移动技术蓝牙综述.docx
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移动技术蓝牙综述
移动技术课程报告
蓝牙技术综述
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1蓝牙技术简介1
1.1起源1
1.2概念1
1.3形成背景1
1.4蓝牙标准的发展2
2蓝牙技术原理2
2.1系统组成2
2.2核心协议栈3
3蓝牙技术细节4
3.1射频特性4
3.2采用TDMA结构4
3.3使用跳频技术4
3.4全球范围内工作5
3.5蓝牙设备的组网5
3.6蓝牙系统的建立过程5
4不同蓝牙标准比较及主要特点6
4.1蓝牙2.0+EDR6
4.2蓝牙2.1+EDR7
4.3蓝牙3.0+HS7
4.4蓝牙4.08
5蓝牙的应用9
6蓝牙优缺点及总结10
1蓝牙技术简介
1.1起源
蓝牙的名字来源于10世纪丹麦国王HaraldBlstsnd，英译为HaroldBluetooth（因为他十分喜欢吃蓝梅，所以牙齿每天都带着蓝色）。
在行业协会筹备阶段，需要一个极具有表现力的名字来命名这项高新技术。
行业组织人员，在经过一夜关于欧洲历史和未来无限技术发展的讨论后，有些人认为用Blstsnd国王的名字命名再合适不过了。
Blstsnd国王将现在的挪威，瑞典和丹麦统一起来；他的口齿伶俐，善于交际，就如同这项即将面世的技术，技术将被定义为允许不同工业领域之间的协调工作，保持着个各系统领域之间的良好交流，例如计算，手机和汽车行业之间的工作，于是“蓝牙”就这么定下来了。
1.2概念
蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。
利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。
蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段，其数据速率为1Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。
1.3形成背景
1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。
这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组，以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。
1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。
全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品，使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景，并预示着21世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。
1.4蓝牙标准的发展
（1）V1.1（1998年）：
为最早期版本，传输率约在748~810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。
（2）V1.2：
748~810kb/s的传输率，增加了（改善Software）抗干扰跳频功能。
（3）V2.1（2004年）：
改善了装置配对流程，短距离的配对方面，具备了在两个支持蓝牙的手机之间互相进行配对与通讯传输的NFC（NearFieldCoMMunication）机制。
具备更佳的省电效果。
（4）V3.0（2009年）：
核心是“GenericAlternateMAC/PHY”（AMP），这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。
传输速率更高，功耗更低。
（5）V4.0（2010年）：
包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。
蓝牙4.0的改进之处主要体现在三个方面，电池续航时间、节能和设备种类上。
有效传输距离也有所提升，为60M。
2蓝牙技术原理
2.1系统组成
蓝牙系统由四个功能单元组成：
天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元、软件（协议栈）单元。
（1）天线单元
