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蓝牙技术及其系统原理


《电信技术》 2000 年第 9 期

新技术与新业务

蓝牙技术及其系统原理
湖北移动通信公司 武汉大学电信学院
“蓝牙” (Bluetooth) 技术是由世界著名的 5 家 大公司 —— — 爱立信 ( Ericsson) 、诺基亚 ( Nokia) 、 东芝 ( T oshiba) 、国际商用机器公司 ( I )

和英特 BM 尔 ( Intel )
, 于 1998 年 5 月联合宣布的一种无线通

刘海文 石振华

微芯片中 。 “蓝牙”技术的作用是简化小型网络设备 ( 如移 动 PC、掌上电脑 、手机) 之间以及这些设备与 Inter2
net 之间的通信 , 免除在无绳电话或移动电话 、调制

信新技术 。它是针对目前相距很近的便携式器件之 间的链接主要是用红外线链路 ( infrared link , 简称
IrDA) 进行而提出的 。应用红外线收发器链接虽然

解调器 、头套式送 / 受话器 、PDAs 、计算机 、打印 机 、幻灯机 、局域网等之间加装电线 、电缆和连接 器 。而且 , 这种技术可以延伸到那些完全不同的新设 备和新应用中去 。例如 , 如果把蓝牙技术引入到移动

能免去电线或电缆的连接 , 但是使用起来有许多不 便 , 不仅距离只限于 1~ 2m , 而且必须在视线上直 接对准 , 中间不能有任何阻挡 ,同时只限于在两个设 备之间进行链接 , 不能同时链接更多的设备 。另一 方面 , 人们对无线电通信技术很熟悉 , 无线电技术 能实现远距离的通信 , 可以实现卫星通信以至宇宙 太空的通信 。但人们也许没有注意到 , 在同一间屋 内或在相距咫尺的地方 , 无线电也能发挥巨大的作 用 。“蓝牙”技术的目的是使特定的移动电话 、便 携式电脑以及各种便携式通信设备的主机之间在近 距离内实现无缝的资源共享 。

电话和膝上型电脑中 , 就可以去掉移动电话与膝上型 电脑之间的令人讨厌的连接电缆而通过无线使其建立 游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙 系统的一部分 。除此之外 , 蓝牙无线技术还为已存在 网络的个人特别连接设备群 。 的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定

通信 。打印机 、PDA 、桌上型电脑 、传真机 、键盘 、

“蓝牙”技术的无线电收发器的链接距离可达

30 英尺 , 不限制在直线范围内 , 甚至设备不在同一

间房内也能相互链接 ; 并且可以链接多个设备 , 最 来 , 形 成 一 个 “个 人 领 域 的 网 络 ” ( Personal area
netw ) 。 ork

1

蓝牙技术
“蓝牙” ( bluetooth) 原为欧洲中世纪的丹麦皇

多可达 7 个 , 这就可以把用户身边的设备都链接起

帝 Harald II 的名字 , 他为统一四分五裂的瑞典 、芬 兰 、丹麦有着不朽的功劳 。瑞典的 Ericsson 公司为这 种即将成为全球通用的无线技术命此名 , 也许大有 一统天下的含义 。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性 全球规范 , 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的短 程无线电技术 。其实质内容是要建立通用的无线电 空中接口 ( radio air interface) 及其控制软件的公开 标准 , 使通信和计算机进一步结合 , 使不同厂家生 产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况 下 , 能在近距离范围内具有互用 、相互操作的性能
( interoperability) 。其程序写在一个 9 mm × mm 的 9

2

蓝牙系统

在了解蓝牙系统结构之前 , 先熟悉蓝牙系统几 ? Piconet : 通过蓝牙技术连接在一起的所有设

个常用的专有名词 。

备被认为是一个 piconet 。一个 piconet 可以只是两台 话 , 也可以是 8 台连在一起的设备 。在一个 piconet

相连的设备 , 比如一台便携式电脑和一部移动电 中 , 所有设备都是级别相同的单元 , 具有相同的权 限 。但是在 piconet 网络初建时 , 其中一个单元被定 义为 master , 其它单元被定义为 slave 。 ? Master unit : 主单元 , 即在一个 piconet 中 , 其

