蓝牙技术及其应用展望_王洪锋.docx

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1、蓝 牙 技 术 及 其 应 用 展 望 王洪锋，贾志军，王曙光，吕艳梅 (军械工程学院 .河北石家庄 050003) 摘要：为实现数字设备间的无线快速通信 .蓝牙技术是近年新生的技术。蓝牙协议体系由硬件模 块、软件模块和高端应用层构成。它采用跳频技术 .以及链路层的认证、加密、密钥管理功能和高层 协议栈的 PIN码等安全机制。与其它无线通信技术相比 .蓝牙技术以其价廉、可移动性、开放性和 安全、保密性而具有广泛的应用前景。 关键词：蓝牙技术；无线通信；通信协议 中图分类号 ： TN 92 文献标识码 ： A 文章编号： 1006一 6047(2002)01 0075一 03 1蓝牙技术概述 为

2、了实现各种数字设备能随时随地的快捷通 信 .无线通信技术应运而生。其中蓝牙 (Bluetooth)成 为众多企业关注的焦点。 蓝牙技术起源于 1994年 .是爱立信 .IBM. Intel. 诺基亚和东芝等公司联合主推的一项最新无线通信 协议。在 1998年 5月 .“ 蓝牙 ” 特殊兴趣集团 SIG (Special Interest Group)成立 .旨在利用微波取代传 统网络中错综复杂的电缆 .使家庭或办公场所的移 动电话、便携式计算机、打印机、复印机、键盘、耳机 及其它手持设备实现无线互连互通。 作为一点到多点的无线声音及数据传输标准 . 蓝牙技术运行在 2.4 GHz频段上。其跳频

3、带宽为 79 MHz.最高数据传输速度为 1 Mbit/s.通信距离可 达 10 m (0 dBm) 100 m (20 dBn).可同时实现 8 台 设备的互连通信。它的主要优点是支持多种设备 . 可穿过墙壁和公文包传输数据 .全方向传输和内置 的安全性。 蓝牙技术的关键是极小的蓝牙晶片 .它是一种 比邮票还小的无线电收发装置 .将其装在各种信息 处理设备中 .就能自动通过智能模式互通 .自动同步 交换高速数据信息。 2蓝牙协议体系结 构 为实现设备间的互操作和匹配应用 .设备必须 运行在相同的协议下。蓝牙技术规范包括协议 (Protocol)和应用规范 （ Profile )2个部分 11

4、1。协议定 义了各功能元素，如串口仿真协议、逻辑链路控制和 适配协议等各自的工作方式；应用规范则阐述了为 实现一个特定的应用模型，各层协议间的运转协同 机制。显然， Protocol是一种横向体系结构，而 Profile 是一种纵向体系结构。较典型的 Profile有拨号网 收稿日期 ： 2001 06 27 络、耳机 (Headset )、局域网访问和文件传输等 .它们 分别对应一种应用模型。本文以商业卡信息交流为 例 .简要刻画了蓝牙的协议栈 .如图 1所示。 图 1蓝牙通信协议栈 Fig. 1 The Bluetooth canmunication protocol stack 整个蓝牙

5、协议体系结构可分为底层 （ 硬件模 块）、中间协议层（软件模块）和高端应用层三大部 分。图 1所示链路管理层 （ IMP)、 基带层 （ BB)和射 频层(RF)属于蓝牙的硬件模块。 RF层通过 2.4 GHz 无需授权 ISM频段的微波 .实现数据位流的过滤和 传输 .它主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作 所需满足的要求。 BB层负责跳频和蓝牙数据及信 息帧的传输。IMP层负责连接的建立和拆除及链路 的安全和控制。它们为软件模块提供了不同的访问 入口 .但 2个模块接口之间的消息和数据传递必须 通过蓝牙主机控制器接口 （ HCI)的解释才能进行 . 即 HCI是蓝牙协议中软、硬件之间的接口

6、，它提供了 一个调用底层 BB，IMP.状态和控制寄存器等硬件 的统一命令接口。 HCI协议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完成，二 者之间通过传输层进行交互。 中间协议层包括逻辑链路控制和适配协议 (L2CAP )、服务发现协议 (SDP )、串口仿真协议 （ RF- CDMM)和电话通信协议 (TCS)。 L2CAP完成数据拆 装、服务质量控制和协议复用等功能 .是上层协议实 现的基础 .因此也是蓝牙协议栈的核心成分 。 SDP 为上层应用程序提供一种机制以发现网络中可用的 服务及其特性。 RFCDMM依据 ETSI标准 TS07. 10 在 L2CAP上仿

