原创 蓝牙技术

1 蓝牙的由来

    蓝牙以公元10世纪统一丹麦和瑞典的一位斯堪的纳维亚国王的名字命名。蓝牙技术孕育着颇为神奇的前景：对手机而言，与耳机之间不再需要连线；在个人计算机，主机与键盘、显示器和打印机之间可以摆脱纷乱的连线；在更大范围内，电冰箱、微波炉和其它家用电器可以与计算机网络的连接，实现智能化操作。

    发明蓝牙技术的是瑞典电信巨人爱立信公司。由于这种技术具有十分可喜的应用前景，1998年5月，5家世界顶级通信/计算机公司：爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔经过磋商，联合成立了蓝牙共同利益集团（Bluetooth SIG），目的是加速其开发、推广和应用。此项无线通信技术公布后，便迅速得到了包括摩托罗拉、3Com、朗讯、西门子等一大批公司的一致拥护，至今加盟蓝牙SIG的公司已达到2000多个，其中包括许多世界最著名的计算机、通信以及消费电子产品领域的企业，甚至还有汽车与照相机的制造商和生产厂家。一项公开的技术规范能够得到工业界如此广泛的关注和支持，这说明基于此项蓝牙技术的产品将具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。蓝牙共同利益集团现已改称蓝牙推广集团。

2 蓝牙的概念

    所谓蓝牙（Bluetooth）技术，实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。说得通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。“蓝牙”技术属于一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案因此，目前无线通信的“蓝牙”刚刚露出一点芽尖，却已经引起了全球通信业界和广大用户的密切关注。

3 蓝牙的技术内容

    蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高为1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10m左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。

    蓝牙产品采用的是跳频技术，能够抗信号衰落；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，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用2.4GHz的ISM（即工业、科学、医学）频段，以省去申请专用许可证的麻烦；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠。蓝牙技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙；蓝牙技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。蓝牙的每一个话音通道支持64Kb/s的同步话音，异步通道支持的最大速率为721Kb/s、反向应答速率为57.6Kb/s的非对称连接，或者432.6Kb/s的对称连接。

    蓝牙技术产品与因特网之间的通信，使得家庭和办公室的设备不需要电缆也能够实现互通互联，大大提高办公和通信效率。因此，蓝牙将成为无线通信领域的新宠儿，将为广大用户提供极大的方便而受到青睐。

4 蓝牙的未来

    虽然蓝牙具有广阔的市场。但蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。根据蓝牙的定位，蓝牙应该通过一个体积小、成本低、功耗小、跳速快的单芯片来实现，只有低廉的价格才能在现有的通信产品、家电产品和办公产品中引入蓝牙技术。目前真正基于蓝牙的特性的应用还很少，这也成为影响蓝牙市场发展的重要因素。

    据国际开发中心（IDC）统计，2004年，蓝牙在美国将被嵌入到102万台设备内，在全世界将被嵌入到449万台设备内；到2006年其市场规模达到7亿美元。

    蓝牙技术在电信业、计算机业、家电业有着极其广阔和诱人的应用前景，它也将对未来的无线移动数据通信业务产生巨大的推动作用。但是仍然有大量的应用技术细节问题需要解决，例如，为了防止语音和数据信息误传或被截收，用户必须事先为自己应用的各种设备设定某个共同的频率；蓝牙标准还无法解决硬件兼容性；蓝牙标准本身能否解决好安全问题。

    蓝牙的技术特点是促进蓝牙市场成熟的关键。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性标准，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。如果把蓝牙技术引入到现代通信等数字通信等数字设备工具中，就可以去掉令人讨厌的连接电缆。蓝牙技术还具有Plonk and Play的概念，有点类似“即插即用”的概念，任意蓝牙技术设备一旦搜寻到另一个蓝牙技术设备，马上就可以建立联系，而无须用户进行任何设置，可以解释成“即插即用”。这在无线电非常嘈杂的环境下，它的优势就更加明显了。

   蓝牙技术的另一大优势是它应用了全球统一的频率设定，这就消除了“国界”障碍，而在峰窝式移动电话领域，这个障碍已经困扰用户多年。这将进一步刺激市场的成长。

    目前，蓝牙的初期产品已经问世，一些芯片厂商已经开始着手改进具有蓝牙功能的芯片。与此同时，一些颇具实力的软件公司或者推出自己的协议和软件，或者与芯片厂商合作推出蓝牙技术实现的具体方案。尽管如此，蓝牙的未来还决定于以下几个方面。

