42蓝牙技术.docx

42蓝牙技术.docx

《42蓝牙技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《42蓝牙技术.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

42蓝牙技术

4.2蓝牙技术

4.2.1蓝牙基本概念

藍牙（Bluetooth），是一种无线个人局域网（WirelessPAN）。

是近年来随着各种短距离无线电技术的发展提出的一个新概念，用于实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络。

蓝牙技术是一种先进的大容量、近距离无线数字通信技术标准，可以实现最高1Mbit/s数据传输速度，最大10m传输距离。

蓝牙比802.11更具移动性。

802.11限制在局域网或校园网内，而蓝牙却能把一个设备连接到LAN（局域网）和WAN（广域网），支持全球漫游。

蓝牙成本低、体积小，可用于更多设备；支持点对点和点对多点的语音、数据业务和短距离无线通信技术方案。

藍牙技术最初由爱立信创建。

1999年5月20日，索尼爱立信、IBM、英特尔、诺基亚及东芝等业界龙头，创立藍牙特別兴趣小组（BSIG，BluetoochSpecialInterestGroup），制订蓝牙技术标准。

并在1999年7月26日推出了蓝牙技术规范1.0版本，2001年2月22日推出了1.1版本。

藍牙特別兴趣小组采取无偿向全世界产业界转让该项专利技术的策略，迅速得到全世界2000多家企业加盟，IEEE也专门成立了IEEE802.15小组负责研究基于蓝牙的PAN技术。

“藍牙”的名称，来自10世纪的丹麦国王哈拉尔德（HaraldGormsson）的外号。

出身海盗家庭的哈拉尔德统一了北欧四分五裂的国家，成为维京王国的国王。

由于他喜欢吃藍莓，牙齿常常被染成蓝色，而获「藍牙」的绰号，当藍莓因为颜色怪异的緣故，被认为是不适合食用的東西，因此这位爱尝新的国王也成為创新与勇於尝试的象征。

1998年，爱立信公司希望无线通信技术能统一标准而取名「藍芽」。

4.2.1蓝牙的技术优势

1.开放性优势

（1）支持的企业众多，蓝牙的支持企业几乎包括了全球各相关行业的所有著名企业。

（2）协议公开无偿使用，开放性赋予蓝牙强大的生命力。

蓝牙的发展轨迹符合当今新技术发展的理想模式——竞争前合作，即先由企业制定出相应的标准，再进行市场推广，最大程度地避免同一领域企业间的无序竞争。

（3）成为国际标准，2001年IEEE决定将蓝牙技术纳入IEEE802.5标准。

2.成本优势

（1）无需基站，蓝牙系统以芯片模块为节点，无需建立基站，就可以将各种通信、计算机、家电设备及其配件无线连接起来，实现廉价、简便的数据及语音传输。

（2）应用范围广，蓝牙低功耗，小的实现空间的特点，使得它完全可以嵌入到各种移动通讯设备中使用。

（3）协议相对简单，跳频、时分复用和时分多址等技术的使用，使得蓝牙的射频电路较为简单，协议的绝大部分内容，可以用专用集成电路和软件实现。

（4）数据传输速率适中，蓝牙的数据传输速率理论上可以达到1Mbit/s，实际使用时的有效值为每信道721kbit/s，是普通电话线的13倍，满足语音传输和数据传输的需要。

3.便携式优势

（1）实现体积小可为黄豆粒般大小；

（2）功耗低蓝牙工作或待机时所消耗的电流远小于移动电话的电流具有非常好的节电控制功能。

工作状态

工作电流

语音传输

10mA

数据传输

6mA

待机

0.3mA

保持

60uA

休眠

60uA

4.频带优势

第一代蓝牙产品主要面向商务旅行用户，要使这项技术能在全球范围内使用，必须采用全球免费使用，并且无需申请许可证的频段。

目前，能满足这一要求的是ISM频段2.4GHz。

ISM频带由三个频段组成，分别为902MHz（902~928MHz（26MHz））频段，2.4GHz（2.400~2.4835GHz（83.5MHz））频段和5.725GHz（5.725~5.850GHz）频段。

