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蓝牙技术综述  

2007-04-25 09:44:46|  分类: 装备科技F |  标签: |举报 |字号 订阅

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“蓝牙”是一种开放的短距离无线通信技术规范,起源于爱立信公司从1994年开始推动的一项技术开发计划。这项新的无线通信技术被命名为“蓝牙”(Bluetooth),名字取自10世纪丹麦国王HaraldBluetooth——这位国王统一了丹麦和挪威,而“蓝牙”的发起者想要统一无线局域网通信技术标准。

蓝牙技术的概貌

蓝牙技术融合了无线通信技术与数据通信技术,要在所有的移动装置之间建立一种有效的无线连接。移动电话、无线电台、笔记本电脑、手持电话、个人数字助理、数码相机、游戏机、MP3播放机、手表等,都可通过蓝牙技术连接起来。

1998年5月,爱立信公司联合英特尔、诺基亚、东芝和IBM共5家公司正式成立了一个“蓝牙特别兴趣组”(BSIG),负责蓝牙的技术标准制定和产品测试,并协调蓝牙在各国的应用。1999年11月,又有4家著名的美国公司——3Com、朗讯、微软和摩托罗拉加盟,与原来5个创始公司一同成为“蓝牙特别兴趣组”的9个倡导发起者,使其成为一种全球的无线技术规范。自1999年7月BSIG推出蓝牙技术1.0版以来,蓝牙技术的推广和应用得到了迅猛发展。截至目前,BSIG的成员已经超过了2500家,几乎覆盖了全球各行各业,包括通信、网络、外设、芯片、软件等厂商,甚至消费类电器厂商和汽车制造商也加入BSIG组织。

蓝牙技术的工作频段为无须授权的2.4吉赫“工科医”频段;采用频率调制方式,以降低设备的复杂性;数据传输速率为1兆比特/秒,以时分方式进行全双工通信,其基带协议是电路交换和分组交换的组合。蓝牙技术采用快速响应和跳频技术,在接收或发送一个分组数据后,随即跳到另一个频率点,跳频速率为1600跳/秒。采用“前向纠错”编码技术,减少远距离传输时的随机噪声影响。话音采用“连续可变斜率增量调制”编码方案。1个跳频频率发送1个同步分组,每个分组占用1个时隙,也可扩展到5个时隙。蓝牙技术支持1个异步信道,或3个并发的同步话音信道,或1个同时传送异步数据和同步话音的信道。每个话音信道支持64千比特/秒的同步话音,异步信道的最大速率为721千比特/秒。设备一旦被唤醒,就在预先设定的跳频频率上监听信息。跳频数目因地区而异,但绝大多数国家采用32个跳频(3200跳/秒)。如果没有收到应答,主设备就在其他的16个跳频频率上发送寻呼信息。主设备到从设备的平均时延为半个唤醒周期(0.64秒),最大时延为2个唤醒周期(2.56秒)。

在微微网中,设备在无数据传输时转入节能工作状态。主设备可将从设备设置为保持方式,此时,只有内部定时器工作;从设备也可以自己要求转入保持方式。设备由保持方式转出后,可以立即恢复数据传输。连接几个微微网或管理低功耗器件(如温度传感器)时,常使用保持方式。监听方式和休眠方式是另外两种低功耗工作方式。在监听方式下,从设备监听网络的时间间隔增大,大小视应用情况由编程确定;在休眠方式下,设备仅偶尔监听网络同步信息和检查广播信息。各节能方式的电源能耗由低到高依次为:休眠方式→保持方式一监听方式(见下图)。

以及“无连接”(ACL)方式。两种连接方式均采用时分双工(TDD)通信,主要用于分组数据传输。面向连接是对称连接,支持限时话音传输,主从设备无需轮询即可发送数据。其分组既可以是话音又可以是数据,当发生中断时,只有数据部分需要重传。无连接是面向分组的连接,它支持对称和非对

称两种传输流量,也支持广播信息。在无连接方式下,主设备控制链路的带宽,负责从设备的带宽分配;从设备依次轮询发送数据。在同一微微网中,不同的主从设备可以采用不同的连接方式,在一次通信中,连接方式也可以任意改变。每一连接方式可支持16种不同的分组类型,其中控制分组有4种,是面向连接和无连接的通用分组。

蓝牙的关键技术

微微网和分散网技术

微微网由2~8台蓝牙设备构成。所有的蓝牙设备都是对等的,以同样的方式工作,然而,一个微微网只有一台为主设备,其他均为从设备,在一个微微网存在期间一直维持这一状况。在同一微微网中,所有的用户均使用同一跳频序列同步。蓝牙系统还允许多个微微网在同一区域内同时工作,被称为分散网络(见下图)。几个相对独立的、以特定方式连接在一起的微微网构成一个分散网,各微微网之间用不同的跳频序列来区分。

在微微网中,如果某台设备的时钟和跳频序列被用来同步其他的设备,则称它为主设备,非主设备的设备均为从设备。不收发信息的休眠设备,在微微网中只参与同步。在微微网中,从设备在监听及保持方式时,进入节电模式,处于非激活状态。

蓝牙系统基于分组传输。信息流被分成多个组,每个组都有相同的结构(地址、分组报头和有效负载)。各组依据主机的标识(即物理地址)来区分,因此可以有多个组在一个微微网中互不干扰地同时工作。由于蓝牙系统是利用不同时隙传送分组的,不同微微网之间可以互相通信。也就是说,一台蓝牙设备可以加入到不同的微微网中;同样,一台蓝牙设备也可以通过调整微微网的信道参数(标识和时钟)从一个微微网跳到另一个微微网中,作为后一个微微网的从设备。

