蓝牙技术标准的发展与未来_徐峰.docx

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1、蓝牙技术标准的发展与未来 徐峰 ,习节涛 (国防科技大学电子科学与工程学院，湖南长沙 410073) 摘要：蓝牙 （ bluetooth)技术标准自 1999年 7月推出后，以越来越快的速度进行不断修改和更新，在红外线通信技术， HR技术以及 WIFI技术并驾齐驱的情况下，以其优异的表现，日益深入生活应用和生产应用的角角落落，该文详细追溯了蓝牙技术的发展历程 以及各个技术版本的特色与区别，并与目前流行的其他三种无线技术进行了比较，并对蓝牙技术的未来发展趋势作出推测。 关键词：蓝牙技术；标准；发展与未来 中图分类号： TP393 文献标识码： A 文章编号 ： 1009-3044(2010)15

2、-4057-03 1发展现况 随着无线网络技术的不断发展，蓝牙 （ bluetooth)技术以其优异的中短距离通信和数据传输性能和抗千扰能力，日益显示出其在 工业应用和家庭应用中的突出地位，而其技术标准的不断推陈出新，以及新产品的问世，使得蓝牙技术在生活和生产中的应用曰益 广泛。 蓝牙起源蓝牙 （ BlueTooth)是无线数据和话音传输的开放式标准。其名字来源于丹麦国王 （ Bl?tand)， 该国王统一 了丹麦王国所 有的部落，蓝牙取名亦代表其一统无线通信标准的野心。 蓝牙标志是合并了日耳曼符 hagall和 Berkanan. 1.1蓝牙技术的协议框架 蓝牙技术的系统结构分为三大部分：底

3、层硬件模块、中间协议层和高层应用。底层硬件部分包括无线跳频 （ RF)、 基带 （ BB)和 链路管理 （ LM)。 无线跳频层通过 2.4GHz无需授权的 ISM频段的微波，实现数据位流的过滤和传输，本层协议主要定义了蓝牙收发 器在此频带正常工作所需要满足的条件。基带负责跳频以及蓝牙数据和信息帧的传输。链路管理负责连接、建立和拆除链路并进行 安全控制。蓝牙技术结合了电路交换与分组交换的特点，可以进行异步数据通信，可以支持多达 3个同时进行的同步话音信道，还 可以使用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持 64kbit/s的同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为 721kb

4、it/s、 另一端速率为 57.6kbit/s的不对称连接，也可以支持 43.2kbit/s的对称连接。中间协议层包括逻辑链路控制和适应协 议、服务发现协议、串口仿真协议和电话通信协议。逻辑链路控制 和适应协议具有完成数据拆装、控制服务质量和复用协议的功 能，该层协议是其它各层协议实现的基础。服务发现协议层为上层 应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服务及其特性。串口 仿真协议层具有仿真 9针 RS232串口的功能。电话通信协议层则 提供蓝牙设备间话音和数据的呼叫控制指令。 主机控制接口层 （ HCI)是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它 提供了 一个调用基带、链路管理、状态和控制寄存器等硬件的

5、统一 命令接口。蓝牙设备之间进行通信时， HCI以上的协议软件实体在 主机上运行，而 HCI以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通 过一个对两端透明的传输层进行交互。 在蓝牙协议栈 的最上部是各种高层应用框架。其中较典型 的有拨号网络、耳机、局域网访问、文件传输等，它们分别对应一种应用模式。各种应用程序可以通过各自对应的应用模式实现无线 通信。 总之，整个蓝牙协议结构简单，使用重传机制来保证链路的可靠性，在基带、链路管理和应用层中还可实行分级的多种安全机 制，并且通过跳频技术可以消除网络环境中来自其它无线设备的干扰。 1.2蓝牙技术标准的版本发展 蓝牙 SIG组织于 1999年 7月 26日推

