藍牙技術(shù)
藍牙基帶協(xié)議原理
藍牙技術(shù)主要原理綜述
人們使用的電子設(shè)備越來越多，隨著電子設(shè)備間信息交換的增多，電纜的連接纏繞也變得非常雜亂。為了省去電纜，簡化設(shè)備間的連接，需要設(shè)計一種技術(shù)除去“最后”的連接。
1994年，瑞典愛立信公司移動通信部在一項被稱為“多通信鏈路(Multi-Communicator Link)”MC Link的課題研究中，工程師們發(fā)現(xiàn)了不經(jīng)許可就可以使用的低頻無線波段，研制了一種小的無線收發(fā)器芯片，使用無線電射頻技術(shù)實現(xiàn)了移動電話與周圍器件之間低成本、低功耗的無線互連，他們將這種互連的技術(shù)規(guī)范命名為藍牙（Bluetooth）。
一、藍牙的概念
藍牙（Bluetooth）技術(shù)，實際上是一種短距離無線通信技術(shù)。利用“藍牙”技術(shù)，能夠有效地簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話手機等移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化這些設(shè)備與Internet的通信，使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。
藍牙技術(shù)具有以下明顯的技術(shù)特性：能同時傳送語音和數(shù)據(jù)；使用全球通用的頻段；低成本、低功耗和低輻射；能應(yīng)用于各種電子設(shè)備；具有網(wǎng)絡(luò)特性等。
二、藍牙設(shè)備結(jié)構(gòu)
原理是把一塊小且功耗低的無線電收發(fā)芯片嵌入到傳統(tǒng)電子設(shè)備中。藍牙芯片包括無線電收發(fā)器和鏈路控制器(LC)。無線收發(fā)器是藍牙設(shè)備的核心，使用的無線電頻段在ISM2.4GHZ到2.48GHZ之間。控制連接包括兩部分：軟件連接——鏈路管理器(LM)和硬件——鏈路控制器(LC)。LM執(zhí)行鏈路設(shè)置、監(jiān)權(quán)、配置；負責(zé)連接、建立和拆除鏈路并進行安全控制。LC實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接受。邏輯LC和適應(yīng)協(xié)議具有完成數(shù)據(jù)拆裝、控制服務(wù)質(zhì)量和復(fù)用協(xié)議的功能，該層協(xié)議是其它各層協(xié)議實現(xiàn)的基礎(chǔ)。圖1顯示了無線收發(fā)器的主要操作和功能。藍牙鏈路控制器執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關(guān)的處理過程。圖1也概括了基帶的主要功能，負責(zé)跳頻以及藍牙數(shù)據(jù)和信息幀的傳輸。
三、藍牙基帶層協(xié)議體系
1、藍牙跳頻技術(shù)
跳頻技術(shù)是物理信道內(nèi)的每個時隙上所發(fā)送的數(shù)據(jù)，不斷地從一個頻道跳到另一個頻道。主設(shè)備與從設(shè)備會根據(jù)彼此間相同的跳頻序列，從當前頻道跳到下一個頻道。跳頻序列決定于主設(shè)備內(nèi)48位的BD_ADDR（藍牙設(shè)備地址）地址。
2、藍牙設(shè)備地址
藍牙設(shè)備內(nèi)有一個惟一的48位BD_ADDR(Bluetooth Device Address藍牙設(shè)備地址)地址。這個地址可以說是藍牙技術(shù)的運算核心，幾乎所有負責(zé)藍牙系統(tǒng)正常工作的控制參數(shù)，如跳頻序列、頻道訪問碼、加密密鑰都由此地址求得。設(shè)備涉及的地址尚有，AM_ADDR(Active Member Address)活動成員地址，PM_ADDR(Parked Member Address)守候成員地址，AR_ADDR(Access Request Address)訪問請求地址。
3、藍牙數(shù)據(jù)傳輸類型
藍牙技術(shù)可同時發(fā)送語音和數(shù)據(jù)，因為藍牙技術(shù)支持電路交換和包交換兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。在藍牙技術(shù)標準中電路交換的傳輸稱為SCO鏈路、包交換的傳輸稱為ACL鏈路。
