藍牙技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

藍牙技術(shù)是由愛立信公司在1994年提出的一種最新的無線技術(shù)規(guī)范。其最初的目的是希望采用短距離無線技術(shù)將各種數(shù)字設備（如移動電話、計算機、ＰＤＡ等）連接起來，以消除繁雜的電纜連線。隨著研究的進一步發(fā)展，藍牙技術(shù)可能的應用領域得到擴展，如將藍牙技術(shù)應用于汽車工業(yè)、無線網(wǎng)絡接入、信息家電及其他所有不便于進行有線連接的地方。但從目前的情況分析來看，藍牙技術(shù)的典型應用還是在個人域網(wǎng)（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＰＡＮ），它可用于建立一個便于移動、連接方便、傳輸可靠的數(shù)字設備群。

1 藍牙技術(shù)
??? 藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接。其工作頻段為全球通用的2.4ＧＨｚ ＩＳＭ(即工業(yè)、科學、醫(yī)學)頻段。藍牙的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Ｍｂｉｔ／ｓ，采用時分雙工方案來實現(xiàn)全雙工傳輸。其理想的連接范圍為10ｃｍ～10ｍ，通過增大發(fā)送電平可以將距離延長至100 ｍ，而延長距離至1000ｍ的方案目前還在討論中。
??? 由于ＩＳＭ頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會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(wěn)定，結(jié)合了極高跳頻速率（1600跳／ｓ）和調(diào)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無線電更具抗干擾性。目前，藍牙特殊興趣集團（ＳＩＧ）的實驗表明：當藍牙設備和802.11設備同時工作時，802.11對藍牙設備的干擾使得藍牙設備的數(shù)據(jù)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法傳輸數(shù)據(jù)。當然，這項實驗在反映了藍牙技術(shù)抗干擾性強的同時，也體現(xiàn)了藍牙技術(shù)應該解決的一個問題，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(xiàn)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)來解決。
??? 藍牙基帶協(xié)議是電路交換與分組交換的結(jié)合。在保留的時隙中可以傳輸同步數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包以不同的頻率發(fā)送。一個數(shù)據(jù)包名義上占用一個時隙，但實際上可以被擴展到占用5個時隙。藍牙支持異步數(shù)據(jù)信道以及多達3個同時進行的同步話音信道，還可以用一個信道同時傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音。每個話音信道支持64ｋｂｉｔ／ｓ，同步話音鏈路。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的不對稱連接，也可以支持432.6ｋｂｉｔ／ｓ的對稱連接。
2 藍牙系統(tǒng)
2.1 藍牙系統(tǒng)中的常用名詞
??? Ｐｉｃｏｎｅｔ：微網(wǎng)。兩個或多個共用同一藍牙信道的設備組成的網(wǎng)絡被稱為是一個微網(wǎng)（ｐｉｃｏｎｅｔ）。由于微微網(wǎng)中主動設備的地址長度為3ｂｉｔ，所以一個微微網(wǎng)的主動成員數(shù)為2～8個。其中一個單元為ｍａｓｔｅｒ ｕｎｉｔ，其他單元為ｓｌａｖｅ ｕｎｉｔ。
??? Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ：特殊松散網(wǎng)。由重疊覆蓋區(qū)域的多個微微網(wǎng)組成一個ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ。
??? Ｍａｓｔｅｒ ｕｎｉｔ：主單元。即在一個微微網(wǎng)中，其時鐘和跳頻順序被用來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：主動成員地址。用來區(qū)分微微網(wǎng)中各主動單元長度為3ｂｉｔ的地址。 Ｐａｒｋ：暫停模式。在微微網(wǎng)中與網(wǎng)絡保持同步但不進行數(shù)據(jù)收發(fā)的一種工作模式。
??? Ｓｎｉｆｆ ａｎｄ ｈｏｌｄ ｍｏｄｅ：呼吸與保持模式。與網(wǎng)絡同步，但進入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能源的一種工作模式。
2.2 系統(tǒng)組成
??? 藍牙系統(tǒng)主要有三大單元組成。
??? (1)無線單元
??? 無線單元主要完成基帶信號和射頻信號之間的上下轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸。
