蓝牙数字传输技术
2007-6-22
蓝牙数字传输技术
"蓝牙"是一种开放的技术规范，它可在世界上的任何地方实现短距离的无线语音和数据通信。蓝牙技术的发展：1994年，爱立信移动通信公司开始研究在移动电话及其附件之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。随着项目的进展，爱立信公司意识到短距无线通信(Short Distance Wireless Communication)的应用前景无限广阔。爱立信将这项新的无线通信技术命名为蓝牙(Bluetooth)。Bluetooth 取自10世纪丹麦国王 Harald Bluetooth 的名字。爱立信意识到要使这项技术最终获得成功，必须得到业界其他公司的支持与应用。1998年5月，爱立信联合诺基亚（Nokia）、英特尔（Intel）、IBM 、东芝（Toshiba）这4家公司一起成立了蓝牙特殊利益集团（Special Interest Group，SIG），负责蓝牙技术标准的制定、产品测试，并协调各国蓝牙的具体使用。3Com、朗讯（Lucent）、微软（Microsoft）和摩托罗拉（Motorola）很快加盟SIG，与SIG的5个创始公司一同成为SIG的9个倡导发起者。自蓝牙规范1.0版推出后，蓝牙技术的推广与应用得到了迅猛发展。截至目前，SIG的成员已经超过了2 500家，几乎覆盖了全球各行各业，包括通信厂商、网络厂商、外设厂商、芯片厂商、软件厂商等，甚至消费类电器厂商和汽车制造商加入了SIG。
2 蓝牙技术的特点蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学（Industrial, Scientific and Medical, ISM）频段。从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙技术的特点可归纳为如下几点：
（1）全球范围适用：蓝牙工作在2.4GHz的 ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4~2.4835GHz，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。
（2）同时可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音信道数据速率为64kbit/s，语音信号编码采用脉冲编码调制（PCM）或连续可变斜率增量调制（CVSD）方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为721kbit/s，反向为57.6kbit/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为342.6kbit/s。蓝牙有两种链路类型：异步无连接（Asynchronous Connection-Less，ACL）链路和同步面向连接（Synchronous Connection-Oriented，SCO）链路。
（3）可以建立临时性的对等连接（Ad-hoc Connection)：根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave）。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。皮网是蓝牙最基本的一种网络形式，最简单的皮网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。
通过时分复用技术，一个蓝牙设备便可以同时与几个不同的皮网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时间顺序参与不同的皮网，即某一时刻参与某一皮网，而下一时刻参与另一个皮网。
（4）具有很好的抗干扰能力：工作在ISM频段的无线电设备有很多种，如家用微波炉、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）和HomeRF等产品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频（Frequency Hopping）方式来扩展频谱（Spread Spectrum），将2.402～2.48GHz频段分成79个频点，相邻频点间隔1MHz。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625μｓ。
（5）蓝牙模块体积很小、便于集成：由于个人移动设备的体积较小，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块ROK101008的外形尺寸仅为32.8mm×16.8mm×2.95mm。
（6）低功耗：蓝牙设备在通信连接（Connection）状态下，有四种工作模式--激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。Active 模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。
（7）开放的接口标准：SIG为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。
（8）成本低：随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块，蓝牙产品价格飞速下降。
3 蓝牙技术的协议标准
SIG 所颁布的蓝牙规范（Specification of the Bluetooth System）就是蓝牙无线通信协议标准，它规定了蓝牙应用产品应遵循的标准和需要达到的要求。