（1）标准。不同的版本不能兼容，从而造成了现在蓝牙市场上有几大标准共存却各自为政的现象。事实上，蓝牙标准的不统一竟然是由于蓝牙一贯被标榜为公开、开放的协议。其标准和规格制定也采用在SIG体系内公开讨论的方式进行，导致标准制定很费时，往往需要一年左右的时间才能完成一项新的标准或者规格，常常落后于市场需求。

     首先要降低成本；其次要实现方便、实用，并真正给人们带来实惠和好处；第三要安全、稳定、可靠地进行工作；第四要尽快出台一个有权威的国际标准。一旦上述问题被解决，蓝牙将迅速改变人们的生活与工作方式，并大大提高人们的生活质量。

（2）蓝牙产品过高的价格。蓝牙产品普及的最大阻力目前是来自于芯片组的价格问题。由于主要厂商的支持力度不够，还有太高的认证成本。目前市面推出的蓝牙芯片的最低价是8美元，而根据估算，理想的芯片组价格应该在5美元以下，但是何时能够实现这个价位，目前仍然是个未知数，专家们也纷纷谈到蓝牙技术的大规模商用依然有待时日，成本问题成为介入蓝牙市场扩大的障碍。

（3）其他的无线技术发展迅速。如工作在2.4GHz频段的802.11b无线局域网络标准目前正引起了业界的普遍关注，主要是因为802.11b是较成熟的无线技术，它已有统一的标准。与蓝牙技术相比较，IEEE802.11系统在开发和制造方面占据优势，并具备更高的数据传输率。红外线传输再加上电力线局域网络又是一个有着巨大生命力的无线系统。超宽带（UWB，Ultra-Wideband）的短距离通信技术标准现在开始对蓝牙的传统领域提出了挑战。

    可以预见，未来的信息家电将是以因特网和家庭网络为基础，能以无线连接实现双向传输，蓝牙技术是符合信息家电发展趋势的优选技术。蓝牙技术将会给信息社会中人们工作和生活方式带来一场新的革命。在不久的未来，基于蓝牙技术的产品将会形成 一个新的浪潮，势不可挡地席卷全球。而它的发展前景将同计算机、互联网一样融入人们生活的每一个角落。

5 蓝牙技术面临的问题

    目前，蓝牙的应用还不够广泛和普及，价格是一方面，缺乏统一标准也延缓了这种技术的应用。除技术因素外，还有多方面原因。

    在技术方面，使用蓝牙技术的产品，由于历史和技术的原因，各自采用的CPU、操作系统、通信协议可能差别很大。协议在基于某一特定的操作系统（如Windows），开发出来后用于某一专用设备（如PDA、移动电话）时，由于这些设备使用的操作系统不是开发时基于的操作系统，必须做操作系统移植，经过移植的协议栈应当保持原有的稳定性和效率。

     互操作性是蓝牙产品的重要特性。理论上只要通过了产品的一致性和互连性测试，互操作性问题就可以得到解决。目前蓝牙协议许多互连测试规范尚未推出；即使推出了，其测试的完备性有个过程。国际SIG对蓝牙互操作非常重视，因为它涉及产品的进一步应用，各大公司不断沟通、测试、实验，目的是使其产品相互可操作。

    分析制约蓝牙技术发展的因素，蓝牙芯片价格是一个大问题。从技术角度看，芯片集成了无线、基带和链路管理层的功能。最关键的问题是还没有足够激动人心的应用软件来使用户跨越价格的心理线。另外，蓝牙模块生产存在两个技术问题：一是决定模块小型化的安装技术；二是包含天线在内的最佳设计。关于天线的设计及装于何处也是个大问题，如果设备框体和内部构造不同，天线的特性也将有巨大变化。再有，全面测试难也制约了蓝牙产品的推广，对通信产品完成一致性测试、互连测试和性能测试至关重要。但目前蓝牙特殊兴趣小组推出的测试规范中，对状态转移和数据输出的覆盖率都非常小，即便按这些规范完成了软硬件的测试，也难确保蓝牙产品的正确性。最关键一点是另一项类似的通信协议的崛起硬生生地从蓝牙口中抢走了大量的客户，那就是无线局域网络标准802.11b协议，它使PC在对等的基础上互联（或用集线器和Internet网关相联）。802.11b和802.11a只是其中的两个扩展标准。802.11a工作在5GHz频段，传输速率高达54Mb/s，而802.11b在2.4GHz频段，适合家居环境。802.11b标准引起业界的关注，是因为802.11b是较成熟的已有统一标准的无线技术。