时钟和跳频顺序被用来同步其它单元的设备 。

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《电信技术》 2000 年第 9 期
? Slave units : 从单元 , 即 piconet 中不是 master 的所有设备 。 ? Scatternet : 几个独立且不同步的 piconet 组成 一个 scatternet 。 ? Mac address : 用来区分 piconet 中各单元的长 度为 3 比特的地址 。 ? Parked units : 暂停单元 , 即 piconet 中与网络 保持同步但没有 Mac address 的设备 。 ? Sniff and hold m ode : 呼吸与保持模式 ,与网络 同步但进入睡眠状态以节省能源的一种工作模式 。 蓝牙系统一般由以下 4 个功能单元组成 : ?天线单元 ?链路控制 ( 固件) 单元 ?链路管理 ( 软件) 单元 ?蓝牙软件 ( 协议) 单元 它们的连接关系如图 1 所示 。 以确保链路稳定 。跳频技术是把频带分成若干个跳频 信道 ( hop channel)
, 在一次连接中 , 无线电收发器

按一定的码序列 ( 即一定的规律 , 技术上叫做 “伪随 机码” , 就是 “假”的随机码 ) 不断地从一个信道 “跳”到另一个信道 , 只有收发双方是按这个规律进 行通信的 , 而其它的干扰不可能按同样的规律进行干 扰 ; 跳频的瞬时带宽是很窄的 , 但通过扩展频谱技术 使这个窄带成百倍地扩展成宽频带 , 使干扰可能造成 的影响变得很小 。时分双工 ( T ime Division Duplex , 简 称 T ) 方案被用来实现全双工传输 。 DD 与其它工作在相同频段的系统相比 , 蓝牙跳频 更快 , 数据包更短 , 这使蓝牙比其它系统都更稳 定 。FEC
( Forward Error Correction , 前向纠错) 的使

用抑制了长距离链路的随机噪音 ; 应用了二进制调频
( FM) 技术的跳频收发器被用来抑制干扰和防止衰

落。
2. 2

链路控制 ( 固件) 单元 在目前蓝牙产品中 , 人们使用了 3 个 IC 分别作

为联接控制器 、基带处理器以及射频传输 / 接收器 , 此外还使用了 30~ 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它一些 低层常规协议 。
图1 蓝牙系统结构框图

基带控制器有 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方案 。 采用 FEC
( 前向纠错) 方案的目的是为了减少

2. 1

天线单元 蓝牙要求其天线部分体积十分小巧 、重量轻 ,

因此 , 蓝牙天线属于微带天线 。蓝牙空中接口是建 立在天线电平为 0 dBm 的基础上的 。空中接口遵循
Federal Communications Commission ( 简称 FCC , 即美国

数据重发的次数 , 降低数据传输负载 。但是 , 要实 现数据的无差错传输 , FEC 就必然要生成一些不必 要的开销比特而降低数据的传送效率 。这是因为数 据包对于是否使用 FEC 是弹性定义的 。报头总有占
1/ 3 比例的 FEC 码起保护作用 , 其中包含了有用的

联邦通信委员会 ) 有关电平为 0 dBm 的 ISM 频段的 标准 。如果全球电平达到 100 mW 以上 , 可以使用 扩展频谱功能来增加一些补充业务 。频谱扩展功能 是 通 过 起 始 频 率 为 2. 402 GHz , 终 止 频 率 为 2. 480
GHz , 间隔为 1 MHz 的 79 个跳频频点来实现的 。出

链路信息 。 在无编号的 ARQ 方案中 , 在一个时隙中传送的 数据必须在下一个时隙得到收到的确认 。只有数据 在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为 无错才向发端发回确认消息 , 否则返回一个错误消 息 。比 如 蓝 牙 的 话 音 信 道 采 用 Continuous Variable
Slope Delta M odulation ( 简称 CVSD , 即连续可变斜

于某些本地规定的考虑 , 日本 、法国和西班牙都缩 减了带宽 。最大的跳频速率为 1660 跳 / s 。理想的连 接范围为 100 mm~ 10 m , 但是通过增大发送电平可 以将距离延长至 100 m。 蓝牙工作在全球通用的 2. 4 GHz ISM( 即工业 、科 学 、医学) 频段 。蓝牙的数据速率为 1 Mb/ s 。ISM 频 带是对所有无线电系统都开放的频带 , 因此使用其中 的某个频段都会遇到不可预测的干扰源 。例如某些家 电 、无绳电话 、汽车房开门器 、微波炉等等 , 都可能 是干扰 。为此 , 蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案

率增量调制技术 ) 话音编码方案 , 获得高质量传输 的音频编码 。CVSD 编码擅长处理丢失和被损坏的语 音采样 , 即使比特错误率达到 4 % , CVSD 编码的语 音还是可听的 。

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《电信技术》 2000 年第 9 期
con Radio 就提出了他们的看法 。这个公司的入门产