图4.1蓝牙运行在公开的2.4GHzISM频带

各种无线通信规范所使用的频带

类别

移动电话

全球定位系统

无线局域网

标准

GSM

WCDMA

GPS

蓝牙

IEEE802.11B

HomeRF

频带/GHz

0.9/1.8

2

1.575

2.4

2.4

2.4

由于2.4GHzISM频段的公开性，在技术上采取多项应对措施：

1）使用跳频扩谱技术

2）频道宽度限制在1MHz

3）采用快跳频和短数据包，提高抗干扰能力

4）语音编码采用连续可变斜率增量调制（CVSD）技术，可以在高比特误码率下，传输较高品质的语音

5.安全性优势

（1）抗干扰能力强采用快跳频，自适应功率控制和短数据包，蓝牙技术把ISM频段分割成79个跳频信道，以每秒1600次的伪随机跳频序列快速改变，避免干扰。

（2）保密性好蓝牙传输具有全方位特性，为了提高防窃听能力，在蓝牙基带协议中，加入了鉴权和加密措施。

鉴权是指对蓝牙设备用户身份的鉴别和确认；加密是在传输数据中加入干扰码，保持链路中的机密性。

（3）低辐射蓝牙的标称输出功率为1mW，基本通信距离只有10m，节省功耗，降低辐射。

6.便利性优势

自动寻找周围的蓝牙设备和接入能力。

可以穿透障碍物。

蓝牙的点到多点通信功能，可以同时连接多达7个设备，构成一个微网。

4.2.3蓝牙的技术要素

蓝牙技术是从无线局域网802.11技术演变而来，做了简化和浓缩。

（1）蓝牙网络的构成

1）主设备与从设备

主动提出通信要求的设备是主设备，被动进行通信的设备为从设备。

1台主设备最多可同时与7台从设备进行通信，并可以和多达256个从设备保持同步但不通信。

1台从设备与另1台从设备通信的唯一途径是通过主设备转发。

蓝牙系统提供点对点连接方式（即：

蓝牙中仅有两点）或一点多址连接方式。

在一点多址连接方式中，信道是分在几个蓝牙单元中。

分在同一信道中的两个或两个以上的单元形成一个微网（Piconet）。

图4.2蓝牙微网的内部构成示意图

2）微网与扩散网

1台主设备和1台以上从设备构成的网络称为微网（皮克网）（Piconet）。

一个蓝牙单元作为微网的主单元，其余的可作为从单元看待。

在一个微网中最多可有七个活动从单元。

另外，更多的从单元被锁定在休眠状态中。

这些处于休眠状态的从单元在该信道中不能被激活，但对主单元来讲它们仍由主单元同步。

无论对激活或休眠状态来讲，信道访问都由主单元控制。

图4.3蓝牙技术构成不同类型的网络

a）单个从设备构成的微网（点对点）；b）多个从设备构成的微网（点对多点）；c）多个微网构成的扩散网

具有重叠复盖域的微网之间存在设备间的通信，形成一个扩散网络（Scatternet）结构。

每个微网只能具有一个单独主单元，然而从单元可分享基于时分多址的不同微网。

另外，在一个微网中主单元可视为另一个微网的从单元。

且各微网间不再是以时间或频率同步，各微网有自己的跳频信道。

图4.4蓝牙扩散网结构示意图

3）对等网络Ad-hoc

蓝牙设备在规定的范围内和规定的数量限制下，可以自动建立相互之间的联系，而不需要一个接入点或者服务器，由于这种网络是由某些蓝牙设备临时构成的网络，所以Ad-hoc网络又称临时网。

由于网络中的每台设备在物理上都是完全相同的，因此又称为对等网。

（2）发射机按输出功率分为三种类型。

功率分类1：

最大输出功率（Pmax）是：

100mW（20dBm）。

最小输出功率（Pmin）：

1mW（0dBm）。

功率分类2：

最大输出功率（Pmax）是：

2.5mW（4dBm）。

一般输出功率：

1mW（0dBm）。

最小输出功率：

0.25Mw（-6dBm）。

功率分类3：

最大输出功率（Pmax）：

1mW（0dBm）。

接收机特性:

为测试误码率性能，接收机设备必须具有“回传”功能，设备回传译码信息。

参考灵敏度电平为-70dBm。

实际灵敏度电平:

蓝牙技术中的接收机实际灵敏度电平是-70dBm。

干扰特性:

干扰信号的频率分布在带外2400~2497MHz，干扰信号将被蓝牙调制。

（3）网络连接的建立

蓝牙系统有三种主要状态：

待机状态，连接状态和节能状态。

从待机状态向连接状态转变的过程中，有7个子状态：

寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主响应、从相应、查询相应。

图4.5蓝牙从待机到连接的过渡过程

待机状态，是蓝牙单元中的默认状态。

在这个状态下，蓝牙单元处于低功耗模式，只有本地时钟以LOP精度运行。

控制器可以脱离待机状态去扫描呼叫、查询消息、呼叫或自身查询。

待机状态时对一个呼叫消息响应时，该单元不会再返回到待机状态，而是作为一个从单元进人联机状态。

当执行呼叫成功时，呼叫单元将作为一个主单元进人联机状态。

联机状态，联机已建立分组可以接收和发送。

在两个单元里，使用信道（主）识别码和主蓝牙时钟。

跳频方案使用主信道跳频序列。

主单元在偶数时隙（CLK1-0=00）开始传输，从单元在奇数信道（CLK1-0=10）开始传输。

联机状态以主单元用POLL分组发送开始去核查主单元的定时和信道跳频切换，从单元以任何类型的分组响应。

如果从单元没收到POLL分组或主单元没收到新的联机时隙数响应，两边设备都返回到呼叫/呼叫扫描子状态。

在联机状态中第一个信息分组包含了表述链接特性和有关蓝牙单元更多细节的控制消息。

这些消息在单元的链接管理器间进行互换。

例如，它定义了SCO链接和呼吸参数，然后用户信息的传输由传送和接收分组交替运行。

联机状态通过detach和reset命令结束。

如果链接以正常方式结束,就使用detach命令，此时在蓝牙链接控制器的所有设置数据仍然有效。

reset命令是整个控制器处理强制清除。

在清除后，控制器必须重新设置。

在联机状态里，蓝牙单元可以具有多种操作模式。

（4）节能状态（简略）

1）休眠状态

2）保持状态

3）侦听状态

（5）跳频扩谱技术

藍牙的标准是IEEE 802.15.1，藍牙协议工作在无需许可的ISM（IndustrialScientificMedical）频段的2.45GHz。

可以实现可靠的最高传输速度723.1kb/s。

为了避免干扰可能使用2.45GHz的其它协议,藍牙协议将该频段划分成79頻道，（頻宽为1MHZ）每秒的頻道转換可达1600次。

图4.6跳频扩谱技术

（6）编址技术

蓝牙编址，蓝牙设备地址（BD_ADDR）

蓝牙的收、发信机都分配有一个48位的蓝牙设备地址（BD_ADDR）。

该地址取自IEEE802标准。

这个48位地址被分为三个部分：

●LAP（蓝牙局域网接入点）字段：

由24位构成的低地址部分；用于同步字的产生和跳频。

●UAP（厂商标识码高位）字段：

由8位构成的高地址部分；用于HEC（Header-Error-Check头检错）和CRC初始化和跳频。

●NAP（厂商标识码高位）字段：

由16位构成的非有效地址部分；用于加密流初始化和跳频。

UAP和NAP构成生产厂商唯一标识码（OUI），属于地址一部分。

由权威机构根据不同厂商分配；LAP在各厂商内部分配。

识别码：

在蓝牙系统中，有72位和68位的识别码用作信号目的。

共定义了三种不同的识别码。

●设备识别码（DAC）

●信道识别码（CAC）

●查询识别码（IAC）

对于一般查询操作有一个一般的IAC（GIAC），而对于指定查询操作有63个指定的IAC（DIAC）。

所有代码取自BD_ADDR中的LAP。

设备识别码用于呼叫，呼叫扫描和呼叫响应状态。

它是一个取自单元的BD_ADDR代码，匹克网信道的信道识别码特性和在信道上所有分组交换的头格式。

信道识别码取自主单元的BD_ADDR的LAP。

最后，查询识别码用于查询操作。

一般查询识别码为所有蓝牙单元公用，指定查询识别码的设置用于设备类型的查询。

识别码也用于对接收器指出分组的到来。

它用于定时同步和补偿校正。

在识别码里接收机与整个同步字无关，它提供了一个十分完整的信号。

在信道建立过程中，代码本身当作一个ID分组来支持采集过程，另外，在休眠状态下，它用于随机识别过程。

识别码由头，同步字和尾构成。

（7）安全加密

加密，用户信息通过匹克网的加密保护；识别码和分组头不加密。