    无线局域网使用无执照频段，可使用户连接到因特网，它已经进入美国的办公室、饭店、咖啡厅和候机室等。膝上型电脑用户只需插进一张PCMCIA卡或USB卡，便可通过无线局域网连到因特网而无需寻找免费的电话插口。

    除技术因素之外，还有个安全问题（包括信息和生态安全）。信息安全问题更多地是在软件协议栈中加以强调。OEM商希望知道说明特殊应用（如商务、国防等）中的安全要求，以便由软件工程师去解决它。生态安全问题是指当蓝牙设备靠近人体时是否带来危害，但到目前为止研究一直不能证明是否真有危害。蓝牙使用和微波炉一样的频率范围，是否会带来不良的后果，目前也尚无定论。

    从目前的情况看，对蓝牙前景我们很难作出判断，不过，计算机行业、移动通信行业和家电行业都十分青睐蓝牙技术，认为蓝牙技术将对未来的无线移动数据通信业务产生巨大的促进作用。蓝牙技术持续发展的最终形态脱离了以手机为核心的发展构架，在各类PC周边产品之间以蓝牙技术传输资料的应用正在同步进行，而不是围绕在手机的架构下打转。

6 蓝牙系统组成

    蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元4个功能单元组成。

6.1 天线单元

    要求体积十分小巧、质量轻，属于微带天线空中接口，是建立在天线电平为0dB的基础上的，遵循FCC有关电平为0dB的ISM频段的标准。

6.2 链路控制（固件）单元

    链路控制单元使用了3个IC 分别作为连接控制、基带处理器以及射频传输接收器，此外，还使用了30个~50个单独调谐元件。

    基带链路控制器负责处理基带协议和其他一些低层常规协议，有3种纠错方案：1/3比例前向纠错（FEC）码、2/3比例前向纠错码、数据的自动请求重发（ARQ）方案。采用FEC方案的目的是为了减少数据重发的次数，降低数据传输负载，但是，会降低数据的传送效率。

6.3 链路管理（软件）单元

    链路管理LM软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件和其他一些协议。LM能够发现远端LM并通过LMP（链路管理协议）与之通信。LM模块提供如下服务：发送和接收数据、请求名称、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建立、决定帧的类型。

    控制设备的工作状态即呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）3种模式。将设备设为呼吸模式，Master（主机）只能有规律地在特定的时隙发送数据，Slave降低了从Pliocenet“收听”消息的速率，“呼吸”间隔可以根据应用要求做适当调整。将设备设为Hold模式，Master可把Slave置为Hold模式，只有一个内部计数器在工作，Slave也可主动要求置为Hold模式，一旦处于Hold模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始，Hold模式一般被用于连接好几个Pliocenet的情况或者低能耗设备。在Park模式下，设备依然与Pliocenet同步但没有数据传送，工作在Park模式下的设备放弃了MAC地址，收听Master的消息并恢复同步，检查广播消息。

    连接类型定义了哪种类型的数据包能在特别连接中使用，蓝牙基带技术支持两种连接类型：同步定向连接SCO（Synchronous Connection Oriented）类型，主要用于传送话音；异步无连接ACL（Asynchronous Connectionless）类型，主要用于传送数据包。

    蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。鉴权基于“请求—响应”运算法则。鉴权是蓝牙系统中的关键部分，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。

    加密被用来保护连接的个人信息。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。

（4）软件（协议栈）单元

     蓝牙的软件单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑，须符合相应的规范。蓝牙规范是为个人区域内的无线通信而制定的协议，它包括两部分：第一部分为核心（Core）部分，用以规定诸如射频、基带、连接管理、业务搜寻、传输层以及与不同通信协议间的互用、互操作性等组件；第二部分为协议子集（Profile）部分，用以规定不同蓝牙应用（也称使用模式）所需的协议和过程。

7 蓝牙技术的协议分层结构

    蓝牙规范的协议栈采用分层结构，分别完成：数据流过滤和传输，跳频和数据帧传输，连接建立和释放，链路的控制，数据拆装，业务质量，协议复用和分用等功能。设计协议栈，特别是高层协议时的原则是：最大限度地重用现存的协议而且其高层应用协议都使用公共的数据链路和物理层。