品是一个单芯片传输器和联接控制器 。公司称之为
BlueCore 和 BlueStack 。这是一个完整的蓝牙 , 不需

要外部的 SAW 滤波器 、陶瓷电容或感应器 , 产品集 成度非常高 , 使用了 0. 18 或 0. 15μm 技术 , 能够在 几乎不增加成本的情况下把基带电路加到芯片中 。
2. 3

置 、鉴权 、链路硬件配置和其它一些协议 。LM 能够 发现其它远端 LM 并通过 LMP
( 1) 发送和接收数据 。 ( 2) 请求名称 。 ( 4) 建立连接 。 ( 5) 鉴权 。 ( 3) 链路地址查询 。

之通信 。LM 模块提供如下服务 :

在特定的时隙发送数据 。

设备为了节能在一个较长的周期内停止接收数据 , 平均每 4 s 激活一次链路 , 这由 LM 定义 , LC 路控制器) 具体操作 。

同步时将设备设为暂停模式 。处于暂停模式的设备 周期性地激活并跟踪同步 , 同时检查 page 消息 。 之前 , 所有的设备都处于 standby
( 11) 建立网络连接 。在 piconet 内的连接被建立 ( 待命) 状态 。在

这种模式下 , 未连接单元每隔 1. 28 s 周期性地 “监

听”信息 。每当一个设备被激活 , 它就监听规划给 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 这个数字适用于除日本 、法国和 西班牙之外的大多数国家 。作为 master 的设备首先 初始化连接程序 , 如果地址已知 , 则通过寻呼 个后接 page 消息的 inquiry
( page) 消息建立连接 , 如果地址未知 , 则通过一 ( 查询) 消息建立连接 。

在最初的寻呼状态 , master 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 page 消 息 。如果没有应答 , master 则按照激活次序在剩余
16 个频点上继续寻呼 。Slave 收到从 master 发来的消

而 Cambridge Consultants 的分公司 Cambridge Sili2 链路管理( 软件) 单元
( 6) 链路模式协商和建立 。 ( 7) 决定帧的类型 。 ( 8) 将设备设为 sniff 模式 。master 只能有规律地

均延迟时间是激活周期的一半 ( 0. 6 s) 。 Inquiry 消 息主要用来寻找蓝牙设备 , 如共享打印机 、传真机 和 其 它 一 些 地 址 未 知 的 类 似 设 备 。 Inquiry 消 息 和
page 消息很相像 , 但是 inquiry 消息需要一个额外的

数据串周期来收集所有的响应 。 如果 piconet 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 。
master 可以把 slave 置为 hold ( 保持 ) 模式 , 在这种模

链路管理 ( LM) 软件模块携带了链路的数据设
( 链路管理协议 ) 与

式下 , 只有一个内部计数器在工作 。slave 也可以主 动要求被置为 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 piconet 的情况下或者耗能低的 设备 , 如温度传感器 。除 hold 模式外 , 蓝牙还支持 另外两种节能工作模式 : sniff ( 呼吸 ) 模式和 park ( 暂 停 ) 模 式 。在 sniff 模 式 下 , slave 降 低 了 从 piconet “收听”消息的速率 , “呼吸”间隔可以依应用要 求做适当调整 。在 park 模式下 , 设备依然与 piconet 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 , 偶尔收听 master 的消息并恢复同 步 、检查广播消息 。如果我们把这几种工作模式按 照节能效率以升序排一下队 , 那么依次是 : 呼吸模 式 、保持模式和暂停模式 。
( 12) 连接类型和数据包类型 。连接类型定义了

( 9) 将设备设为 hold 模式 。工作在 hold 模式的 (链

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 ( Synchronous
Connection Oriented , 简称 SCO) 类型 , 主要用于传

( 10) 当设备不需要传送或接收数据但仍需保持

送话音 ; 异步无连接 ( Asynchronous Connectionless , 简称 ACL) 类型 , 主要用于传送数据包 。 同一个 piconet 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 T DD ( 时分双工传输方案) 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 ,master 和 slave 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 。master 负责控制链路带宽 , 并决定 piconet 中的每个 slave 可以占用多少带宽和连 接的对称性 。slave 只有被选中时才能传送数据 。ACL

息的最大延迟时间为激活周期的 2 倍 ( 2. 56 s)

, 平

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《电信技术》 2000 年第 9 期
链路也支持接收 master 发给 piconet 中所有 slave 的广 播消息 。
( 13) 鉴权和保密 。蓝牙基带部分在物理层为用