7、真 9针 RS-232串口的功能。 TCS提 供蓝牙设备间话音和数据的呼叫控制信令。 在蓝牙协议栈的最上部是高端应用层 .它对应 于各种应用模型的 profile.是总 profile的一部分。 点到点连接协议 PPP通过 RFCDMM完成点到点的 连接。TCP/UDP/IP这些协议标准用于网络通信。 对象交换协议 （ OBEX)使用客户服务器模式 .并独 立与传输硬件和传输 API实现简单可靠的自发对象 数据交换。 vCard和 vCalendar定义了电子商务卡和 个人帐户入口的格式。无线应用协议 (WAP)的目 标是将网络内容和电话服务传给数字移动电话和 其它无线终端。 WAE是 WAP

8、的应用环境。通过 AT-commands可使移动电话或调制解调器工作于多 用途模式。 3蓝牙安全机制 移动性和开放性使蓝牙系统的安全问题变得极 其重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已提供了 一定的安全保障 .但是蓝牙系统仍然需要链路层和 应用层的安全管理。在链路层中 .蓝牙系统提供了 认证、加密和密钥管理等功能。每个用户都有唯一 的标识码 （ PIN).它会被译成 128 bit的链路密钥 (Link Key)进行单双向认证 。一 旦认证完毕 .链路就 会以不同长度的密码 （ Encryption Key)加密（此密码 以8 bit为单位增减 .最大 128 bit)121。链路层安全 机制提

9、供了大量认证方案和一个灵活的加密方案 (即允许协商密码长度）。此外 .蓝牙系统也支持高 层协议栈不同应用体内特殊的安全机制。蓝牙 安全 机制依赖 PIN码在设备间建立信任关系 .一 旦这种 关系建立起来 .这些 PIN码就可存储在设备中以便 将来更便捷地连接。图 2显示了蓝牙系统的链路层 安全机制。 图 2蓝牙系统链路层安全机制 Fig. 2 The Bluetooth system link layer security mechanism 4相关技术的比较 目前应用的无线局域网技术主要有 Bluetoooth. IEEE 802.11和 HcrneRF 3 种 . 它 们 都 可 以 工

10、作 在 2.4 GHz频段上。 IEEE 802.11只规定了开放式系统 互联参考模型 (OSI/RM)的物理层和 MAC (媒体接入 控制）层。 MAC层利用载波监听多重访问 /冲突避 免 (CSMA/CA)协议 .而在物理层 IEEE 802. 11定义 了红外线、跳频扩谱方式 (FHSS )和直扩方式 (DSSS) 3 种不 同 的 物 理 介 质 。 IEEE 802. 11支持 1 11 Mbit/s较高的数据速率。为进行无线数据通信 .数 据设备先要安装无线网卡。另一种无线局域网技术 HcrneRF是专门为家庭用户设计的 .它利用跳频扩谱 方式 .通过家庭中的一台主机在移动数据与语

11、音设 备之间实现通信 .既可以通过时分复用支持语音通 信 .又能通过载波监听多重访问 /冲突避免协议提供 数据通信服务。同时 .HcrneRF提供了与 TCP/IP良 好的集成 .支持广播、多播和 48位 IP地址。 蓝牙技术与上 2种技术不同 .具有一整套全新 的协议 .可用于更多的场合。蓝牙技术中的跳频更 快 .它在接收或发送一个分组数据后 .即跳至另一频 点 .因而更加稳定；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。蓝牙协议是一个完整的综合协议 .

12、其应用 模式主要是将协议固化在芯片上 .内置于笔记本电 脑及其它需要连线的智能化设备中 .当然也可把无 线模块直接合成到蜂窝手机或其它设备内。其控制 利用设备本身的芯片 .应用方式相当便捷。再者 .由 于蓝牙技术独立于操作系统 .所以 .在各种操作系统 中均有良好的兼容性。蓝牙技术对各个商业操作系 统中的内嵌式支持正在发展中。 总之 .IEEE 802.11比较适用于办公室中的企业 无线网络 .HcrneRF可用于家庭中的移动数据和语音 设备与主机之间的通信 .而蓝牙技术则可用于任何 近距离可用无线方式取代电缆的场合。 5蓝牙技术应用前 景展望 蓝牙是一种以安全方式把众多移动设备连接起 来的网

13、络技术 .它有着无限的应用前景。蓝牙产品 采用跳频技术 .能够抗信号衰减 ;采用快跳频和短分 组技术 .能够有效地减少同频干扰 .提高通信的安全 性 ;采用前向纠错编码技术 .能在远距离通信时减少 随机噪声的干扰 ;采用 FM调制方式 .使设备变得更 为简单可靠。蓝牙技术支持一个异步数据通道或 3 个并发的同步语音通道 .或一个同时传送异步数据 和同步语音的通道 .并通过鉴权和加密等措施提高 通信的安全性。该技术不仅支持小范围内点到点 . 而且支持点到多点的无线网络信息传输 .以无线方 式将家庭或办公室中的各种数据和语音设备联成一 个微微网 （ Piconet);几个微微网还可以进一 步实现

