蓝牙.docx

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蓝牙

蓝牙概述

物理蓝牙系统有两种主要状态：

待机（Standby）和联机（Connection）。

从待机状态向联机状态转变的过程中，有7个子状态：

寻呼（Page）、寻呼扫描（PageScan）、查询（Inquiry）、查询扫描（InquiryScan）、主响应（MasterResponse）、从响应（SlaveResponse）、查询响应（InquiryResponse）。

子状态是用来在匹克网中增加新的从单元的过渡状态。

蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：

激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。

激活（Active）模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式，三种节能模式中，呼吸（Sniff）模式功耗最高，对于主设备响应最快，休眠（Park）模式功耗最低，对于主设备响应最慢。

要从一个状态转到另一个状态，要么使用蓝牙链接管理器命令，要么使用链接控制器的内部命令（像来自于相关器或超时信号的激发信号）。

蓝牙各种子状态可以相互转换，在待机模式下，如果设备有数据传输的需求，可以有2种方式进入连接模式。

第一：

如果主设备知道从设备的蓝牙地址，可以采用直接寻呼的方式进入连接状态。

第二：

这个主设备不知道从设备的地址，通过查询来获得从设备的蓝牙地址，再进行寻呼，进入连接状态。

也可以从连接状态进入各种低功耗模式。

下面为蓝牙链接控制器状态图：

蓝牙网络建立

在微微网建立之前，所有设备都处于就绪（STANDBY）状态。

在该状态下，未连接的设备每隔1.28秒监听一次消息，设备一旦被唤醒，就在预先设定的32个跳频频率上监听信息。

跳频数目因地区而异，但32个跳频频率为绝大多数国家所采用。

连接进程由主设备初始化。

如果一个设备的地址已知，就采用页信息（Pagemessage）建立连接；如果地址未知，就采用紧随页信息的查询信息（Inquirymessage）建立连接。

查询信息主要用来查询地址未知的设备（如公用打印机、传

真机等），它与页信息类似，但需要附加一个周期来收集所有的应答。

在初始页状态（PAGEstate），主设备在16个跳频频率上发送一串相同的页信息给从设备，如果没有收到应答，主设备就在另外的16个跳频频率上发送页信息。

主设备到从设备的最大时延为两个唤醒周期（2.56秒），平均时延为半个唤醒周期（0.64秒）。

在微微网中，无数据传输的设备转入节能工作状态。

主设备可将从设备设置为保持方式（HOLDmode），此时，只有内部定时器工作；从设备也可以要求转入保持方式。

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（SNIFFmode）和休眠方式（PARKmode）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，其间隔大小视应用情况由编程确定；在休眠方式下，设备放弃了MAC地址，仅偶尔监听网络同步信息和检查广播信息。

各节能方式依电源效率高低排列为：

休眠方式→保持方式→监听方式。

蓝牙通信的主从关系

一个具备蓝牙通讯功能的设备，既可做主设备也可以做从设备，由固件（firmware）来设置区分，可在两个角色间切换。

主设备（master）即发起连接的设备；从设备（slave）即接收连接的设备。

平时工作在从模式，等待其它主设备来连接；需要时，转换为主模式，向其它设备发起呼叫。

一个蓝牙设备以主模式发起呼叫时，需要知道对方的蓝牙地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。

待机状态（STANDBYSTATE）

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（或更好的）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。

当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，该单元将作为一个主单元进入联机状态。

蓝牙连接过程

信道（physicalchannel）是蓝牙系统的最底层结构，它以一伪随机跳频序列、特定的发送时槽定时、接入码及帧头编码来表征。

蓝牙定义了一系列物理信道用于不同的应用，包括用于匹克网内设备通信的匹克网物理信道，用于寻呼设备的寻呼扫描物理信道和用于查找设备的查找扫描物理信道。

两台设备必须采用相同的物理信道才能进行通信。

主从设备建立连接的过程就是建立相同的匹克网信道的过程，这样主从设备才能以同样的定时和次序进行载波频率的跳变，进行数据传输，同时可以根据匹克网接入码和帧头编码进行数据过滤和解析，避免和其他设备在同一个频段上的偶尔的相撞。

寻呼扫描物理信道（pagescanphysicalchannel）用于主设备寻呼从设备，主设备会以跳频的方式去寻呼从设备，是设备建立连接的必经阶段，主从设备是匹克网内设备的概念，这里用来指发起寻呼的设备和寻呼扫描设备。