天线发射功率符合FCC关于ISM波段的要求；发射功率为100mW；跳频速率为1600跳/秒。
（2）链路控制（固件）单元
描述了链路控制器，实现了基带协议和其他的底层连接规程，同时引入了媒体接入控制（MAC）、差错控制、认证与加密等机制。
（3）链路管理（软件）单元
链路管理器（LM）软件实现链路的建立认证及链路配置等，通过连接管理协议（LMP）建立通信联系，LM利用链路控制器（LC）提供的服务实现上述功能。
（4）软件（协议栈）单元
蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分：
核心（Core）部分和协议子集（Profile）部分。
协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输，跳频和数据帧传输，连接的建立和释放，链路的控制，数据的拆装等功能。
2.2核心协议栈
蓝牙技术的整个协议体系结构分三大部分：
底层硬件模块、中间协议层和高层应用。
蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。
在被保留的时隙中可以传输同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。
一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩展到占用5个时隙。
蓝牙可以支持异步数据信道、多达3个的同时进行的同步话音信道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。
每个话音信道支持64kb/s同步话音链路。
异步信道可以支持一端最大速率为721kb/s而另一端速率为57.6kb/s的不对称连接，也可以支持43.2kb/s的对称连接。
蓝牙核心协议栈分为5层：
（1）无线电（radio）
确定包括频率、跳频的使用、调制编码和传输功率在内的各中接口细节。
（2）基带（baseband）
负责一个微微网中的连接建立、寻址、分组格式、计时和功率控制。
（3）链路管理器协议（linkmanagerprotocol，LMP）
负责在蓝牙设备和正在运行的链路管理器之间的链路控制和管理，其中包括诸如认证、加密等安全因素及基带分组大小的控制和协商。
（4）逻辑链路控制和自适应协议（logicallinkcontrolandadaptationprotocol，L2CAP）：
使高层协议适应基带层，L2CAP提供无连接和面向连接服务。
（5）服务发现协议（servicediscoveryprotocol，SDP）
询问设备信息、服务与服务特征，使得在两个或多个蓝牙设备间建立连接成为可能。
3蓝牙技术细节
3.1射频特性
工作在GSM2.45GHz频段；收发机配置符合IEEE802标准48位地址；数据频率为1Mb／s；使用扩频和跳频技术，噪音环境也能工作；工作范围约10m，可加至100m。
3.2采用TDMA结构
在1.0B版本的标准中，蓝牙的基带符号速率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625ms，不排除将来采用更高的符号速率。
蓝牙支持64kb/s的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数PCM（脉码调制）或连续可变斜率增量调制（CVSD，ContinuosVariableSlopeDeltaModulation）。
语音和数据可单独或同时传输。
当仅传输语音时，蓝牙设备最多可同时支持3路全双工的话音通信；当语音和数据同时传输或仅传输数据时，支持433.9kb/s的对称全双工通信，或723.2kb/s、57.6kb/s的非对称双工通信，后者特别适合无线访问Internet。
另外，还采用CRC（CyclicRedundancyCheck）、FEC（ForwardErrorCorrection）及ARQ（AutomaticRepeatRequest）以提高通信的可靠性。
3.3使用跳频技术
跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hopchannel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做"伪随机码"，就是"假"的随机码）不断地从一个信道"跳"到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。