6、出了蓝牙技术规范 1.0版本。在蓝牙 1.0标准虽然定义了具体的功能，但缺乏严格的实施 准则，使这个标准的要害部分 一一 协同工作能力出现了隐患，阻止了其大量应用。在蓝牙 1.1中提出了相应的措施，其中最重大的改 收稿日期： 2010 03 12 本栏目责任编辑：梁书 计算机工程应用技术 4057 进就是验证。蓝牙 1.1非常明确地定义了设备验证所需的各个步骤，彻底纠正了主从设备竞争矛盾的问题。并对数据格式的兼容问 题进行了解决。 蓝牙 1.2标准相对于 1.1版本而言，主要新增四项功能。采用 AFH (Adaptive Frequency Hopping,适应性跳频）技术，主要的功能 是自动

7、选择合适的频段，用来减少蓝牙产品与其它无线通讯装置之间所产生的干扰问题；采用 ESC0(延伸同步连结导向信道）技术， 用于提供具高度 QoS的音讯传输，而能进一步满足更高阶语音与 音讯产品的需求；采用 Faster Connection(快速连接）技术，缩短重 新搜索与再连接的时间，使连结的过程更为稳定、更快速，使蓝牙产品在使用上更为平顺；与蓝牙 1.1版本产品兼容，确保其可向后 兼容于 1.1版本的产品。 蓝牙 2.0标准提高了数据传输速率（可达当前速率的 3倍）并降低了功耗，这将大大改善蓝牙用户使用多个蓝牙设备协同工作 以及传输大型数据文件时的体验，同时还将延长移动设备的电池使用时间。 蓝

8、牙 2.0标准早在 2004年就电信工程技术与标准化己经推出，支持产品却迟至 2006年才逐渐出现于市面，而 且过去 1.X版的 老毛病其实依旧存在。为了改善这种状况，蓝牙 S1G推出了蓝牙 2.1+EDR版本的蓝牙，其改进的范围包含了改善配置配对的流程 以及达到更加有效的省电效果。 蓝牙 3.0协议规范是由蓝牙技术联盟于 2009年 4月 21日通过的。它支持的理论数据传输速度为 24兆位 /秒，虽然没有针对蓝 牙链接本身。 .相反，蓝牙连接用于谈判和建立，以及高数据速率流量超过 1同位 WiFi链接进行。其主要新功能是 AMP(备用的 MAC /PHY)的，将 802.11作为高速通信的增

9、补。 在 2009年 12月 17日，蓝牙技术联盟退出超低功耗版蓝牙 v4.0。 随着蓝牙标准的不断发展，特别是随着超低功耗收发信机的发明，在蓝牙 3.0和 4.0技术版本中。蓝牙技术已经越来越趋向于 成为一种组网手段和控制手段，而将数据传输业务转为由超宽带和 WIFI来实现。 2比较 2.1与红外比较 红外线是波长在 750nm至 1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通信 一般采用红外波段内的近红外线，波长在 0.75um至 25um之间。为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通 信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在

10、850nm至 900 nm之内。 目前无线电波和微波己被广泛地应用在长距离的无线通信之中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适 合应用在短距离无线通信的场合，进行点对点的直线数据传输。 红外通信有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。这些设备包括 笔记本电脑、掌上电脑、机顶盒、游戏机、移动电话、计算器、寻呼机、仪器仪表、 MP3播放机 、数码相机以及打印机之类的计算机外围 设备等等。红外线传输网络 IrDA现在己经广泛应用于各种家用电器摇控。但 IrDA最大的不足在于发送端与接收端之间不能有障 碍物，而蓝牙无线传输时发送端与接

