无线局域网之蓝牙

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蓝牙时代的生活……
当你进行家装时，不必为如何布线而烦恼了，因为蓝牙技术的应用可以让你随心所欲地安排室内的家用电器；当你回到家时，不必要找电视遥控器、空调遥控器、音响遥控器等，你可用手机或是车钥匙就能“尽在掌握”；当你的爱人出差在外时，你可通过蓝牙摄像机拍摄你和孩子的生活画面，通过第三代移动通信技术，你的爱人就可以看到你们的画面，距离不再是割断亲情的障碍；当你准备开始新的一天工作时，蓝牙技术可以让你在家中就可先行启动汽车，在临近工作地点时，就可启动你的计算机、打印机。有了足够的带宽，剩下的只需要你的想像力。
一．什么是蓝牙技术
1999年12月1日，蓝牙特殊利益集团——Bluetooth SIG发布了蓝牙技术最新标准1.0B版。发展至今，加盟的公司已超过2000多家，其中包括诸如AMD、康柏、戴尔、惠普、德州仪器、高通以及卡西欧、菲利普、三星、LG、精工、夏普等许多世界最著名的计算机行业、通信领域以及消费电子产品、甚至还有汽车与相机的生产制造厂家。一项公开的全球统一的技术规范能得到工业界如此广泛的关注和支持是前所未有的。当然，这主要得益于蓝牙技术本身所具有的广阔应用前景和诱人的商机。
蓝牙技术的设计初衷是将智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字化的信息设备，通过一种小型的、低成本的无线通信技术连接起来，从而甩掉常用的有线电缆；同时还要形成一种个人身边的网络，使得身边的各种信息化的移动便携设备都能无缝地实现资源共享。据国外权威机构预计，不久的将来会有数以亿计的数字移动电话、PC机以及各种信息设备采用基于蓝牙技术的无线接口作为一种标准配置，从而建立一个全球统一的无线连接标准，让不同厂家生产的移动计算设备在近距离内无需电缆线都可实现互操作和数据共享。
目前，全球已有2000多家企业推出了蓝牙芯片、蓝牙平台、应用程序、测试设备等产品。它将以简单、方便、快捷、低廉等优越性能而在全球范围得到广泛的应用，并对家庭信息化的进程及短距离通信技术产生巨大的推动作用。
二．蓝牙技术的起源
蓝牙技术培起源于1998年，当时，爱立信、IBM、英特尔、诺基亚和东芝公司联合为设备间无线传送数据创建了一项标准。这项标准是根据十世纪挪威国王Harald Bluetooth的名字命名的，Harald最伟大的功绩是将生活在斯堪的那维亚半岛上的各个民族统一了起来。上述几家公司联合成立了蓝牙特殊利益小组(SIG)，负责开发无线协议规范并设定交互操作的需求。
三．解读蓝牙系统
1．为什么是蓝牙
蓝牙技术是一种支持点对点或点对多点的话音、数据业务的短距离无线通信技术。蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式，使得一个蓝牙设备可同时与7个其它的蓝牙设备相连接。蓝牙系统的网络结构为拓扑结构，有两种形式：
微微网（piconet）和分布式网络（Scatternet）。微微网（piconet）是通过蓝牙技术连接起来的一种微型网络，一个微微网可以只是两台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是8台连在一起的设备。在一个微微网中，所有设备的级别是相同的，具有相同的权限。在微微网初建时，定义其中一个蓝牙设备为主设备，其余设备则为从设备。
分布式网络是由多个独立的非同步的微微网组成的。它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。一个分布网络中，在带有10个全负载的独立的微微网的情况下，全双工数据速率超过6Mbit/s。
２．蓝牙系统组成
蓝牙系统由无线单元、链路控制单元、链路管理：
（1）无线单元
蓝牙是以无线LAN的IEEE802.11标准技术为基础的，使用2.45GHz ISM全球通自由波段。蓝牙天线属于微带天线，空中接口是建立在天线电平为0dBm基础上的，遵从FCC（美国联邦通信委员会）有关0dBm电平的ISM频段的标准。当采用扩频技术时，其发射功率可增加到100mW。频谱扩展功能是通过起始频率为2.402GHz、终止频率为2.480GHz、间隔为1MHz的79个跳频频点来实现的。其最大的跳频速率为1660跳/s。系统设计通信距离为10cm～10m，如增大发射功率，其距离可长达100m。