与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。
跳频是蓝牙使用的关键技术之一。
对应于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳每秒，对应于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时（包括寻呼和查询）则提高为3200跳每秒。
使用这样高的跳频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力。
3.4全球范围内工作
蓝牙的基本出发点是可使其设备能够在全球范围内应用於任意的小范围通信。
任一蓝牙设备，都可根据IEEE802标准得到一个唯一的48-bit的BD_ADDR，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。
在BD_ADDR基础上，使用一些性能良好的演算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码（ID，Identification）在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。
3.5蓝牙设备的组网
根据网路的概念提供点对点和点对多点的无线链接。
在任意一个有效通信范围内，所有设备的地位都是平等的。
首先提出通信要求的设备称为主设备（Master），被动进行通信的设备称为从设备（Slave）。
利用TDMA，一个Master最多可同时与7个Slave进行通信并和多个Slave（最多可超过200个）保持同步但不通信。
一个Master和一个以上的Slave构成的网路称为蓝牙的主从网路（Piconet）。
若两个以上的Piconet之间存在著设备间的通信，则构成了蓝牙的分散网路（Scatternet）。
基于TDMA原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在Piconet和Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，还可同时既是Master又是Slave。
因此，在蓝牙中没有基站的概念。
另外，所有设备都是可移动的。
3.6蓝牙系统的建立过程
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。
蓝牙系统建立过程如下图所示：
4不同蓝牙标准比较及主要特点
4.1蓝牙2.0+EDR
蓝牙EDR是蓝牙增强速率（EnhancedDataRate）的英文缩写，其特色是大大提高了蓝牙技术的数据传输速率，达到了2.1Mbps，是之前蓝牙技术的三倍。
因此除了可获得更稳定的音频流传送和更低的耗电量之外，还可充分利用带宽优势同时连接多个蓝牙设备。
目前诸如多普达710等手机已经开始支持蓝牙EDR技术。
蓝牙2.0+EDR是1.2的改良版本，传输率约在1.8M/s~2.1M/s范围内。
有双工的工作方式，即同时进行语音通讯，以及传输档案或图片。
特点：
（1）数据传输速度可达当前速率的3倍（在没有障碍物的情况下可高达10倍）。
（2）通过减少工作负载循环（dutycycle）降低能源消耗。
（3）带宽的增加简化了多连接模式。
（4）可与以往的蓝牙规范兼容。
（5）进一步改善了BER（BitErrorRate，位误差率）的表现。
目前应用最为广泛的是Bluetooth2.0+EDR标准，该标准在2004年已经推出，支持Bluetooth2.0+EDR标准的产品也于2006年大量出现。
虽然Bluetooth2.0+EDR标准在技术上作了大量的改进，但从1.X标准延续下来的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。
4.2蓝牙2.1+EDR
为了改善蓝牙技术目前存在的问题，蓝牙SIG组织（SpecialInterestGroup）推出了Bluetooth2.1+EDR版本的蓝牙技术。
（1）改善装置配对流程：
由于有许多使用者在进行硬件之间的蓝牙配对时，会遭遇到许多问题，不管是单次配对，或者是永久配对，在配对的过程与必要操作过于繁杂，以往在连接过程中，需要利用个人识别码来确保连接的安全性，而改进过后的连接方式则是会自动使用数字密码来进行配对与连接。
举例来说，只要在手机选项中选择连接特定装置，在确定之后，手机会自动列出目前环境中可使用的设备，并且自动进行连结。
（2）更佳的省电效果：