SCO鏈路面向連接的同步傳輸（Synchronous Connection-Oriented,SCO）鏈路屬于電路交換的同步傳輸類型。電路交換是指，當主設(shè)備與從設(shè)備一旦建立連接后，不管有無數(shù)據(jù)發(fā)送，系統(tǒng)都會給主設(shè)備與從設(shè)備預(yù)留固定間隔的時隙，其他從設(shè)備則不能利用此連接上的時隙來發(fā)送數(shù)據(jù)。SCO屬于點對點的對稱連接，即連接建立在一個主設(shè)備和一個從設(shè)備之間。SCO比較適合語音的傳輸。
ACL鏈路無連接的異步傳輸（Asychronous Connection-Less,ACL）鏈路屬于包交換的異步傳輸類型。包交換是將高層的數(shù)據(jù)切割成一段段包進行交換。ACL鏈路可以占用任意時隙來傳輸數(shù)據(jù)，但它只能在SCO鏈路不使用的時隙上傳輸。ACL鏈路適合傳輸突發(fā)性的數(shù)據(jù)信息，其主設(shè)備可以同時和多個從設(shè)備建立ACL鏈路，屬于點對多點的非對稱連接。
4、藍牙微微網(wǎng)和散射網(wǎng)
兩個藍牙設(shè)備建立連接后，形成了微微網(wǎng)的個人區(qū)域。每個微微網(wǎng)有且只有一個主設(shè)備，同時有一個或多個從設(shè)備，它們可以互相轉(zhuǎn)換角色。每個微微網(wǎng)只能有7個活躍的從設(shè)備，因為在Active狀態(tài)下，主設(shè)備分配給每個連接的從設(shè)備一個活動的成員地址AM_ADDR，主設(shè)備通過這個地址來辨別微微網(wǎng)中不同的從設(shè)備。AM_ADDR由3bits組成，所以在一個微微網(wǎng)中最多只能有8個設(shè)備。換言之，最多有7個從設(shè)備處于活動態(tài)。每個微微網(wǎng)最多有255個休眠的從設(shè)備。因為從Active狀態(tài)進入Park狀態(tài)的藍牙設(shè)備將得到一個PM_ADDR地址，PM_ADDR由8bits組成，所以最多可容納256個Park狀態(tài)的藍牙設(shè)備。微微網(wǎng)包含一個共享的信道，其成員通過這個信道進行通信。這個信道由一個明確的跳頻序列組成，微微網(wǎng)的成員以同步的方式跟蹤跳頻序列，跳頻序列由主設(shè)備來控制。圖2就是一個微網(wǎng)的設(shè)備連接圖。
為了連接8個以上的活躍的設(shè)備，必須建立多個微網(wǎng)，然后連接每個微網(wǎng)的主設(shè)備，這個聯(lián)合結(jié)構(gòu)就是散射網(wǎng)。散射網(wǎng)在空間和時間上交疊。一個微網(wǎng)中的從設(shè)備可以是多個微網(wǎng)的從設(shè)備，也可以是另一個微網(wǎng)的主設(shè)備，這樣就使微網(wǎng)之間通信成為可能。因為只有79個頻點，所以一個散射網(wǎng)最多只有10個微網(wǎng)。圖３是三個微網(wǎng)構(gòu)成的一個散射網(wǎng)的示意圖。
5、藍牙設(shè)備的工作狀態(tài)
藍牙設(shè)備在不同的場合下，有不同的工作狀態(tài)。工作狀態(tài)主要有兩種：連接狀態(tài)（Connection State）和等待狀態(tài)（Standby State）。當與其他設(shè)備互相連接時，稱為連接狀態(tài)，此時主設(shè)備和從設(shè)備使用相同的通道訪問碼與相同的跳頻序列，能夠互相通信。當不與其他的設(shè)備互相作用時，稱等待狀態(tài)，此時設(shè)備以內(nèi)定的系統(tǒng)時序CLKN運行，消耗的功率非常低。當設(shè)備從等待狀態(tài)進入連接狀態(tài)前，設(shè)備需要進行一連串的信號查詢與呼叫程序。進行查詢和呼叫的狀態(tài)稱為中間狀態(tài)。圖4顯示了三個狀態(tài)間的切換。
（1）藍牙設(shè)備連接狀態(tài)：
為了節(jié)省功率消耗以及減少對其他用戶的干擾，從設(shè)備長時間不傳輸數(shù)據(jù)，當希望與主從網(wǎng)絡(luò)中的主設(shè)備連接時，從設(shè)備可以選擇進入不同狀態(tài)的連接狀態(tài)。
活動（Active）狀態(tài)下，從設(shè)備基本上一直在監(jiān)聽來自主控設(shè)備的發(fā)射信號。Active狀態(tài)下從設(shè)備具有AM_ADDR地址以及與主從網(wǎng)絡(luò)相同的跳頻序列。由于Active狀態(tài)一直在接收分組，并隨時準備發(fā)送分組，因此這個狀態(tài)能夠提供最快的響應(yīng)。但是消耗的功率也是最多。
呼吸（Sniff）狀態(tài)下從設(shè)備是周期地被激活。主控設(shè)備以一定的時間間隔定期地給從設(shè)備發(fā)送分組，從設(shè)備只需要在這些時間間隔內(nèi)接收主設(shè)備送來的信號，但是從設(shè)備仍然保有AM_ADDR及與主從網(wǎng)絡(luò)相同的跳頻序列。與Active相比，Sniff模式消耗功率較低，響應(yīng)較慢。
