藍牙技術(shù)及其發(fā)展現狀

藍牙技術(shù)是由愛(ài)立信公司在1994年提出的一種最新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)規范。其最初的目的是希望采用短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)將各種數字設備（如移動(dòng)電話(huà)、計算機、ＰＤＡ等）連接起來(lái)，以消除繁雜的電纜連線(xiàn)。隨著(zhù)研究的進(jìn)一步發(fā)展，藍牙技術(shù)可能的應用領(lǐng)域得到擴展，如將藍牙技術(shù)應用于汽車(chē)工業(yè)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接入、信息家電及其他所有不便于進(jìn)行有線(xiàn)連接的地方。但從目前的情況分析來(lái)看，藍牙技術(shù)的典型應用還是在個(gè)人域網(wǎng)（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＰＡＮ），它可用于建立一個(gè)便于移動(dòng)、連接方便、傳輸可靠的數字設備群。

1 藍牙技術(shù)
藍牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)數據與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規范，它以低成本的近距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎，為固定與移動(dòng)設備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。其工作頻段為全球通用的2.4ＧＨｚ ＩＳＭ(即工業(yè)、科學(xué)、醫學(xué))頻段。藍牙的數據傳輸速率為1Ｍｂｉｔ／ｓ，采用時(shí)分雙工方案來(lái)實(shí)現全雙工傳輸。其理想的連接范圍為10ｃｍ～10ｍ，通過(guò)增大發(fā)送電平可以將距離延長(cháng)至100 ｍ，而延長(cháng)距離至1000ｍ的方案目前還在討論中。
由于ＩＳＭ頻帶是對所有無(wú)線(xiàn)電系統都開(kāi)放的頻帶，因此使用其中的某個(gè)頻段都會(huì )遇到不可預測的干擾源。為此，藍牙特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩定，結合了極高跳頻速率（1600跳／ｓ）和調頻技術(shù)，這使它比工作在相同頻段而跳頻速率均為50跳／ｓ的802.11 ＦＨＳＳ和ＨｏｍｅＲＦ無(wú)線(xiàn)電更具抗干擾性。目前，藍牙特殊興趣集團（ＳＩＧ）的實(shí)驗表明：當藍牙設備和802.11設備同時(shí)工作時(shí)，802.11對藍牙設備的干擾使得藍牙設備的數據傳輸速率約下降了12％，而藍牙設備對802.11的干擾使得其基本上無(wú)法傳輸數據。當然，這項實(shí)驗在反映了藍牙技術(shù)抗干擾性強的同時(shí)，也體現了藍牙技術(shù)應該解決的一個(gè)問(wèn)題，就是和其他協(xié)議的共存。只有和其他協(xié)議很好地共存，才能更加體現出藍牙技術(shù)的巨大生命力。目前，ＳＩＧ也正在積極地尋找解決相互干擾問(wèn)題的方法，并有望在藍牙協(xié)議的2.0版本中采用自適應跳頻技術(shù)來(lái)解決。