蓝牙2.1版加入了SniffSubrating的功能，通过设定在2个装置之间互相确认讯号的发送间隔来达到节省功耗的目的。
一般来说，当2个进行连结的蓝牙装置进入待机状态之后，蓝牙装置之间仍需要通过相互的呼叫来确定彼此是否仍在联机状态，也因为这样，蓝牙芯片就必须随时保持在工作状态，即使手机的其它组件都已经进入休眠模式。
为了改善了这样这样的状况，蓝牙2.1将装置之间相互确认的讯号发送时间间隔从旧版的0.1秒延长到0.5秒左右，如此可以让蓝牙芯片的工作负载大幅降低，也可让蓝牙可以有更多的时间可以彻底休眠。
根据官方的报告，采用此技术之后，蓝牙装置在开启蓝牙联机之后的待机时间可以有效延长5倍以上。
4.3蓝牙3.0+HS
2009年4月21日，蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）正式颁布了新一代标准规范"BluetoothCoreSpecificationVersion3.0HighSpeed"（蓝牙核心规范3.0版高速），蓝牙3.0的核心是"GenericAlternateMAC/PHY"（AMP），这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。
（1）传输速度：
作为新版规范，蓝牙3.0的传输速度自然会更高，而秘密就在802.11无线协议上。
通过集成"802.11PAL"（协议适应层），蓝牙3.0的数据传输率提高到了大约24Mbps（即可在需要的时候调用802.11WI-FI用于实现高速数据传输）。
，是蓝牙2.0的八倍，可以轻松用于录像机至高清电视、PC至PMP、UMPC至打印机之间的资料传输。
（2）功耗：
通过蓝牙3.0高速传送大量数据自然会消耗更多能量，但由于引入了增强电源控制（EPC）机制，再辅以802.11，实际空闲功耗会明显降低，蓝牙设备的待机耗电问题有望得到初步解决。
此外，新的规范还具备通用测试方法（GTM）和单向广播无连接数据（UCD）两项技术，并且包括了一组HCI指令以获取密钥长度。
（3）AMP射频技术原理
Bluetooth3.0的核心技术是GenericAlternateMAC/PHY（AMP），这是一个全新的交替射频技术，他允许蓝牙协议栈针对任何一个任务动态的选择正确的射频。
GenericAMP决定了蓝牙功能和协议，使之具有可以使用一个或多个交替高速广播技术的高码率的优势。
AMP修改了标准蓝牙核心架构以便在L2CAP层下使用多重交替广播，同时使用标准蓝牙射频（标注基本码率（BR）和扩展码率（EDR）分别为1Mbps和3Mbps）实现复原和连接以及匹配。
通俗一点的原理是允许消费类设备使用已有的蓝牙技术，同时通过使用第二种无线技术来实现更快的吞吐量。
蓝牙模块仅仅是用来创建两台设备之间配对，数据传输本身是通过Wi-Fi射频来完成，如果两部手机中有一部没有内建Wi-Fi模块的话，蓝牙传输的速度就会降到Bluetooth2.0的速率。
4.4蓝牙4.0
蓝牙4.0是2012年最新蓝牙版本，是3.0的升级版本；较3.0版本更省电、成本低、3毫秒低延迟、超长有效连接距离、AES-128加密等；通常用在蓝牙耳机、蓝牙音箱等设备上。
（1）主要特点
采用两种部署方式：
双模式和单模式。
双模式中，低功耗蓝牙功能集成在现有的经典蓝牙控制器中，或再在现有经典蓝牙技术（2.1+EDR/3.0+HS）芯片上增加低功耗堆栈，整体架构基本不变，因此成本增加有限。
单模式面向高度集成、紧凑的设备，使用一个轻量级连接层（LinkLayer）提供超低功耗的待机模式操作、简单设备恢复和可靠的点对多点数据传输，还能让联网传感器在蓝牙传输中安排好低功耗蓝牙流量的次序，同时还有高级节能和安全加密连接。
（2）技术细节
速度：
支持1Mbps数据传输率下的超短数据包，最少8个八组位，最多27个。
所有连接都使用蓝牙2.1加入的减速呼吸模式（sniffsubrating）来达到超低工作循环。
跳频：
使用所有蓝牙规范版本通用的自适应跳频，最大程度地减少和其他2.4GHzISM频段无线技术的串扰。
主控制：
更加智能，可以休眠更长时间，只在需要执行动作的时候才唤醒。
延迟：
最短可在3毫秒内完成连接设置并开始传输数据。
范围：
提高调制指数，最大范围可超过100米。
健壮性：
所有数据包都使用24-bit CRC校验，确保最大程度抵御干扰。
安全：
使用AES-128CCM加密算法进行数据包加密和认证。
拓扑：
每个数据包的每次接收都使用32位寻址，理论上可连接数十亿设备；针对一对一连接优化，并支持星形拓扑的一对多连接；使用快速连接和断开，数据可以再网状拓扑内转移而无需维持复杂的网状网络。