蓝牙规范包括核心协议（Core）与应用框架（Profiles）两个文件。协议规范部分定义了蓝牙的各层通信协议，应用框架指出了如何采用这些协议实现具体的应用产品。蓝牙协议规范遵循开放系统互连参考模型（Open System Interconnetion/Referenced Model, OSI/RM），从低到高地定义了蓝牙协议堆栈的各个层次。
核心协议包括基带、LMP、L2CAP、SDP。除协议层外，规范还定义了主机控制器接口(HCI)，它把核心协议分为硬件和软件两部分。射频（RF）、基带（BB）和链路管理（LMP）这三层通常固化在硬件模块上，构成核心协议的硬件部分。软件部分由逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）、服务发现协议（SDP）、串行端口仿真协议（RFCOMM）、电话控制协议（TCS）构成。它们通常运行于主机端。Bluetooth系统中，主机与硬件模块之间的连接方式可以有多种选择，如RS-232、USB、PCMCIA 等。HCI 是对不同连接方式的抽象，它为基带控制器、链路管理器、硬件状态和控制寄存器提供一致的命令接口，使得不同的连接方式对主机端的协议软件而言是透明的。HCI位于L2CAP的下层，但HCI也可位于L2CAP上层。
按照蓝牙协议的逻辑功能，协议堆栈由下至上分为3个部分：传输协议、中介协议和应用协议。其功能简介如下。
3.1 传输协议负责蓝牙设备间相互确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设备间的物理和逻辑链路。这一部分又进一步分为低层传输协议和高层传输协议。低层传输协议侧重于语音与数据无线传输的物理实现以及蓝牙设备的物理和逻辑链路。低层传输协议包括蓝牙的射频（Radio）部分、基带与链路管理协议（Baseband && Link Manager Protocol, LMP）。高层传输协议包括逻辑链路控制的物理实现以及蓝牙设备间的连接于组网。高层传输协议包括逻辑链路控制与适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol, L2CAP）和主机控制器接口（Host Controller Interface, HCI）。这部分为高层应用程序屏蔽了诸如跳频序列选择等低层传输操作，并为高层应用传输提供了更加有效和更有利于实现的数据分组格式。
3.2 中介协议为高层应用协议或程序在蓝牙逻辑链路上工作提供了必要的支持，为应用曾提供了各种不同的标准接口。这部分协议包括以下几部分。
1. 串口仿真协议（RFCOMM）
基于欧洲电信标准化协会（European Telecommunication Standardization Institute, ETSI）的TS07.10标准制定。该协议用于模拟串行接口环境，使得基于串口的传统应用仅作少量的修改或者不做任何修改可以直接在该层上运行。
2. 服务发现协议（Service Didcovery Protocol，SDP）
为实现蓝牙设备之间相互查询及访问对方提供的服务。
3. IrDA（Infrared Data Association）互操作协议
蓝牙规范采用了IrDA的对象交换协议（OBEX），使得传统的基于红外技术的对象（如电子名片（vCard）和电子日历（vCal）等)交换应用同样可以运行在蓝牙无线接口之上。
网络访问协议：该部分协议包括点对点协议（Point to Point Protocol, PPP）、网际协议（Internet Protocol, IP）、传输控制协议（Transfer Control Protocol, TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol, UDP）等，用于实现蓝牙设备的拨号上网，或通过网络接入点访问Internet 和本地局域网。
4. 电话控制协议
该协议包括TCS、AT指令集和音频。电话控制协议性能（Telephone Control Protocol Specification，TCS）是基于国际电信联盟电信标准化部门（International Telecommunication Union-Telecommunication，ITU-T）的Q.931标准制定的，用于支持电话功能；蓝牙直接在基带上处理音频信号（主要指数字语音信号），采用SCO链路传输语音，可以实现头戴式耳机和无绳电话等的应用。
3.3 应用协议是指那些位于蓝牙协议堆栈之上的应用软件和其中所涉及的协议，包括开发驱动各种诸如拨号上网和通信等功能的蓝牙应用程序。蓝牙规范提供了传输层及中介层定义和应用框架，在传输层及中介层之上，不同的蓝牙设备必须采用统一符合蓝牙规范的形式；而在应用层上，完全由开发人员自主实现。事实上，许多传统的应用都可以几乎不用修改就在蓝牙协议堆栈之上运行，如基于串口和OBEX协议的应用。通常蓝牙技术应用程序接口（Application Programming Interface，API）函数的开发由开发工具的设计人员来完成，这样有利于蓝牙技术与各类应用的紧密结合。
4 蓝牙应用规范
蓝牙规范的应用模式有很多，下面四种应用模式是所有用户模式和应用的基础，也为以后可能出现的用户模式和应用提供了基础。
（1）通用访问应用（GAP）模式：定义了两个蓝牙单元如何互发现和建立连接，它是用来处理连接设备之间的相互发现和建立连接的。它保证两个蓝牙设备，不管是哪一家厂商的产品，都能够发现设备支持何种应用，并能够交换信息。
（2）服务发现应用（SDAP）模式：定义了发现注册在其他蓝牙设备中的服务的过程，并且可以获得与这些服务相关的信息。
（3）串口应用（SPP）模式：定义了在两个蓝牙设备间基于RFCOMM建立虚拟的串口连接的过程和要求。
（4）通用对象交换应用（GOEP）模式：定义了处理对象交换的协议和步骤，文件传输应用和同步应用都是基于这一应用的，笔记本电脑、PDA、移动电话是这一应用模式的典型应用。
Bluetooth技术的应用框架大致可分为三类：通用应用框架、基于RFCOMM