藍牙基帶協(xié)議是電路交換與分組交換的結合。在保留的時(shí)隙中可以傳輸同步數據包，每個(gè)數據包以不同的頻率發(fā)送。一個(gè)數據包名義上占用一個(gè)時(shí)隙，但實(shí)際上可以被擴展到占用5個(gè)時(shí)隙。藍牙支持異步數據信道以及多達3個(gè)同時(shí)進(jìn)行的同步話(huà)音信道，還可以用一個(gè)信道同時(shí)傳送異步數據和同步話(huà)音。每個(gè)話(huà)音信道支持64ｋｂｉｔ／ｓ，同步話(huà)音鏈路。異步信道可以支持一端最大速率為721ｋｂｉｔ／ｓ而另一端速率為57.6ｋｂｉｔ／ｓ的不對稱(chēng)連接，也可以支持432.6ｋｂｉｔ／ｓ的對稱(chēng)連接。
2 藍牙系統
2.1 藍牙系統中的常用名詞
Ｐｉｃｏｎｅｔ：微網(wǎng)。兩個(gè)或多個(gè)共用同一藍牙信道的設備組成的網(wǎng)絡(luò )被稱(chēng)為是一個(gè)微網(wǎng)（ｐｉｃｏｎｅｔ）。由于微微網(wǎng)中主動(dòng)設備的地址長(cháng)度為3ｂｉｔ，所以一個(gè)微微網(wǎng)的主動(dòng)成員數為2～8個(gè)。其中一個(gè)單元為ｍａｓｔｅｒ ｕｎｉｔ，其他單元為ｓｌａｖｅ ｕｎｉｔ。
Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ：特殊松散網(wǎng)。由重疊覆蓋區域的多個(gè)微微網(wǎng)組成一個(gè)ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ。
Ｍａｓｔｅｒ ｕｎｉｔ：主單元。即在一個(gè)微微網(wǎng)中，其時(shí)鐘和跳頻順序被用來(lái)同步其他單元的設備。
Ｓｌａｖｅ ｕｎｉｔｓ：從單元。即微微網(wǎng)中不是ｍａｓｔｅｒ的所有設備。
Ａｍ—ａｄｄｒｅｓｓ：主動(dòng)成員地址。用來(lái)區分微微網(wǎng)中各主動(dòng)單元長(cháng)度為3ｂｉｔ的地址。 Ｐａｒｋ：暫停模式。在微微網(wǎng)中與網(wǎng)絡(luò )保持同步但不進(jìn)行數據收發(fā)的一種工作模式。
Ｓｎｉｆｆ ａｎｄ ｈｏｌｄ ｍｏｄｅ：呼吸與保持模式。與網(wǎng)絡(luò )同步，但進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節省能源的一種工作模式。
2.2 系統組成
藍牙系統主要有三大單元組成。
(1)無(wú)線(xiàn)單元
無(wú)線(xiàn)單元主要完成基帶信號和射頻信號之間的上下轉換，實(shí)現數據流的過(guò)濾和傳輸。
(2)基帶單元 基帶單元主要完成跳頻控制，數據和信息的打包與傳輸。
(3)鏈路管理與控制單元 鏈路管理與控制是系統的核心部分，它負責連接的建立和拆除以及鏈路的安全和控制，還要為上層軟件提供訪(fǎng)問(wèn)入口。
2.3 鏈路管理與控制
在微微網(wǎng)內的連接被建立之前，所有的設備都處于旁觀(guān)（ｓｔａｎｄｂｙ）狀態(tài)。此時(shí)，這些設備周期性地“監聽(tīng)”其他設備發(fā)出的查詢(xún)（ｉｎｑｕｉｒｅ）消息或尋呼（ｐａｇｅ）信息。首先請求連接的單元是ｍａｓｔｅｒ單元，如果對方地址已經(jīng)存在于ｍａｓｔｅｒ 單元的地址簿中，ｍａｓｔｅｒ單元則通過(guò)發(fā)出尋呼（ｐａｇｅ）消息包請求建立連接；如果地址未知，則首先通過(guò)ｉｎｑｕｉｒｅ消息包查詢(xún)覆蓋范圍內其他單元的地址，然后再用ｐａｇｅ消息包建立連接。
