分雙工傳輸