    蓝牙协议可以分为4层，即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其他协议层。协议栈中还有主机控制接口（HCI）和音频（Audio）接口，HCI是到基带控制器、链路管理器以及访问硬件状态和控制寄存器的命令接口。利用音频接口，可以在一个或多个蓝牙设备之间传递音频数据，该接口与基带直接相连。

8 蓝牙技术与无线局域网

    IEEE802.11标准主要用于办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线数据存储接入业务，其最高速率为2Mb/s。为了满足人们对传输距离和传输速率的要求，IEEE小组又推出了IEEE802.11和IEEE802.11b两个标准，差别在于MAC子层和物理层。

8.1 二者的共同点

从形式上看，蓝牙和采用IEEE802.11的无线局域网络WLAN很相似：

   （1）工作在2.4GHz频段上；

   （2）支持移动联网，用户可以灵活地移动计算设备的位置，保持持续的网络连接；

   （3）不需要使用物理线路，安装非常简便；

   （4）高频率无线电波有穿透性，网络设备可以在有效范围内任意放置；

   （5）多层安全防护措施可以充分确保用户隐私；

   （6）改动网络结构或布局时不需要对网络进行重新设置。

8.2 二者的区别

   （1）蓝牙的覆盖范围小，性能相对较低，通过应用通信协定与其他设备相连；

   （2）IEEE802.11b标准的传输速率最高为11Mb/s，范围为50m，可涵盖整层楼和政企办公室，它通过一个底层的传输协定来连接；

   （3）蓝牙通信模块与802.11相比，耗电低、成本便宜，通信时的操作也简单；

   （4）与无线LAN不同，对方可为手机、数码相机等多种设备；

   （5）蓝牙无需布设专用线缆和连接器，通过蓝牙遥控装置可以形成一点到多点的连接，即在该装置周围组成一个“微网”，无需复杂的软件支持；

   （6）蓝牙技术有一整套协议，可以应用于更多场合，蓝牙跳频更快，因而更稳定，同时还具有功耗更低和更灵活等特点，而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层，提供比蓝牙更高的传输速率且WLAN只支持数据通信；

   （7）WLAN研发与生产成本的降低速度比较快，以802.11技术为规格的相关产品，几乎每年都以30%的速度降低成本，而蓝牙SIG在2005年，蓝牙芯片降低到5美元，但目前IEEE802.11更具竞争力。

  （8）在技术标准方面，蓝牙协会于1999年7月推出Bluetooth1.0标准，其规范完全开放，蓝牙IEEE802.15是一项最新标准，对于IEEE802.11来说，它的出现不是为了竞争而是相互补充，蓝牙比IEEE802.11更具移动性，而且成本低、体积小，可用于更多的设备，如IEEE802.11限制在办公室和校园内，蓝牙能把一个设备连接到LAN和WAN，甚至支持全球漫游。

    总的来讲，蓝牙被设计成低功耗、短距离、低带宽的应用，严格来讲不算真正的局域网技术；而IEEE802.11比较适合于办公室中的企业无线网络，蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合。目前这些技术还处于并存状态，从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们将走向融合。

9 蓝牙技术的实现方式

    蓝牙技术的具体实施依赖于应用软件、蓝牙存储栈、硬件/固件以及天线4个主要部分。蓝牙技术适用于任何数据、图像、声音等短距离通信场合。替换蜂窝电话和远端网络之间的通信时所用的有线电缆，提供新的多功能耳机，从而在PC、蜂窝电话、随身听中共用。笔记本电脑、PDA、蜂窝电话之间的名片数据交换协议可以固化为一个芯片，可安置于各种各样的智能端中。多家企业推出蓝牙芯片、蓝牙平台、应用程序、测试设备等产品。

    蓝牙技术的初衷是无线互连小型移动设备及其外设，使它们之间的连接变得简单、容易。它的市场目标是移动笔记本电脑、移动电话、小型的PDA及其外设。最普通的应用是替代PC机与外设的连接电缆，以及无线互连PDA、移动电话以及PC机等，尤其是笔记本电脑与数字移动电话利用蓝牙技术的互相连接，大大扩展了其各自的应用领域。意外的是各种电子产品甚至家电产品也集成了蓝牙技术。

    SIG规范了蓝牙的各种应用模式，每一种应用模式对应一个“Profile”，规范了相应模式功能和使用的协议。不同厂商产品只要遵循同样的“Profile”，相互之间就能够互通。