（2）链路控制单元
链路控制单元（即基带）描述了硬件——基带链路控制器的数字信号处理规范。基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。
A．建立物理链路
微微网内的蓝牙设备之间的连接被建立之前，所有的蓝牙设备都处于待命(standby)状态。此时，未连接的蓝牙设备每隔1.28s就周期性地“监听”信息。每当一个蓝牙设备被激活，它就将监听划给该单元的32个跳频频点。跳频频点的数目因地理区域的不同而异（32这个数字只适用于使用2.400～2.4835GHz波段的国家）。作为主蓝牙设备首先初始化连接程序，如果地址已知，则通过寻呼(page)消息建立连接；如果地址未知，则通过一个后接寻呼消息的查询(inquiry)消息建立连接。在最初的寻呼状态，主单元将在分配给被寻呼单元的16个跳频频点上发送一串16个相同的寻呼消息。如果没有应答，主单元则按照激活次序在剩余16个频点上继续寻呼。从单元收到从主单元发来的消息的最大延迟时间为激活周期的2倍(2.56s)，平均延迟时间是激活周期的一半(0.6s)。查询消息主要用来寻找蓝牙设备。查询消息和寻呼消息很相像，但是查询消息需要一个额外的数据串周期来收集所有的响应。
如果微微网中已经处于连接的设备在较长一段时间内没有数据传输，蓝牙还支持节能工作模式。主设备可以把从设备置为保持（hold）模式，在保持模式下，只有一个内部计数器在工作。从设备也可以主动要求被置为保持模式。一旦处于保持模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始。保持模式一般被用于连接好几个微微网的情况下或者耗能低的设备。另外。蓝牙还支持呼吸（sniff）模式和暂停（park）模式。在呼吸模式下，从设备降低了从微微网“收听”消息的速率，“呼吸”间隔可以依应用要求作适当调整。在暂停模式下，设备依然与微微网同步但没有数据传送。工作在暂停模式下的设备放弃了MAC地址，偶尔收听主设备的消息并恢复同步、检查广播消息。这几种工作模式按照节能效率以升序排队依次是：呼吸模式、保持模式和暂停模式。
蓝牙基带技术支持两种连接类型：同步定向连接(SCO)类型和异步无连接(ACL)类型。前者主要用于同步话音传送，后者主要用于分组数据传送。
同一个微微网中不同的主从对可以使用不同的连接类型，而且在一个阶段内还可以任意改变连接类型。每个连接类型最多可以支持16种不同类型的数据包，其中包括4个控制分组，这一点对SCO和ACL来说都是相同的。两种连接类型都使用时分双工(TDD)实现全双工传输。
SCO连接为对称连接，利用保留时隙传送数据包。连接建立后，主设备和从设备可以不被选中就发送SCO数据包。SCO数据包既可以传送话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用于重发被损坏的那部分的数据。
ACL链路就是定向发送数据包，它既支持对称连接，也支持不对称连接。主设备负责控制链路带宽，并决定微微网中的每个从设备可以占用多少带宽和连接的对称性。从设备只有被选中时才能传送数据。ACL链路也支持接收主设备发给微微网中所有从设备的广播消息。
B．差错控制
基带控制器有3种纠错方式。1/3比例前向纠错(1/3FEC)码，用于分组头；2/3比例前向纠错(2/3FEC)码，用于部分分组；数据的自动请求重发方式（ARQ），用于带有CRC（循环冗余校验）的数据分组。差错控制用于提高分组传送的安全性和可靠性。
C．验证和加密
蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息加密机制。验证基于“请求-响应”运算法则，采用口令/应答方式，在连接进程中进行，它是蓝牙系统中的重要组成部分。它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域，比如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。
加密采用流密码技术，适用于硬件实现。它被用来保护连接中的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。
（3）链路管理器