在查詢(xún)過(guò)程中，ｍａｓｔｅｒ單元使用特別預留的全球統一的Ｉｎｑｕｉｒｅ事件ＩＤ號，并采用全球惟一的包含32個(gè)信道的信道序列發(fā)送此指令。進(jìn)行Ｉｎｑｕｉｒｅ ｓｃａｎ的設備周期性地在這32個(gè)信道上進(jìn)行監聽(tīng)，直到該設備的Ｉｎｑｕｉｒｅ ｓｃａｎ功能被禁止。在主單元端將這32個(gè)信道分為兩組，每組16個(gè)，主單元先在第一組的16個(gè)信道上發(fā)布Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，隨即在回復信道上進(jìn)行監聽(tīng)，如果被查詢(xún)單元接收到Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，則用ＦＨＳ包發(fā)送自己的ＩＤ號和時(shí)鐘偏移；然后主單元在第二組的16個(gè)信道上發(fā)布Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，如此反復，直到覆蓋范圍內所有單元都發(fā)回ＦＨＳ包，主單元就建立了一個(gè)完整的覆蓋范圍內的設備情況表。
在尋呼過(guò)程中，32個(gè)尋呼信道也分為兩組，主單元根據它最近知道的被呼單元的ＩＤ號和時(shí)鐘偏移來(lái)調整兩個(gè)信道組的頻率，然后先用第一組頻率持續呼叫1.25ｓ。如果沒(méi)有收到回音，則再用第二組頻率持續呼叫1.25ｓ。被呼單元則每隔1.25ｓ在尋呼信道中監聽(tīng)尋呼消息中的ＩＤ信息，一旦發(fā)現接收到的ＩＤ號與本身的ＩＤ號一致，則發(fā)送回復消息包。這樣，微微網(wǎng)就形成了。
如果微微網(wǎng)中已經(jīng)處于連接的設備在較長(cháng)一段時(shí)間內沒(méi)有數據傳輸，ｍａｓｔｅｒ可以把ｓｌａｖｅ置為ｈｏｌｄ模式，這時(shí)，只有一個(gè)內部計數器工作。ｓｌａｖｅ也可以主動(dòng)要求被置為ｈｏｌｄ模式。一旦處于ｈｏｌｄ模式的單元被激活，則數據傳遞也立即重新開(kāi)始。ｈｏｌｄ模式一般被用于連接好幾個(gè)微微網(wǎng)的情況或者耗能低的設備，如溫度傳感器。除了ｈｏｌｄ模式外，藍牙還支持ｓｎｉｆｆ模式和ｐａｒｋ模式兩種節能工作模式：在ｓｎｉｆｆ模式下，ｓｌａｖｅ降低了從微微網(wǎng)“收聽(tīng)”消息的速率，“呼吸”間隔可以依應用要求做適當調整；在ｐａｒｋ模式下，設備依然與微微網(wǎng)同步但沒(méi)有數據傳送。工作在ｐａｒｋ模式下的設備放棄了Ａｍａ地址，偶爾“收聽(tīng)”ｍａｓｔｅｒ的消息并恢復同步、檢查廣播消息。采用ｐａｒｋ模式可以使一個(gè)微微網(wǎng)中的ｍａｓｔｅｒ單元管理的ｓｌａｖｅ單元數遠遠大于7個(gè)。如果我們把這幾種工作模式按照節能效率以升序排列，則依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式。
在活動(dòng)狀態(tài)下，藍牙技術(shù)支持兩種鏈路類(lèi)型：面向連接的同步鏈路（ＳＣＯ）和面向無(wú)連接的異步鏈路（ＡＣＬ）。
ＳＣＯ鏈路為對稱(chēng)連接，利用保留時(shí)隙傳送數據包。它可以被認為是一種主單元和從單元之間的電路交換的點(diǎn)對點(diǎn)連接，主要用于傳送實(shí)時(shí)話(huà)音，也可以傳送數據，但在傳送數據時(shí)，只用于重發(fā)被損壞的那部分數據。每個(gè)藍牙單元最多可同時(shí)支持3個(gè)ＳＣＯ鏈路。
ＡＣＬ鏈路既支持對稱(chēng)連接，也支持不對稱(chēng)連接。ｍａｓｔｅｒ負責控制鏈路帶寬，并決定微微網(wǎng)中的每個(gè)ｓｌａｖｅ可以占用多少帶寬和連接的對稱(chēng)性。ｓｌａｖｅ只有被選中時(shí)才能傳送數據。ＡＣＬ鏈路也支持ｍａｓｔｅｒ發(fā)給微微網(wǎng)中所有ｓｌａｖｅ的廣播消息。ＡＣＬ鏈路一般不能傳送話(huà)音，但可以傳送ＩＰ話(huà)音。
3 藍牙技術(shù)的主要應用
從理論上講，藍牙技術(shù)可以被植入到所有的數字設備中，用于短距離無(wú)線(xiàn)數據傳輸。目前可以預計的應用場(chǎng)所主要是計算機、移動(dòng)電話(huà)、工業(yè)控制及ＰＡＮ的連接。