14、互联 .形成一个分布式网络 （ Scattemet).在这些联接 设备之间实现快捷而方便的通信联系。蓝牙技术的 独特优点之一是不需要特意建立或激活 .可在任何 需要的时候开始工作。 目前 .不但不同类型数据网与计算机之间软件 不兼容已成为发展障碍 .而且开发的数据应用软件 大多为膝上计算机、家庭和办公室等固定环境中使 用 . 无线数据和无线网通信量的比例不到 5%。 Bluetooth能解决上述 2个问题 能推动固定和移动 2 个环境之间的软件开发。若再加上支持端有微软的 解决方案 .将会促进无线数据的发展。 蓝牙技术的应 用 .在不久的将来 .各种信息传输 设备、数字电子设备除电源线外将再无

15、其它连线；以 便携式计算机和掌上电脑为代表的信息产品将采用 无线方式与其它设备或网络连接 .形成可移动的办 公室 ;蓝牙较好的安全、保密特性将大大扩展电子商 务的功能；蓝牙芯片的微型化和低成本将为办公自 动化、家庭娱乐、电子商务、工程控制等领域开辟广 阔的应用前景。总之 .蓝牙技术的出现 .适时地满足 了普通消费者对无线网络和信息家电的需求。 同时 .蓝牙技术也为军事无线通信提供了新的 选择。蓝牙技术应用于军事设备的性能检测、故障 诊断等方面 .可省去复杂的设备连线 .有效地节省时 间 .尤其在战场环境下的设备检修 .无疑将产生重大 的军事效益。利用蓝牙技术组成战术级无线局域 网 .传输战场信

16、息、作战数据 .可实现快速的战场 通信。 目前 .蓝牙技术的应用还处于探索阶段 .随着蓝 牙技术的发展成熟 .必将开辟更广阔的应用空间。 参考文献： 1 Bluetooth Special Interest Group. Bluetooth protocol architecture version 1.0 S . 1999. 2 Bluetooth Special Interest Group. Bluetooth security architecture version 1.0 S . 1999. ( 责 任 编 辑 ： 苏 理 ) 作者简介： 王洪锋 （ 1977 ），男，黑龙江依兰人

17、，硕士研究生，主要 研究方向为导航制导与控制，信息融合与系统仿真； 贾志军 （ 1975 ），男，河北石家庄人，助教，主要研究方 向为导航制导与控制，全球定位技术； 王曙光 （ 1975 ），男，山东临沂人，硕士研究生，主要研 究方向为装备管理信息开发与知识发现，分布式软件系统； 吕艳梅 （ 1977 ），女，四川重庆人，硕士研究生，主要研 究方向为导航制导与控制，多传感器信息融合。 第一作者 E-mail:whf-520 Bluetooth Technology and Its Application Prospect WANG Hong- feng, JIA Zhi- jun, WANG

18、 Shu- guang, LU Yan-mei (Ordnance Engineering College, Shijiadiuang 050003, China) Abstract： It is urgent to develop wireless carmunication technolo to realize the fast carmunication among digital devices and get rid of link cables. The development of Bluetooth technology and the appearance of assoc

19、iated productions provide new opportunity for wireless ccmnunication technolcgy. Bluetooth technology be- ccrnes the focus for its low price, less ccnplexity and high reliability. The architecture of Bluetooth canmunica- tion protocol and its security mechanism are expounded, several wireless ccrnmu

20、nication methods are ccm- pared, and its application prospect is expected. Bluetooth technolcgy will have an extensive application along with its development. Key words: Bluetooth; wireless communication; carmunication protocol 水利电力机械 (双月刊 ） 水利电力机械 1979年创刊 国家电力公司主管 国内外公开发行。主要面向电力系统的管理部门、电 力（水电 ） 设计院、水利和电力工程施工单位、电力设备制造厂、火力发电厂、水电站及系统外机械行业和相关 高等院校。本刊已由中国期刊网、中国学术期刊 （ 光盘板 )、中国学术期刊综合评价数据库全文收录。 欢迎订阅 .欢迎投稿 .欢迎刊登广告 国内定价 :6元 /期 36元 /年 地址 :郑州市陇海中路 57号邮编 :450052电话 :0371 7423706 电子信箱 :s7423706 (ublic2 zz. ha cn Niihihttp； /W./abibzydy.htm