保持（Hold）狀態(tài)下，從設(shè)備在一個規(guī)定的時間間隔內(nèi)徹底停止監(jiān)聽分組，這個時間間隔由主設(shè)備與從設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用程序共同協(xié)議決定，當超過該持續(xù)時間后從設(shè)備將恢復(fù)原來的模式。Hold模式下，從設(shè)備將暫時停止支持ACL鏈路，但是仍支持SCO鏈路，所以從設(shè)備仍然保有AM_ADDR地址及與主從網(wǎng)絡(luò)有相同的跳頻序列。Hold模式下的響應(yīng)可能比Sniff模式更慢，但可以節(jié)省更多的功率。
休眠（Park）狀態(tài)下，從設(shè)備保持與主控設(shè)備的跳頻序列同步，但不是活動的（處于Active、Sniff和Hold模式的從設(shè)備被認為是活動的）。Park模式下從設(shè)備將丟棄AM_ADDR地址并從主設(shè)備得到PM_ADDR與AR_ADDR地址。在主從網(wǎng)絡(luò)中Park模式的從設(shè)備都有一個特定的PM_ADDR地址，但是AR_ADDR可能與其他的從設(shè)備相同。當主設(shè)備希望喚醒某個處于Park狀態(tài)的從設(shè)備時，就在廣播頻道BC上發(fā)送從設(shè)備的PM_ADDR地址，并同時指定從設(shè)備稱為Active狀態(tài)后的AM_ADDR地址。經(jīng)過廣播頻道BC，主設(shè)備能夠同時喚醒多個處于Park狀態(tài)的從設(shè)備。當從設(shè)備要從Park狀態(tài)恢復(fù)到Active狀態(tài)時，也是在廣播頻道BC上，以AR_ADDR地址向主設(shè)備請求，主設(shè)備收到后，發(fā)送控制信號以喚醒從設(shè)備的Park狀態(tài)。
（2）藍牙設(shè)備中間狀態(tài)：
當主設(shè)備不知道周圍是否存在從設(shè)備時，就必須以查詢狀態(tài)來得到周圍所有從設(shè)備的BD_ADDR地址與內(nèi)部時序，然后進入呼叫狀態(tài)與從設(shè)備互相連接。若主設(shè)備已經(jīng)知道要連接的從設(shè)備時，可直接進入呼叫狀態(tài)與該從設(shè)備進行連接。圖5給出了主從設(shè)備間建立連接的過程。
圖中，步驟1-3設(shè)備進入查詢狀態(tài)；步驟4-5從設(shè)備收到查詢信號后，進入查詢回應(yīng)狀態(tài)，結(jié)束后，主設(shè)備已經(jīng)得到從設(shè)備響應(yīng)的FHS包，包括了從設(shè)備的BD_ADDR地址、內(nèi)部時序以及設(shè)備種類；步驟6-7主設(shè)備進入呼叫狀態(tài)，與特定的從設(shè)備建立連接，但是此時主從設(shè)備的時序并沒有同步；步驟8-10從設(shè)備接收到呼叫信號后進入呼叫回應(yīng)狀態(tài)，返回ID包作為響應(yīng)；步驟10-13主設(shè)備收到ID包后進入主設(shè)備回應(yīng)狀態(tài)，再發(fā)送一個FHS包，告知主設(shè)備的BD_ADDR地址、連接成員地址等信息，從設(shè)備收到后返回一個ID包，主從設(shè)備間的連接建立成功，兩者都進入連接狀態(tài)。
總結(jié)
藍牙技術(shù)的應(yīng)用范圍相當廣泛，目前已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域，如局域網(wǎng)中各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備：PC、撥號網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、打印機、傳真機、數(shù)碼相機、移動電話和高品質(zhì)耳機等。藍牙的無線通訊方式將上述設(shè)備連成一個微微網(wǎng)（Piconet），多個微微網(wǎng)之間可以進行互連接，各類設(shè)備之間可以隨時隨地進行通信。
藍牙的發(fā)展不是一個行業(yè)的發(fā)展，而是多個行業(yè)共同的發(fā)展，需要各個行業(yè)的推進才能有更長遠的發(fā)展。隨著時代的發(fā)展，技術(shù)的提升，藍牙技術(shù)的發(fā)展有著美好的前景，藍牙將對我們的生活和工作產(chǎn)生重大的影響。
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