蓝牙4.0将三种规格集一体，包括传统蓝牙技术、高速技术和低耗能技术，与3.0版本相比最大的不同就是低功耗。
“4.0版本的功耗较老版本降低了90%。
另外蓝牙4.0依旧向下兼容，包含经典蓝牙技术规范和最高速度24Mbps的蓝牙高速技术规范。
三种技术规范可单独使用，也可同时运行。
5蓝牙的应用
遵循蓝牙协议的各种应用都保证简单易用的安装和操作、高效的安全机制和完全的互操作性，从而实现随时随地的通信。
横跨无线电通信技术行业，个人电子计算机行业、网络产业、工业、汽车制造业以及电子产品消费行业，Bluetooth把众多的用户从必须受众多的线路困扰的窘境中解放出来，其典型应用环境包括无线办公环境（WirelessOffice）、汽车工业、信息家电、医疗设备等等。
（1）办公环境中，无线局域网设备每年急速增长，市场价值飞速猛涨。
在办公室中蓝牙设备将消除桌面上错综复杂的连线，通过无线接入局域网，实现文件、调制解调器、打印机和服务器的共享，同时也可应用于无绳电话。
在开办公会议时，可以用无线的方式访问其他成员，共享文件等信息。
家庭办公者可以在PC、电子设备、无绳电话等设备间共享话音和数据，在任何房间中访问Internet，共享ISP连接。
在旅行途中，可以就近无线接入Internet，在旅馆的房间或者机场方便地访问网络。
（2）蓝牙技术在汽车工业中有巨大的市场潜力。
汽车的主人可由此获得与在家中同样的网络服务，汽车中的电话和音频服务将更加便利，主人可以通过移动电话控制汽车的上锁和开启，调节座位和温度等环境，以及汽车中各种控制设备，同时还可以从服务中心获得及时路况、事故等信息。
Bluetooth一旦应用到汽车中，每年将至少产生五千万台设备的市场需求。
（3）随着家电产品数字化程度的不断提高，我们可以设想把所有的信息家电通过一个遥控器来进行控制。
这一个遥控器不但可以控制电视、计算机、空调器，同时还可以用作无绳电话或者移动电话，甚至可以在这些信息家电之间共享有用的信息，比如把电视节目或者电话语音录制下来存储到电脑中。
（4）使用蓝牙互连的各种电子医疗设备具有更广泛的应用范围，可以在各种设备及医疗人员之间更好的协作，出现紧急状态时及时发出告警，在远程医疗中也有很好的市场潜力。
总之，蓝牙系统的小功率，微型化，低成本以及与网络时代相适应的特性，使它具有广阔的应用前景，随着技术和应用的不断发展，蓝牙技术将在信息家用电器中扮演重要角色，市场潜力巨大。
6蓝牙优缺点及总结
蓝牙系统可以随时随地地用无线接口代替有线电缆连接，具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，如WAP、GSM（全球移动通信系统）、DECT（欧规数字无绳通信）等，引入身份识别后可以灵活地实现漫游；低功耗，对人体伤害小；蓝牙集成电路简单，成本低廉，实现容易，易于推广。
当然，每一种技术与媒体都不是十全十美的，都不能解决所有的问题，只是在某些特定的方面具有更好的优越性。
蓝牙技术也同样具有一定的不足之处，如传输距离较短、传输速率较慢、易受电波干扰等问题。
蓝牙4.0集三种规格于一体，包括传统蓝牙技术、高速技术和低耗能技术，但目前市场上主要应用的还是2.0、2.1的版本，这就说明还是存在一些技术应用上的问题。
虽然基于AMP的射频技术，蓝牙传输速率可以达到Wifi的传输速率，约24Mbps，但我觉得这似乎有些鸡肋，如果已经有Wifi，又何必特地通过蓝牙技术来进行对接，再通过Wifi传输呢。
蓝牙设备间的连接过程虽不断简化，但也相对复杂，不同蓝牙设备，不同版本间的连接也并非完全兼容，如苹果设备只能与苹果设备进行蓝牙的连接。
低功耗技术仍是重中之重，在如今的移动互联网时代，移动设备已占据大部分市场，只有低功耗的产品，才是好的产品。
因此，我觉得蓝牙技术由于传输距离短，在一些场合确实不实用，但在短距离传输环境中却大有可为，因此应继续提高传输速率，不应该完全寄托于AMP机制，使用其它技术来提升自己的传输速率，而应该突破自己的速率限制，达到高速传输。
此外，对于低功耗技术研究的同时，我认为将无线充电技术引入到蓝牙技术中，也可以解决一些问题。
在蓝牙设备组成的网络中，假如有固定蓝牙设备（有电源连接），便可以在允许的条件下对无线移动蓝牙设备进行充电，数据传输与充电过程同时完成。
我相信随着技术的改进和完善，蓝牙技术将会影响到生活中的各个方面乃至整个IT业在这个飞速发展的信息时代。
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