有效信息的加密称为对每个有效载荷重同步的E0加密流执行。

加密流系统E0由三部分组成。

第一部分实现初始化（有效载荷字的生成）；

第二部分产生字流位；

第三部分完成加密和解密。

有效载荷字发生器很简单，它仅仅以适当序列组合输入位，然后移出它们到字流发生器的四位FLSR。

第二部分是加密系统的主要部分并也用于初始化中。

字流位通过取自于因Massey和Rueppel流加密求和发生器的方法来生成。

这是一种好的研究方法并有着谈到目前密码分析方法力度的好的评价。

虽然求和发生器用在称为“相互攻击”方面有弱点，但重同步的高密度将抑制这类攻击。

加密字长度协调

用在基带规范里的各蓝牙设备需要定义一个字最大允许长度参数Lmax。

1≤Lmax≤16（字里的八进制数）。

作为各种应用，参数Lmin定义为实际应用最小可接受字长度。

在加密字产生前，涉及到的单元必须协调决定实际应用的字的长度。

主单元送出一个暗示值Lsug（M）到从单元。

最初暗示值设成Lmax（M）。

如果Lmin（S）≤Lsug（M），而且从单元支持该暗示值长度，则从单元确认且该值为这种链接的加密字。

如果两个条件都不满足，从单元送出一个新的建议Lsug（S）

该值将是在所有可支持长度中最大值但小于先前主单元的暗示值。

主单元在从单元的暗示上完成响应的测试。

该过程一直持续到字一致为止，或一个单元协调异常中止。

该异常中止可由支持Lsug的缺乏和如果在某个单元里Lsug

在异常中止情况里，蓝牙链接加密字不能使用。

建立安全链接失败的可能性是，允许申请决定是否接受或拒绝暗示字长度的必然结果。

然而这是一种必要的预防措施，否则一个非法用户单元通过申请一个小的最大字长度在链接上实行强制弱保护。

加密字模式

如果从单元具有半永久链接字（即：

组合字或单元字），它只能在自身（当然在主单元的相反方向）个别地址时隙上接受加密字。

特别是假设广播消息不是加密字，可行的通信模式如表所示：

当在表里的登录项涉及到链接字时，它意指加密/解密引擎使用从链接字导出的加密字。

如果从单元接收主单元字，就有如表所示的三种可能的组合。

在这种情况下，匹克网中的所以单元都使用公共链接字，Kmaster。

由于主单元使用从匹克网上整个安全通信的链接字中导出的加密字，避免参与使用加密字的从单元多义性是可能的。

在这种情况下，默认方式是无加密的广播消息。

对于广播和个别地址通信，特定的LM命令用来激活加密。

主单元能够发布LM命令到从单元并通知它们后退到它们先前半永久链接字，且不管它们以前处于什么模式，都将结束在使用半永久链接字从单元的可行通信模式表上第一行的无加密模式上。

加密概念作为加密惯例，密码算法流用在发送到无线接口的加密位和按位模2和的数据流上。

有效载荷加密附加在CRC位后，但它们先于FEC编码。

各分组是单独加密。

密码算法E0使用的随机数EN_RANDA，主单元蓝牙地址，主单元实时时钟（CLK26-1）的26位和加密字作为输入。

EN_RANDA在登录加密模式前通过主单元发布。

注意：

EN_RANDA是公开的，因为在空中它是一个明码文本。

该128位随机数部分可用加密字部分（保密）替换，结果在加密字里的保密位和要求的字长度一致。

详细

内容请见LFSR初始化。

加密字以KC标注。

该字的最大值由生产商预置，而且在1到16（8-128位）之间可设置成任何八的倍数。

该字导出过程见用于E3-字生成功能内容。

加密算法E0生成二进制字流，Kcipher，该字流是加密的模2和数据。

密码是对称的；解密使用完全和加密相同的字和相同的方法实现。

加密算法：

使用线形反馈移位寄存器（LFSRS）的系统输出是一个有16个状态的简单有限状态机（称作求和合成器）的组合。

该状态机的输出是字流序列，或在初始化中的状态中随机的初始化开始值。

算法由加密字KC提供，48位蓝牙地址，主单元时钟位CLK26-1和128位RAND值。

（8）蓝牙的应用

藍牙用于在不同的设备之间进行无线连接。

例如连接计算机和外围设备。

例如：

打印机、键盘等，手持数码设备（PDA）与其它附近的PDA或计算机进行通信。

目前市面上具备蓝牙技术的手机选择非常丰富，可以连接到计算机、PDA甚至连接到免提听筒。