??? (2)基帶單元 基帶單元主要完成跳頻控制，數(shù)據(jù)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(tǒng)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問入口。
2.3 鏈路管理與控制
??? 在微微網(wǎng)內(nèi)的連接被建立之前，所有的設備都處于旁觀（ｓｔａｎｄｂｙ）狀態(tài)。此時，這些設備周期性地“監(jiān)聽”其他設備發(fā)出的查詢（ｉｎｑｕｉｒｅ）消息或?qū)ず簦ǎ穑幔纾澹┬畔ⅰＪ紫日埱筮B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ｉｎｑｕｉｒｅ消息包查詢覆蓋范圍內(nèi)其他單元的地址，然后再用ｐａｇｅ消息包建立連接。
??? 在查詢過程中，ｍａｓｔｅｒ單元使用特別預留的全球統(tǒng)一的Ｉｎｑｕｉｒｅ事件ＩＤ號，并采用全球惟一的包含32個信道的信道序列發(fā)送此指令。進行Ｉｎｑｕｉｒｅ ｓｃａｎ的設備周期性地在這32個信道上進行監(jiān)聽，直到該設備的Ｉｎｑｕｉｒｅ ｓｃａｎ功能被禁止。在主單元端將這32個信道分為兩組，每組16個，主單元先在第一組的16個信道上發(fā)布Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，隨即在回復信道上進行監(jiān)聽，如果被查詢單元接收到Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，則用ＦＨＳ包發(fā)送自己的ＩＤ號和時鐘偏移；然后主單元在第二組的16個信道上發(fā)布Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，如此反復，直到覆蓋范圍內(nèi)所有單元都發(fā)回ＦＨＳ包，主單元就建立了一個完整的覆蓋范圍內(nèi)的設備情況表。
??? 在尋呼過程中，32個尋呼信道也分為兩組，主單元根據(jù)它最近知道的被呼單元的ＩＤ號和時鐘偏移來調(diào)整兩個信道組的頻率，然后先用第一組頻率持續(xù)呼叫1.25ｓ。如果沒有收到回音，則再用第二組頻率持續(xù)呼叫1.25ｓ。被呼單元則每隔1.25ｓ在尋呼信道中監(jiān)聽尋呼消息中的ＩＤ信息，一旦發(fā)現(xiàn)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一段時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸，ｍａｓｔｅｒ可以把ｓｌａｖｅ置為ｈｏｌｄ模式，這時，只有一個內(nèi)部計數(shù)器工作。ｓｌａｖｅ也可以主動要求被置為ｈｏｌｄ模式。一旦處于ｈｏｌｄ模式的單元被激活，則數(shù)據(jù)傳遞也立即重新開始。ｈｏｌｄ模式一般被用于連接好幾個微微網(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(jié)能工作模式：在ｓｎｉｆｆ模式下，ｓｌａｖｅ降低了從微微網(wǎng)“收聽”消息的速率，“呼吸”間隔可以依應用要求做適當調(diào)整；在ｐａｒｋ模式下，設備依然與微微網(wǎng)同步但沒有數(shù)據(jù)傳送。工作在ｐａｒｋ模式下的設備放棄了Ａｍａ地址，偶爾“收聽”ｍａｓｔｅｒ的消息并恢復同步、檢查廣播消息。采用ｐａｒｋ模式可以使一個微微網(wǎng)中的ｍａｓｔｅｒ單元管理的ｓｌａｖｅ單元數(shù)遠遠大于7個。如果我們把這幾種工作模式按照節(jié)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。
??? 在活動狀態(tài)下，藍牙技術(shù)支持兩種鏈路類型：面向連接的同步鏈路（ＳＣＯ）和面向無連接的異步鏈路（ＡＣＬ）。
??? ＳＣＯ鏈路為對稱連接，利用保留時隙傳送數(shù)據(jù)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對點連接，主要用于傳送實時話音，也可以傳送數(shù)據(jù)，但在傳送數(shù)據(jù)時，只用于重發(fā)被損壞的那部分數(shù)據(jù)。每個藍牙單元最多可同時支持3個ＳＣＯ鏈路。
??? ＡＣＬ鏈路既支持對稱連接，也支持不對稱連接。ｍａｓｔｅｒ負責控制鏈路帶寬，并決定微微網(wǎng)中的每個ｓｌａｖｅ可以占用多少帶寬和連接的對稱性。ｓｌａｖｅ只有被選中時才能傳送數(shù)據(jù)。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音，但可以傳送ＩＰ話音。
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(shù)字設備中，用于短距離無線數(shù)據(jù)傳輸。目前可以預計的應用場所主要是計算機、移動電話、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ＰＣ卡或ＵＳＢ接口連接，實現(xiàn)計算機之間及計算機與外設之間的無線連接。這種無線連接對于便攜式計算機可能更有意義。通過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藍牙移動電話或藍牙接入點連接遠端網(wǎng)絡，可以方便地進行數(shù)據(jù)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，對家用臺式電腦進行同步更新。