链路管理器(LM)软件模块设计了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。链路管理器能够发现其它蓝牙设备的链路管理器，并通过链路管理协议(LMP)建立通信联系。链路管理器提供的服务项目包括：发送和接收数据、设备号请求（LM能够有效地查询和报告名称或者长度最大可达16位的设备ID）、链路地址查询、建立连接、验证、协商并建立连接方式、确定分组类型、设置保持方式及休眠方式。
（4）软件结构和协议体系
A．软件结构
蓝牙设备应具有互操作性，即任何蓝牙设备之间都应能够实现互通互连，这包括硬件和软件。对于某些设备，从无线电兼容模块和空中接口，直到应用层协议和对象交换格式，都要实现互操作性；而另外一些简单的设备（如耳机）的要求则宽松得多。蓝牙计划的目标就是要确保任何带有蓝牙标记的设备都能进行互换性操作。软件的互操作性始于链路级协议的多路传输、设备和服务的发现，以及分组的分段和重组。蓝牙设备必须能够彼此识别，并通过安装合适的软件识别出彼此支持的高层功能。互操作性要求采用相同的应用层协议栈。不同类型的蓝牙设备对兼容性有不同的要求（如用户不能奢望头戴式设备内含有地址簿）。蓝牙的兼容性是指它具有无线电兼容性，有语音收发能力及发现其它蓝牙设备的能力，更多的功能则要由手机、手持设备及笔记本电脑来完成。为实现这些功能，蓝牙软件构架必须利用现有的规范，而不是再去开发新的规范。设备的兼容性要求能够适应蓝牙规范和现有的协议。
软件结构的功能有：配置及故障诊断工具、自动识别其它蓝牙设备、电缆仿真、与外网设备的通信、音频通信与呼叫控制和商用卡的交易与号簿网络协议。
蓝牙的软件体系是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。适用于几种不同商用操作系统的蓝牙规范正在完善中。蓝牙规范接口可以直接集成到蜂窝电话、笔记本电脑等设备中，也可以通过PC卡或USB接口附加设备连接。
B．协议体系
设计协议和协议栈的主要原则是尽可能地利用现有各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互通性；充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统和蓝牙技术规范的开放性，便于开发新的应用。蓝牙标准包括Core和Profiles两大部分。Core是蓝牙的核心，主要定义蓝牙的技术细节；Profiles部分定义了在蓝牙的各种应用中的协议栈组成，并定义了相应的实现协议栈。这样就为全球兼容性打下了基础。
蓝牙标准主要定义的是底层协议，也定义了一些高层协议和相关接口。具体的协议按SIG的需要分为4层：
◆核心协议
它是蓝牙协议的关键部分。包括基带部分协议和其它低层链路功能的基带/链路控制期协议；用于链路的建立、安全和控制的链路管理器协议LMP；描述主机控制器接口的HCI协议；支持高层协议复用、帧的组装和拆分的逻辑链路控制和分配协议L2CAP；发现蓝牙设备提供服务的SDP协议等。
◆RFCOMM电缆替代协议
它是一种仿真协议，在蓝牙基带协议上仿真RS-232控制和数据信号，为上层协议提供服务。
◆TCS电话控制协议
它是面向比特的协议，定义蓝牙设备间建立数据和话音呼叫的控制信令和处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程；AT-Command控制命令集是定义在多用户模式下控制移动电话、调制解调器和用于仿真的命令集。
◆与Internet相关的高层协议
它定义了与Internet相关的PPP、UDP、TCP/IP协议及无线应用协议WAP。两个蓝牙设备必须具有相同的协议组成才能进行相互的通信。
四．蓝牙技术市场前景广阔
畅游在蓝牙技术的梦想中，你会发现蓝牙技术无所不能。而现实的情况经常是与梦想中的有些差距，虽然第一份有关蓝牙技术说明书的出版距今不到1年，但是一些业内人士已经在谈论蓝牙工程的发展处于停滞或放缓的状况。稍稍关注一下今年的网络高科技市场，就会发现蓝牙技术从诞生的那一天起，就一直被人们寄予了极高的期望，大家的胃口被“很快就要实现，很快就会实现”的宣传吊得高高的。
分析家们预测，5年后市场中将出现各个层次的第三代蓝牙专用设备，其应用范围之广泛是人们所始料不及的。届时，人们所谈论的就不再是蓝牙市场，而是短距离无线市场，或数字无线电收发市场。根据英国分析家Frost&Sullivan调查指出，用于无线传输的蓝牙(Bluetooth)技术标准在2001年将正式投入使用，预计2006年欧洲的无线局域网(LAN)和蓝牙市场规模可以突破531.2亿美元。