蓝牙

1  概述

蓝牙（Bluetooth）是一种短距离的无线通讯技术，最初是研究在移动电话和其它配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法。发明者希望为设备间的通讯创造一组统一的标准化协议，以解决用户间互不兼容的移动电子设备的互连互通，这些设备之间省去了传统的电线。透过芯片上的无线接收器，配有蓝牙技术的电子设备能够在短距离内彼此相通，传输速度可以达到每秒钟1Mbps。和当时流行的红外线技术相比，蓝牙有着更高的传输速度，而且不需要像红外线那样进行接口对接口的连接，所有蓝牙设备基本上只要在有效通讯范围内使用，就可以进行随时连接。

蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司，爱立信早在1994年就已进行研发，1997年，与其他设备生产商联系，并激发了他们对该项技术的浓厚兴趣，1998年2月，5个跨国大公司，包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及Intel组成了一个特殊兴趣小组SIG（Special Interest Group），他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术，即现在的蓝牙技术，目前SIG已经发展成为一个会员达4000多家，由电信、计算机、汽车制造、工业自动化和网络等行业的领先厂商组成。

当蓝牙1.0版本推出以后，并未立即受到广泛的应用，除了当时对应蓝牙功能的电子设备种类少，蓝牙装置也十分昂贵。2001年的1.1版正式列入IEEE标准，蓝牙1.1即为IEEE 802.15.1。几年之后，采用蓝牙技术的电子装置如雨后春笋般增加，售价也大幅回落。为了扩宽蓝牙的应用层面和传输速度，SIG先后推出了1.2版、2.0版，以及其它附加新功能，例如增强型速率EDR（Enhanced Data Rate），配合2.0的技术标准，将最大传输速度提高到3Mbps；音频传输模型协定A2DP（Advanced
Audio Distribution Profile）是一个控音轨分配技术，提高声音的清晰度，主要应用于立体声耳机；还有音频/视频远程控制配置文件AVRCP（A/V Remote Control Profile）等等。蓝牙3.0在适配层协议应用了Wi-Fi技术，即可在需要的时候调用802.11
Wi-Fi用于实现高速数据传输，数据传输率提高到了大约24Mbps。而最新推出的蓝牙4.0技术在电池时间、节能和设备种类上，以及有效传输距离上均有所提升。

2  蓝牙体系结构

蓝牙标准的设计采用从下至上的分层式结构，其中基带、射频和链路管理层协议定义了完成数据流的过滤和功能组件是一个高度集成的装置，这三部分构成了蓝牙的物理模块，射频工作在2.4GHz的免费的ISM频段，实现数据位流的传输，它主要定义了蓝牙收发器应满足的条件。基带主要上起链路控制和链路管理的作用，比如承载链路连接和功率控制这类链路级路由等。基带还管理异步和同步链路、处理数据包、寻呼、查询接入和查询蓝牙设备等。基带收发器采用时分复用TDD方案，发送和接收交替进行，因此除了不同的跳频之外（频分），时间都被划分为时隙。链路管理负责连接的建立和拆除以及链路的安全和控制，它们为上层软件模块提供了不同的访问入口，但是2个模块接口直接的消息和数据传输必须通过蓝牙主机控制器HCI的解析。也就是说HCI就是蓝牙协议中软件和硬件接口的部分。它提供了一个调用下层的基带、链路管理器、状态和控制寄存器等硬件的同一命令接口。HCI以上的协议软件实体运行在主机上，而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成，二者直接通过传输层进行交互。

蓝牙系统既可以实现点对点连接也可以实现一点对多点连接，蓝牙设备按特定方式可组成两种网络：微微网（Piconet）和分布式网络（Scatternet），其中微微网的建立由两台设备的连接开始，最多可由八台设备组成，在一个微微网中，只有一台为主设备（Master），其它均为从设备（Slave），不同的主从设备对可以采用不同的链接方式，在一次通信中，链接方式也可以任意改变。几个相互独立的微微网以特定方式链接在一起便构成了分布式网络。在分布网中靠跳频顺序识别每个微微网。同一微微网所有用户都与这个跳频顺序同步。

3  物理层技术

蓝牙的有效传输距离为10cm~100m，具体的距离随功率的改变而变化，蓝牙设备根据发送器的输出功率可以划分为三种功率类型，功率控制器即根据设备的功率需要来限制和优化输出功率，其中类型1是用在大功率/远距离的蓝牙产品上，但因成本高和耗电量大，不适合作个人通讯产品之用，多用在商业特殊用途上，通讯距离大约在80m~100m距离之间。类型2和类型3通讯距离大约在 8m~30m之间，由产品的设计而定，多用于个人通讯产品上，耗电量和体积较小，方便携带。功率等级如表1所示。

表1：不同功率类型的功率等级关系

蓝牙可以工作在基本速率下和增强型速率模式之下，基本速率蓝牙的调制方式为BT为0.5的高斯频移键控GFSK的数字调制技术，而增强型速率则是采用π/4 循环差分相位编码的四进制键控方式（DQPSK）和循环差分相位编码的八进制键控方式（8DPSK），增强型速率模式下的接入码分组头通过基本速率模式的GFSK调制方式来传输，而后面的同步序列、净荷以及尾序列通过增强型速率模式的PSK调制方式来传输。它们的包格式如图1和图2所示。

图1：基本速率包格式

图2：增强型速率包格式

蓝牙工作在2.400～2.4835GHz频带内，基本速率下和增强型速率的发射频率为f=2402+k MHz，k为0～78之间的整数，蓝牙4.0的发射频率为f=2402+k*2 MHz，其中k为0~39之间的整数。

4  关键技术

由于蓝牙技术所工作的ISM频段中还有802.11及微波炉、无绳电话等无线通信技术，为了与这些技术兼容，以及有效利用频谱、防止通信设备之间相互干扰，蓝牙采用了自适应跳频、功率控制等一系列独特的措施克服干扰，避免冲突。

蓝牙技术所采用的自适应跳频技术是建立在自动信道质量分析基础上的一种频率自适应和功率自适应控制相结合的技术。它能使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频点，拒绝使用那些曾用过，但是传输不成功的跳频频率集中的频点，即实时去除跳频频率集中被干扰的频点，使跳频通信在无干扰的可使用的频点上进行，并以最小的发射功率、最低的被截获概率，从而大大提高跳频通信中接收信号的质量，达到在无干扰的跳频信道上长时间保持优质通信的目的。

低功耗技术是蓝牙4.0版本的重大突破，它具备超低峰值、平均值与待机功耗，透过标准钮扣电池足以使用数年，支持多种设备之间的兼容性，并加强射程。蓝牙低功耗技术和其它版本的蓝牙技术一样都是使用跳频技术，以尽量减少2.4GHz ISM频段其它技术的干扰。蓝牙低功耗设计主要提供3种应用方案，独立运作模式Stand-alone、双模工作模式Dual Mode及整合模式。在双模应用中，蓝牙低功耗的功能会整合至现有的传统蓝牙控制器中，共享传统蓝牙技术既有的射频和功能，相较于传统的蓝牙技术增加的成本更小。表1为典型蓝牙和低功耗蓝牙的主要属性对比：

图3：典型蓝牙和低功耗蓝牙对比

5  小结

经过近十年移动通信，电子技术的高速发展，蓝牙技术已经广泛应用于电信业、计算机业、家电业、医疗、汽车电子等领域，对我们的生活带来巨大的便利，随着无线技术的进一步发展，蓝牙技术仍然会不断更新，不断完善。