3.2 藍牙在移動電話中的應用
??? 從目前來看，移動電話是藍牙技術(shù)的最大應用領域，也是已經(jīng)有實際應用的領域。通過在移動電話中植入藍牙技術(shù)，可以實現(xiàn)無線耳機、車載電話等功能，還能實現(xiàn)與便攜式計算機和其他手持設備的無電纜連接，組成一個方便靈活的ＰＡＮ。當藍牙技術(shù)普及后，藍牙移動電話還能作為一個工具，實現(xiàn)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)的應用領域已越來越廣闊，如：將藍牙技術(shù)應用于汽車行業(yè)中，實現(xiàn)對汽車各部件的實時監(jiān)控；將藍牙技術(shù)應用于建筑行業(yè)中，實現(xiàn)智能化住宅；在人口密度大的地區(qū)（如車站、機場、商場等）為用戶提供接入服務等。 我們針對電力系統(tǒng)的特點，正在將藍牙技術(shù)引入到電力系統(tǒng)中，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動抄表和用電實時管理以及高壓區(qū)的遠程操作。目前正在努力實現(xiàn)該系統(tǒng)的實用化。
4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
4.1 國外研究現(xiàn)狀
??? 自從1994年愛立信提出藍牙技術(shù)以來，這項低功耗、低成本的無線連接技術(shù)已經(jīng)獲得了巨大的發(fā)展。1998年5月，愛立信、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芯片完成整個藍牙協(xié)議，目前各大公司正在努力將整個藍牙協(xié)議植入一個芯片中。到2001年4月止，藍牙特殊興趣小組已有各種成員2 491位；已通過藍牙技術(shù)認證的產(chǎn)品（包括藍牙調(diào)制器、開發(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，各類測試設備（包括無線測試儀和協(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)來進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)控制和無線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(nèi)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(shù)千萬只手機和數(shù)百萬個其他ＩＴ設備被植入藍牙技術(shù)；到2005年，其全球的芯片市場將達50億美元。
4.2 國內(nèi)研究狀況與對策
??? 從國內(nèi)整體情況來看，目前參與藍牙特殊興趣小組的國內(nèi)企業(yè)還為數(shù)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(nèi)廠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通過與國外大公司的合作，掌握藍牙芯片的關鍵技術(shù)。在藍牙技術(shù)中，芯片是基礎，在藍牙技術(shù)成熟后，芯片市場將占據(jù)藍牙市場中的大部分。若我國擁有自己的藍牙芯片廠商，我國藍牙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展就可以免受或少受國外的牽制。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(zhàn)略。
??? ②加緊對藍牙技術(shù)的應用開發(fā)，加快藍牙技術(shù)在各種ＩＴ設備中的應用研究。目前，由于芯片價格和協(xié)議的不斷更新等原因，推出大規(guī)模的商業(yè)應用還不現(xiàn)實，但應緊跟技術(shù)的發(fā)展，針對各行業(yè)的應用加緊研究開發(fā)，為大規(guī)模的商業(yè)應用做充分的準備。國內(nèi)一些企業(yè)也正在討論用軟件方法來實現(xiàn)藍牙協(xié)議，當藍牙協(xié)議更新時，只需修改軟件就能實現(xiàn)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，企業(yè)間的利益沖突小。因此，國內(nèi)的企業(yè)應聯(lián)合起來，成立一個國內(nèi)的藍牙組織，共同推進藍牙技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展。同時，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(quán)，變被動跟蹤為主動出擊。
5 結(jié)束語
??? Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和移動通信的迅速發(fā)展，使人們對各種數(shù)據(jù)和移動服務的需求快速增長。藍牙技術(shù)作為一個全球開放性無線標準，通過把各種語音和數(shù)據(jù)設備用無線鏈路連接起來，使人們能夠隨時隨地實現(xiàn)個人區(qū)域內(nèi)語音和數(shù)據(jù)的交換與傳輸，隨著技術(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。