3.1 藍牙在計算機中的應用
藍牙接口可以直接集成到計算機主板或者通過(guò)ＰＣ卡或ＵＳＢ接口連接，實(shí)現計算機之間及計算機與外設之間的無(wú)線(xiàn)連接。這種無(wú)線(xiàn)連接對于便攜式計算機可能更有意義。通過(guò)在便攜式計算機中植入藍牙技術(shù)，便攜式計算機就可以通過(guò)藍牙移動(dòng)電話(huà)或藍牙接入點(diǎn)連接遠端網(wǎng)絡(luò )，可以方便地進(jìn)行數據交換。當便攜式計算機中的某些資料更新后，可以在不需人工干預的情況下，對家用臺式電腦進(jìn)行同步更新。
3.2 藍牙在移動(dòng)電話(huà)中的應用
從目前來(lái)看，移動(dòng)電話(huà)是藍牙技術(shù)的最大應用領(lǐng)域，也是已經(jīng)有實(shí)際應用的領(lǐng)域。通過(guò)在移動(dòng)電話(huà)中植入藍牙技術(shù)，可以實(shí)現無(wú)線(xiàn)耳機、車(chē)載電話(huà)等功能，還能實(shí)現與便攜式計算機和其他手持設備的無(wú)電纜連接，組成一個(gè)方便靈活的ＰＡＮ。當藍牙技術(shù)普及后，藍牙移動(dòng)電話(huà)還能作為一個(gè)工具，實(shí)現所有的商用卡交易。
3.3 藍牙在其他方面的應用
目前，藍牙技術(shù)的應用領(lǐng)域已越來(lái)越廣闊，如：將藍牙技術(shù)應用于汽車(chē)行業(yè)中，實(shí)現對汽車(chē)各部件的實(shí)時(shí)監控；將藍牙技術(shù)應用于建筑行業(yè)中，實(shí)現智能化住宅；在人口密度大的地區（如車(chē)站、機場(chǎng)、商場(chǎng)等）為用戶(hù)提供接入服務(wù)等。 我們針對電力系統的特點(diǎn)，正在將藍牙技術(shù)引入到電力系統中，實(shí)現電力系統的自動(dòng)抄表和用電實(shí)時(shí)管理以及高壓區的遠程操作。目前正在努力實(shí)現該系統的實(shí)用化。
4 國內外研究現狀
4.1 國外研究現狀
自從1994年愛(ài)立信提出藍牙技術(shù)以來(lái)，這項低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)已經(jīng)獲得了巨大的發(fā)展。1998年5月，愛(ài)立信、諾基亞、東芝、ＩＢＭ和英特爾5家公司成立了藍牙特殊興趣小組（ＳＩＧ）。此后，各大公司都加大了對藍牙的投資力度，于1999年發(fā)布了藍牙技術(shù)協(xié)議Ｖ1.0Ｂ版，2001年3月發(fā)布了藍牙協(xié)議Ｖ1.1版。愛(ài)立信于2000年推出了藍牙技術(shù)模塊，這種模塊主要采用了兩個(gè)芯片完成整個(gè)藍牙協(xié)議，目前各大公司正在努力將整個(gè)藍牙協(xié)議植入一個(gè)芯片中。到2001年4月止，藍牙特殊興趣小組已有各種成員2 491位；已通過(guò)藍牙技術(shù)認證的產(chǎn)品（包括藍牙調制器、開(kāi)發(fā)器、測試設備及其他應用產(chǎn)品）已達200多種。目前，在國外公司推出的產(chǎn)品當中，各類(lèi)測試設備（包括無(wú)線(xiàn)測試儀和協(xié)議分析儀等）已日趨成熟，但其應用產(chǎn)品（ＰＣ卡等）還有些問(wèn)題需要解決（包括互操作性差、傳輸速率低等）。
目前，藍牙協(xié)議還處于不斷完善期，ＳＩＧ預計在2001年年底發(fā)布藍牙協(xié)議Ｖ2.0版，擬采用自適應跳頻技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高抗干擾性能并減少對同頻段其他設備的干擾，使一個(gè)微微網(wǎng)的傳輸速率有望達到12Ｍｂｉｔ／ｓ，以拓展藍牙技術(shù)在工業(yè)控制和無(wú)線(xiàn)ＬＡＮ中的應用。