的应用框架和基于TCS 的应用框架。它们分别对应于Bluetooth 技术的应用适
配层协议SDP、RFCOMM 和TCS。不同的应用框架之间不是独立的，它们之
间的关系如下图所示。
1) 通用应用框架
通用访问应用框架（GAP）和服务发现应用框架（SDAP）通用于所有其它的应用框架。
2) 基于RFCOMM 的应用框架
基于RFCOMM 的应用框架的核心是串口应用框架（SPP）。
SPP
SPP 定义了如何在Bluetooth 设备上实现虚拟串行端口，仿真基于RS-232控制信令的串行线路。在SPP的基础上，针对不同的应用模式又分别定义了局域网接入（LAP）、
拨号网络（DUN）、传真（Fax）、耳机（Headset）等应用框架。它们都是基于串行端口的。
通用对象交换应用框架（GOEP）是在SPP 提供的串行线路的基础上，定义了实现对象交换的一组协议和过程，主要包括连接的建立和断开、向服务器“推”（Push）对象和从服务器“拉”（Pull）对象四种操作。文件传输（FTP）、对象推送（OPP）和同步（Synchronization）应用框架都是基于GOEP 的。
3) 基于TCS 的应用框架
目前，基于TCS的应用框架主要包括无绳电话（CTP）和互连（Intercom）两种应用框架。CTP 使移动终端可以接入公众电话交换网（PSTN）或综合业务数字网（ISDN），而Intercom 使移动终端之间可以通信。这样，一部同时支持CTP和Intercom应用框架的移动电话可兼作无绳电话和对讲机，从而具有三合一的功能。
5 蓝牙无线网络的安全问题
蓝牙网络与任何一种通信网络一样，会面对各种问题如：假冒、窃听、未授权访问和拒绝服务等。因此，蓝牙协议体系就需要设立安全管理机制以保证通信的可靠性。
蓝牙安全体系结构为蓝牙设备提出了三种安全模式：
安全模式1--蓝牙设备没有受到任何安全保护的模式。
安全模式2--服务级安全模式，它是建立在L2CAP层以上的安全保护模式。
安全模式3--链路级安全模式，即在LMP连接建立之前要进行鉴权或数据加密。
6各层具体介绍 物理层
即蓝牙无线接口层(Radio Frequency)，负责数据位流的过滤和传输。在物理层，工作频段的选择是关键所在。为了使Bluetooth技术能够在全球适用，规范中选择了工业、科学、医疗（ISM）频段——2.4GHz。
基带协议(Baseband)基带层控制跳频序列的同步和传输。Bluetooth 技术的信息收发采用FHSS技术，即在2.4GHz的频段上以1600 跳/秒的速率进行跳频来实现信息的发送和接收。跳频技术是把频段分成若干个跳频信道。连接双方的收发单元按照一定的码序列，即“伪随机码”不断地从一个信道“跳”到另外一个信道。码序列由主叫方确定，并通过查询（Inquiry）和寻呼（Paging）过程来同步跳频频率和时钟。这样，收发双方按照一致的码序列同步跳频，而干扰源又不可能也按照同样的规照变化，从而变证了信息传输的信量。Bluetooth 规范中定义了两类不同的链路，即面向连接的同步链路（SCO）和无连接的异步链路（ACL）。在同一射频上可以实现多路数据传输。ACL 链路用于数据传输，而SCO 链路适于话音及数据/话音的组合。所有话音与数据分组都附有不同级别的前向纠错（FEC）或循环冗余校验（CRC），而且支持加密。
面向连接的话音分组只需要经过基带传输，而不到达L2CAP。话音模式在蓝牙系统内相对简单，只需要开通话音连接，就可传送话音。
Bluetooth 技术支持点到点和点到多点的连接，这样可以在一个小范围内将多台Bluetooth 设备连成一个微微网(Piconet)。多个微微网又可互连成分布网（Scatternet），从而实现了各种设备之间的数据传输和信息共享。
链路管理协议(LMP)链路管理协议(LMP)负责蓝牙各设备间连接的建立和设置。它通过连接的发起、交换、核实，进行身份物证和加密，通过协商确定基带数据分组大小；它还控制无线设备的节能模式和工作周期，以及匹克网内设备单元的连接状态。
逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)是基带的上层协议，可以认为它与LMP并行工作。它们的区别在于当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务。L2CAP向上层提供面向连接的和无连接的数据服务时，采用了多路复用技术、分段和重组处术及组概念。L2CAP允许高层协议以64K字节收发数据分组。虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连接类型，但L2CAP只支持ACL。
服务搜索协议(SDP)
SDP 负责在Bluetooth 设备的邻近区域内发现服务及其属性。服务发现在Bluetooth 应用框架中起着至关重要的作用，它是所有用例模型的基础。通过SDP 可以查询远端设备所支持的服务类型和相关参数，从而可以在Bluetooth设备之间建立服务连接。
电缆替代协议(RFCOMM)RFCOMM 协议是基于ETSI 07.10规范的串行端口仿真协议。它在L2CAP之上仿真实现RS-232 控制和数据信号，为使用串行线路传送机制的上层协议提供服务。
电话控制协议(TCS)电话控制协议(TCS 二进制或TCS BIN)是面向比特的协议。它定义了蓝牙设备间建立话音和数据呼叫的控制信令。定义了处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程。基于ITU-T Q.931 规范的TCS 二进制北制定位蓝牙的二元电话控制协议规范。另外SIG还根据ITU-T V.250建议和GSM 070.07定义了控制多用户模式下移动电话和调制调解器和可用于传真业务的AT命令集。
应用协议点对点协议(PPP)
UDP/IP/TCP
对象交换协议(OBEX)
电子名片交换格式(vCard)、电子日历及日程交换格式(vCal)
无线应用协议(WAP)