跳频技术

蓝牙的载频选用全球通用的2.4吉赫“工科医”频段。该频段是对所有无线电系统开放的频段,有可能遇到不可预测的干扰,采用跳频技术是避免干扰的有效措施。跳频技术是把使用频带分成若干个跳频信道,在一次连接中,无线电收发器随机地从一个频率跳到另一个频率进行通信,而干扰不可能按同样的规律来进行,因而使干扰的影响变得很小。若以2.4吉赫为中心频率,最多可有79个1兆赫带宽的信道,有效数据速率为721千比特/秒,并采用低功率时分复用方式发射。对于单时隙分组,蓝牙的跳频速率为1600跳/秒,对于时隙包,跳频速率有所降低,但在建立链路时则提高为3200跳/秒。这样高的跳频速率,使蓝牙系统具备足够高的抗干扰能力。与工作在相同频段的其他系统相比,蓝牙系统跳频更快、数据包更短、工作更稳定。

差错控制技术

蓝牙系统采用1/3速率前向纠错编码、2/3速率前向纠错编码和自动请求重发(ARQ)三种纠错方式。1/3速率前向纠错编码,用在分组报头和面向连接链路同步分组的有效负载上。2/3速率前向纠错编码,用在“面向连接”链路同步分组的有效负载和“无连接”链路异步分组的有效负载上。在“无连接”链路上,应用自动请求重发作为分组重发的算法。蓝牙系统可采用快速自动请求重发机制,当数据在一个时隙中传送时由收方在下一个时隙确认。如果在自动请求重发基础上加上2/3速率前向纠错编码,则生成一种混合的自动请求重发机制。

采用前向纠错编码方式的目的,在于减少数据重发次数。但在无差错环境下,前向纠错编码产生的无用检验位降低了数据吞吐量,因此业务数据是否采用前向纠错编码应视需要而定。分组报头含有重要的连接信息和纠错信息,始终采用1/3速率前向纠错编码方式进行保护性传输。

认证与加密技术

蓝牙系统在3个层次上提供系统安全。首先,如前所说,每个蓝牙单元拥有一个全球唯一的48位物理地址,数据只能由对应的蓝牙单元接收;其次,蓝牙提供一个128位密钥的身分认证机制,保证了通信双方身份的可靠性:第三,蓝牙提供一个8~128位密钥(位数在出厂前指定)的数据加密机制,保证了数据传输的可靠性。外围设备互连,是指将各种设备通过蓝牙链路链接到主机上;个人局域网(PAN),主要用于个人网络与信息的共享与交换。

蓝牙产品涉及笔记本电脑、移动电话等信息设备,以及汽车电子、家用电器和工业设备领域。蓝牙在个人局域网中获得了很大的成功,其应用包括无绳电话、个人数字助理与计算机的互联,笔记本电脑与手机的互联,以及无线RS232、RS 485接口等。IBM、索尼和东芝等公司已经推出同时支持蓝牙和802.11b标准的笔记本电脑。微软也表示,一旦支持蓝牙的外围设备开始问世,出现了足够多的设备驱动程序,他将在Win-dowsXP中增加对蓝牙的支持。韩国的许多公司也利用在手机、电脑开发制造上的优势,积极介入蓝牙技术的研发,并不断有产品推出。

2003年,世界上只有约20%的手机在出厂时安装了蓝牙芯片,具备蓝牙功能的设备约有2亿台,2004年,具备蓝牙功能的设备约有4~5亿台,其中美国约1亿台。美国一家高科技市场调研机构预计,2005年,50%以上的手机将应用蓝牙芯片,具备蓝牙功能的设备将达到9.55亿台。个人电脑与笔记本电脑配置蓝牙芯片将是今后的重头戏,蓝牙技术还将渗入到打印机、扫描仪、数码相机等硬件设备中。今年年底,世界19%的数码相机将嵌入蓝牙芯片。

目前,蓝牙设备一般由2~3个芯片组成,价格已低达8美元/片,并逐步向5美元/片迈进。业内人士分析,随着芯片价格、芯片大小以及可操作性、兼容性等问题的进一步解决,蓝牙的市场前景必定会更好。

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蓝牙技术在军事通信中的应用

蓝牙技术是公开的无线数据和话音通信标准。它将所有的技术和软件集成在9×9毫米的微芯片内,发射功率为标称的1毫瓦,通信距离为0.1米~10米;若发射功率增至100毫瓦,通信距离可增加到100米。加上蓝牙技术的抗干扰性和安全性好,设备可以做得很轻小;因此蓝牙设备能够安装在指战员的头盔上或放在口袋内,作为连以下部队一种非常好的野战通信手段。

蓝牙设备可利用多个独立的、非同步的“微微网”(piconet),组成一个个独立的分散网络,解决连、排、班直到战士的通信问题,如图所示。只要把分组报头内的从设备地址码由3比特变成4比特,一个微微网内的蓝牙设备就可以由8台变为16台,能够满足连、排、班直到战士的通信,并且可以较好地解决通信中的抗干扰和安全保密问题。

 

蓝牙设备还可用于深入敌后的侦察小分队的内部通信,在野战指挥所内替代部分有线电缆,以及用于设备间的遥控和单兵信息系统等。蓝牙要想作为一种独立使用的军事通信设备,自然还要考虑如小型无线耳机和小型无线话筒等末端设备。蓝牙技术在军事通信中的应用前景广阔,有待我们去研究与开发。

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