蓝牙技术的实现主要有以下几种：

（1）对讲机

    未来采用蓝牙技术的移动电话将是“三合一”，即移动电话、无绳电话、对讲机3种功能于一身。两个蓝牙设备之间在近距离内可以建立直接语音通路，比如两个蜂窝电话用户之间，通过蓝牙连接可以直接进行对话，这样移动电话就可以当对讲机用。

（2）无绳电话

    内置蓝牙芯片的移动电话，在室内可以用做无绳电话，通过无绳电话基站接入PSTN进行语音传输，从而不必支付昂贵的移动通话费用，当然在室外或途中仍作为移动电话使用。这种应用模式定义了两种设备角色：网关和终端。网关作为外部网络的终点，处理所有接入此网络的通信；对于外部呼叫，网关是处理所有到达或来自外部网络的呼叫建立请求中心。

（3）头戴式耳机

    采用蓝牙技术的头戴式耳机作为移动电话、个人计算机等的语音输入、输出接口，能够在保持私人通话的同时，使用户摆脱电缆束缚而有更大活动自由。这种头戴式耳机必须能够发送AT命令并能够接收相应编码信号，使用户不用手动就能完成摘机、挂机等操作。

（4）拨号网络

    采用蓝牙技术的移动电话、Modem等设备，能够用做“Internet网桥”，例如这种移动电话可作为无线Modem供计算机访问拨号网络服务器使用，或者计算机通过这种移动电话或Modem接收数据。此时，移动电话与Modem充当网关角色，提供到公共网络的接入，而台式计算机或笔记本电脑则作为数据终端，使用网关所提供的服务。

（5）传真

    采用蓝牙无线技术的移动电话或Modem，可以用作计算机传真Modem，以发送和接收传真信息，此时它们被称为“广域网数据接入点”。与拨号网络应用模式相同，通常移动电话或Modem作为网关，笔记本电脑或台式机作为数据终端。网关提供传真服务，数据终端使用这种服务，两者之间没有固定的主从关系，但一般建立链路都由数据终端发起。

（6）局域网接入

    在这种应用模式下，多个数据终端使用同一个局域网接入点（LAP），以无线接入方式访问局域网，一旦连接成功，数据终端将能够访问局域网所提供的一切服务，就好像是通过拨号网络连接到该局域网一样。两个蓝牙设备之间也可以直接通信，类似于用一根电缆把两个PC机连接起来。

（7）文件传输

    蓝牙设备之间可以传送数据对象，这些设备可以是个人计算机、智能电话或者是PDA；数据对象可以是各种文件。用户可以浏览远端设备上文件夹内容，可以新建或删除文件夹、整个文件夹、目录或流媒体格式都可以在设备间传送。

    这种应用模式定义了两种设备角色，即客户与服务器。客户可以从服务器下载或向服务器上传文件；服务器是使用OBEX文件夹列表格式的远端蓝牙设备，它支持目标交换服务以及文件夹浏览功能，在服务器端，可以设置客户有无修改，创建文件夹/文件的权限。

（8）目标上传

    使用目标上传功能的设备主要是笔记本电脑、PDA和移动电话。一个蓝牙设备可以将目标上传到另一个蓝牙设备收件箱。其中“目标”可以是商业卡或者是某种委任（Appointment）等。同样，一个蓝牙设备也可以从另一个蓝牙设备下载商业卡，两个蓝牙设备之间可以相互交换商业卡，此时往往先进行上传再进行下载。这种应用模式定义了两种设备角色：上传服务器和上传客户。上传服务器提供目标交换服务，上传客户向上传服务器上传或上传服务器下载目标。

（9）数据同步

    蓝牙设备非常巧妙的一种功能是发送信息到关掉的或者工作在休眠模式下的另一个蓝牙设备。比如，当蜂窝电话接收到一条消息时，它可以把这条消息发送到笔记本电脑，即使后者被放在包中且没有开机。蓝牙技术可以进行不同设备间数据同步，以保证用户在任何时间、选择任何设备都能得到最新的消息。

    使用蓝牙技术，不同设备之间可以保持PIM（Personal Information Management）信息同步。这些信息通常包括电话本、日历、消息以及备忘录等。它们使用共同的协议和格式进行传送，此外，当移动电话或者PDA靠近笔记本电脑时，将自动与笔记本电脑进行同步。