雖然由于藍牙技術(shù)的發(fā)展速度一直未達到預計的要求而使一些業(yè)內人士對藍牙技術(shù)產(chǎn)生了懷疑，但是作為一種前景光明的連接技術(shù)，藍牙仍以驚人的速度向前發(fā)展，預計到2003年，將有數千萬(wàn)只手機和數百萬(wàn)個(gè)其他ＩＴ設備被植入藍牙技術(shù)；到2005年，其全球的芯片市場(chǎng)將達50億美元。
4.2 國內研究狀況與對策
從國內整體情況來(lái)看，目前參與藍牙特殊興趣小組的國內企業(yè)還為數不多，藍牙產(chǎn)品也大多處于研發(fā)階段。在這種情況下，國內廠(chǎng)家要擺脫這種相對落后的狀況，達到與國際技術(shù)同步發(fā)展的水平，可以采取以下幾種途徑。
①通過(guò)與國外大公司的合作，掌握藍牙芯片的關(guān)鍵技術(shù)。在藍牙技術(shù)中，芯片是基礎，在藍牙技術(shù)成熟后，芯片市場(chǎng)將占據藍牙市場(chǎng)中的大部分。若我國擁有自己的藍牙芯片廠(chǎng)商，我國藍牙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展就可以免受或少受?chē)獾臓恐?。芯片技術(shù)是我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，而目前我國的芯片技術(shù)一直處于落后狀態(tài)，我國政府已明確指出要加快芯片技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，發(fā)展藍牙芯片也符合我國的發(fā)展戰略。
②加緊對藍牙技術(shù)的應用開(kāi)發(fā)，加快藍牙技術(shù)在各種ＩＴ設備中的應用研究。目前，由于芯片價(jià)格和協(xié)議的不斷更新等原因，推出大規模的商業(yè)應用還不現實(shí)，但應緊跟技術(shù)的發(fā)展，針對各行業(yè)的應用加緊研究開(kāi)發(fā)，為大規模的商業(yè)應用做充分的準備。國內一些企業(yè)也正在討論用軟件方法來(lái)實(shí)現藍牙協(xié)議，當藍牙協(xié)議更新時(shí)，只需修改軟件就能實(shí)現協(xié)議升級。這在當前的形式下，也不失為一種好的對策。
③加強企業(yè)間的橫向聯(lián)合。藍牙技術(shù)應用廣泛，各行業(yè)的企業(yè)可以有不同的藍牙技術(shù)應用切入點(diǎn)，企業(yè)間的利益沖突小。因此，國內的企業(yè)應聯(lián)合起來(lái)，成立一個(gè)國內的藍牙組織，共同推進(jìn)藍牙技術(shù)在國內的發(fā)展。同時(shí)，還要加強對藍牙協(xié)議的研究，力爭在藍牙協(xié)議中，也擁有我國自主的知識產(chǎn)權，變被動(dòng)跟蹤為主動(dòng)出擊。
5 結束語(yǔ)
Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，使人們對各種數據和移動(dòng)服務(wù)的需求快速增長(cháng)。藍牙技術(shù)作為一個(gè)全球開(kāi)放性無(wú)線(xiàn)標準，通過(guò)把各種語(yǔ)音和數據設備用無(wú)線(xiàn)鏈路連接起來(lái)，使人們能夠隨時(shí)隨地實(shí)現個(gè)人區域內語(yǔ)音和數據的交換與傳輸，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和完善，藍牙必將對人們的生活和工作產(chǎn)生重大影響。