11、收端不受中间阻挡物的影响，这对于移动用户来讲将更实用。如果蓝牙设备的价格能够进一步 降低到人们可接受的程度，对传统的 IrDA将构成挑战。 2.2与 WIFI比较 iEEE80.ll是 IEEE (电气和电子工程师协会）制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中的用户与 用户终端之间的无线接入。 IEEE80 11业务主要限于数据存取，传输速率最高只能达到 2Mbps。 由于 IEEE80 11在速率上的不足， 己不能满足数据应用的需求；因此， IEEE又相继推出了 IEEE80.11b和 IEEE80.11a这两个新的标准。三者之间技术差别主要在于 MAC( Mediuln

12、 Access Control， 媒介访问控制 ） 子层和物理层。 IEEE80 lib标准。 IEEE80 lib ( Wi- Fi)使用开放的 4GHz直接序列扩 频，最大数据传输速率为 11Mbps， 无需直线传播。使用动态速率转换，当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为 5.5Mbps、 2Mbps和 1Mbps。 且当工作在 2Mbps和 1Mbps速率时可向下兼容 IEEE80.lMEEE80.llb的使用范围在室外为 300米，在办公环境 中则最长为 100米。使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。 iEEE80.11a在使用频率的选

13、择和数据传输速率上都优于 IEEE80 11b， 不过其芯片还没有进入市场，加之设备昂贵、不兼容 IEEE80 11b、 空中接力不好和点对点 连接很不经济，不适合小型设备。 IEEE80.il虽然传输速率快，传输距离长，但其成本较高，功 耗较大。目前 IEEE80.il的实现方式主要还是靠无线网卡或接入点设备。蓝牙成本低、功耗小、体积小，可以便捷地用于更多的设 备。其应用模式主要是将协议固化在芯片中，并内置于笔记本电脑及其他需要连线的智能化设备中，当然也可以把无线模块直接合 成到蜂窝手机或其他设备之中，其控制则利用设备本身的芯片，应用方式相当便捷。 2.3与 HR比较 HomeRF技术是无绳

14、电话技术 （ 数字式增强型无绳电话或者简称为 DECT: Digital Enhanced Cordless Telephone)和无线局域网 ( WLAN)技术相互融合发展的产物。无线局域网 IEEE80.il采用 CSMA/CA(载波监听多点接入 /冲突避免）方式，特别适合于数据业 务；而 DECT使用 TDMA (时分多路复用）方式，特别适合于话音通信，将二者进行融合构成家庭射频使用的共享无线应用协议 ( SWAP: Shared Wireless AccessProtocol)。 SWAP使用 TDMA+CSMA/CA方式，适合话音和数据业务，并且特地为家庭小型网络进行 了 优化。家庭

15、射频系统的设计目的就是为了在家用电器设备之间传送话音和数据，并且能够与公众交换电话网 (PSTN)和互联网进行 交互式操作。它工作于 4GHz ISM频段，采用数字跳频扩频技术。支持 TDMA业务和 CSMA/CA业务， TDMA用于传送交互式话音 和其它时间敏感性业务，而 CSMA/CA用于传送高速分组数据。同时， HomeRF提供了与 TCP/IP良好的集成，支持广播、多播和 48 位 IP地址。但目前 HomeRF的传输速率只有 1-2Mbps。 蓝牙技术的跳频频率为每秒 1600跳，在接收或发送一个分组数据后，即跳至另一频点，而 HomeRF的跳频频率只有 50跳 /s， 因此蓝牙技术

16、比 HomeRF具有更强的抗干扰性；同时它还具有低功耗、低成本和灵活安全等特点。另外，蓝牙所采用的前向纠错技 术更是限制了较长距离链路的无序噪声影响，而经优化的编码方式可使蓝牙技术应用于各种恶劣的无线环境。 3蓝牙技术发展的未来 3.1优点与弱点 相对于其它几种无线通信技术，蓝牙技术在无线传感器网络系统中的应用具有如下一些优势： 1) 中短通信距离性：蓝牙的通信距离为 10m-100m,属于是中短距离无线通信，这个范围的距离要比 IEEE80.11b标准的短， 但是又要比红外线的通信距离长，比较适合于无线传感器网络系统。 2) 便携性：为了适合于便携设备的集成，蓝牙模块的设计尺寸要比一般的 R