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 。

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 。
2. 4

3

结束语
近年来移动通信发展迅速 , 便携式计算机如膝

上型电脑 ( Laptop) 、笔记本电脑 ( Notebook) 、手 持式电脑 ( HPC) 以及个人数字辅助器 ( PDA) 等也 迅速发展 , 还有因特网的迅速发展 , 使人们对电话 通信以外的各种数据信息传递的需求日益增长 。 “蓝牙”技术把各种便携式电脑与蜂窝移动电 话用无线电链路连接起来 , 使计算机与通信更加密 切结合起来 , 使人们能随时随地进行数据信息的交 换与传输 。因此计算机行业 、移动通信行业都对 “蓝牙”技术很重视 , 认为将对未来的无线移动数 据通信业务有巨大的促进作用 , 预计在最近几年内 无线数据通信业务将迅速增长 。“蓝牙”技术被认 为是无线数据通信最为重大的进展之一 。

软件 ( 协议) 单元

Bluetooth 基带协议结合电路开关和分组交换机 ,

适用于语音和数据传输 。 每个声道支持 64 kb/ s 同步
( 语音 ) 链接 。 而异步信道支持任一方向上高达 721 kb/ s 和回程方向 57. 6 kb/ s 的非对称链接 , 也可以支

持 43. 2 kb/ s 的对称连接 。 因此 ,它可以足够快地应付 蜂窝系统上的非常大的数据比率 。 一般来说 , 它的链 接范围为 100 mm~ 10 m; 如果增加传输功率的话 , 其 链接范围可以扩展到 100 m。 Bluetooth 软件构架规范 要求与 Bluetooth 相顺从的设备支持基本水平的互操 作性 。 这种顺从水平由不同的应用来决定 。 蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求 。 对某些设备 , 这种要求涉及到无线模块 、空中协议 以及应用层协议和对像交换格式 。Bluetooth1. 0 标准 由两个文件组成 。一个叫 Foundation Core , 它规定的 是设计标准 。另一个叫 Foundation Profile , 它规定的 是相互运作性准则 。但对另外一些设备 , 比如耳 机 , 这种要求就简单得多 。蓝牙设备必须能够彼此 识别并装载与之相应的软件以支持设备更高层次的 性能 。 蓝牙对不同级别的设备 ( 如 PC 、手持机 、移动 电话 、耳机等 ) 有不同的要求 , 例如 , 你无法期望 一个蓝牙耳机提供地址簿 。但是移动电话 、手持 机 、笔记本电脑就需要有更多的功能特性 。 软件 ( 协议) 结构需有如下功能 : ?设置及故障诊断工具 ; ?能自动识别其它设备 ; ?取代电缆连接 ; ?与外设通信 ; ?音频通信与呼叫控制 ; ?商用卡的交易与号簿网络协议 。 蓝牙的软件 ( 协议 ) 单元是一个独立的操作系



完善通信产品测试性能 安捷伦科技公司在推出 QA Robot IP 损伤测试软 件的同时 , 在其 QA Robot 和 Router T ester 平台中增加 了多协议标记交换 ( MPLS) 测试功能 , 而其经过改造 的安捷伦 acceSS7 IP 故障诊断系统则将支持北电网 络倡导的 IPS7 信令结构 。 通过 QA Robot IP 损伤测试软件 , 开发商和服务供 应商可以评估网络性能对提供 IP 语音 ( Vo IP) 和其它
Internet 多媒体服务的影响 。 开发商和服务供应商可以

使用 QA Robot , 模拟整个 IP 网络 , 引入在实际 Internet 中常见的网络错误 , 评估这些错误对服务的影响程 度。 该软件可以与安捷伦的 T elegra VQT 语音质量测试 仪一起使用 ,实现客观的端到端语音质量测试 ,包括清 晰度 、 回音和延迟的详细分析 。 该解决方案还可以用来 估计在各种网络条件下 , Vo IP 网络在提供语音质量中 的性能 , 评估 Vo IP 网元怎样校正 IP 损害 , 并测量可以 接受的语音质量要求的最低 IP 网络服务水平 。 而通过增加多协议标记交换 ( MPLS) 测试功能 ,
QA Robot 和 Router T ester 平台则允许服务供应商直接

定义穿过 Internet 的具体分组交付路径 , 而不是由中 间路由器制订分组转发决策 。对 IP 语音等实时应用 来说 ,MPLS 是一种非常关键的协议 。 通过安捷伦新增 的功能 , 服务供应商可以提供具有服务质量保障 、 并 支持虚拟专用网的 IP 服务 , 在 IP 网络上提供类似于 当前电路交换公共网络的可靠性 。
( 潘)

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