17、F装置小，这样集成有蓝牙模块的 Sink网关在大 小上没有很大的变化，适合于在对设备体积有严格要求的无线传感器网络系统中使用。 3) 节能性：蓝牙模块的功耗非常小，一般只有 10mw， 当集成在 Sink网关上时，可以使用微型电池进行长时间的供电，非常适 合无线传感器网络系统低功耗的特点。 4) 安全性：蓝牙标准在基带上提供了对 传输数据的加密机制以及在链路管理器上提供的鉴权机制，保证了 Sink网关与管理终 端通信的安全性，非法设备和用户是无法获得对蓝牙底层传输数据和高层服务的访问。 5) 抗干扰性：蓝牙射频信号工作在 ISM免费频段，其基带规定了 1600/秒的跳频频率，保证了和其他无线空

18、中接口信号产生碰 撞的可能性很小，其他无线信号对它的干扰很小，即使产生了干扰，蓝牙也提供了重传的机制可以保证信息的完整性，同时因为 蓝牙射频信号的发射功率很小，所以也不会对无线传感器网络系统中其他无线信号产生大的干扰。 不可否认，蓝牙技术的缺点和优点一 样明显： 1) 数据传输瓶颈：高速跳频使得蓝牙传输安全性极高，同时也限制了蓝牙传输规程中数据包不可能太大，哪怕是在宣传的高保 真蓝牙耳机中，它的高低频部分也是被严重压缩。 2) 便携性：蓝牙技术发展的目标之一就是使得一切电子产品皆可由蓝牙获得连接，如何在确保安全有效的同时，降低功耗，是 蓝牙技术在向其他行业领域扩展的一大难题。 3.2未来发展

19、从最新的蓝牙 4.0标准的提出我们可以对蓝牙技术的未来管窥一二，蓝牙技术将作为一种连接手段和联网方式，而超宽带技术 和WIFI技术将被融入进蓝牙技术中，从而达到安全有效的链接和高速数据传输。而超低功耗自唤醒收发信机技术的研发，使得蓝 牙技术有可能进一步拓展到自动控制和自动管理领域。 未来的蓝牙将会有如下几种可能的发展： 1) 多样化的数据传输模式 从蓝牙标准 v3.0开始，蓝牙技术标准开始通过在数据传输中使用 WIFI传输，提高无线传输的速率，目前最热门的传输技术包 括超宽带技术， WIFI技术，都进入蓝牙技术标准协会的考虑范围之内。而蓝牙技术将逐渐成为一种组网和链接的手段，它的扩频跳 频技术

20、和高安全性鉴权机制加密机制为高速数据传输提供了安全可靠的保障。 2) 更低的功率消耗 以 v2.0为例，蓝牙 V2.0传送相同大小数据段的功耗是 vl.2的一半，而 V4.0更是把低功耗作为打开医疗市场和特种设备市场的 关键。更小更集成的封装模式，更多样的节能模式，以及自唤醒超低功率收发信机，将使得蓝牙设备更加的便携，耐用。使得蓝牙技 术在更广泛的领域获得推广。 3) 更远的传输距离 因为低功耗造成的低功率收发信机，是致使蓝牙无法实现远距离通信的瓶颈，功耗和距离，似乎是鱼与熊掌不可兼得，但是可 以通过架设接力站和信号强化 系统独立于该蓝牙系统外单独进行信号强化和中转来解决这个矛盾，国外目前己经能通过特殊的功 率强化装置，将蓝牙信号拓展到 18英里范围。在更高版本的蓝牙中，这种更远的传输距离将使得蓝牙组网的范围愈加扩大，可以在 更大的范围里完成蓝牙信号的传输。 本栏目责任编辑：梁书 计算机工程应用技术 4059