寻呼扫描跳频序列和寻呼请求帧的设备接入码-DAC是由从设备物理地址运算出来的，主设备以该跳频序列进行载波频率的跳变并在发送时间槽内发送寻呼请求，处于可被连接模式的从设备以固定的周期（由pagescaninterval决定）在一个固定的时间窗（由pagescanwindow决定）内以某个跳频频率监听主设备的寻呼请求，监听到请求便在下个时间槽立即发送从设备寻呼响应（slavepageresponse），主设备在收到从设备寻呼响应的下个时间槽发送主设备寻呼响应（masterpageresponse），该响应中包含了由主设备地址运算出来的跳频序列信息和时钟相位，从设备接收到这些信息便进入连接状态并自动成为匹克网的从设备，并再次返回从设备寻呼响应，主设备收到该响应后进入连接状态并自动成为匹克网的主设备，这样两个设备之间便建立连接，即ACL链路连接。

应用层的连接是建立在匹克网物理信道之上的逻辑连接，当ACL链路连接建立后，主设备会发起channel的连接请求，即L2CAP的连接，建立L2CAP的连接之后，主设备通过SDP查询从设备的相应服务，从中得到rfcomm的逻辑通道号，依据该通道，主设备会发起rfcomm的连接请求建立rfcomm的连接，然后就建立了应用层级的连接。

蓝牙抗干扰性和保密性

扩频技术被用于蓝牙通信，以保证其通信的抗干扰性和保密性。

通过将窄带宽的信息经过调制和扩频，在接收端以约定好的方式解扩和解调，恢复原始信号，由于扩频会将干扰信号同时进行扩频，所以干扰信号的功率谱密度大大降低，而在解扩的时候又会被滤波掉，所以就将干扰信号的干扰强度大大降低，保证了蓝牙通信的抗干扰性和被窃听的可能。

调制和解调采用通用的FSK方式，而扩频和解扩则采用事先约定好的伪随机扩频码序列。

由于扩频降低了信号的功率谱密度，所以被监听的可能也大大减小了，对其他窄带通信系统的干扰也很小。

蓝牙采用跳频技术进行扩频，上述的伪随机扩频码序列在蓝牙技术内被称为跳频序列。

蓝牙主设备决定跳频序列，从设备依照该序列以每秒1600跳的

蓝牙配对机制

蓝牙通信有三种安全模式，级别最高的便是“链路级安全模式”，它要求设备在链路建立前采用“认证”的方式进行安全保护，在链路建立后的应用层级上可以进行数据加密。

配对便是进行认证之前的一个关键步骤。

由配对产生初始密钥Kint，然后产生链路密钥Kab，双方设备将Kab存储在各自的非易失性存储器中，这样以后的通迅不需要创建Kab，直接便能进入认证阶段。

密钥和认证码的产生都有一套固定的算法，所以从数学角度来看，只要终端设备输入一致，在相同的算法下得出的结果也应该是一致的。

首先初始密钥Kint是由PIN码、从设备蓝牙地址和一个主设备发给从设备的随机数共同产生的，只要PIN码一致，产生的Kint便一致，这便是双方PIN码不匹配便配对失败的原因。

链路密钥是由主从设备的蓝牙地址和主从设备各一随机数共同产生的，所以只要主从设备能互换该随机数便能得到一致的Kab。

主设备将随机数RandA与Kint异或的结果发给从设备，从设备将随机数RandB与Kint异或的结果发给主设备，由于双方已经有了一致的Kint，显然从设备只需（（RandA异或Kint）异或Kint）便能得到RandA，主设备亦然，这时双方输入一致了，便能产生一致的Kab。

认证算法的输入是Kab、从设备地址和主设备发给从设备的随机数，结果一致则认证成功，显然只要Kab一致便能认证成功。

认证成功便能建立链路级的连接了。

显然：

1、不配对是无法建立连接的，因为没有PIN码产生的Kint，便没有之后的Kab和认证；

2、设备的配对设备列表中存储的便是其物理地址及Kab（还有时钟信息），删除了该配对设备便删除了Kab，外部设备来连接时显然认证无法成功，这时是会触发再次配对的。

蓝牙的发送功率

　蓝牙系统的天线发射功率符合FCC关于ISM波段的要求。

由于采用扩频技术，发射功率可增加到100mW，系统的最大跳频速率为1600跳/秒，在2.402GHz到2.480GHz之间，采用79个1MHz带宽的频点。

系统的设计通信距离为0.1m到10m，增加发射功率，这一距离也可以达到100m。

蓝牙规范传送的三种功率类型为：

100mW（即20dBm）覆盖100m，这种情况适合于设备经常变动的环境，如移动电话，访问接入点，笔记本电脑等。

2.5mW（4dBm）覆盖10m，1mW（即0dBm）覆盖10cm，这种情况适合于短距设备，如鼠标、键盘、耳机等。

这些覆盖范围都是因环境而变化的。

蓝牙模块的功耗大小与工作模式相关，在查找、通讯和等待时，功耗不同，不同的固件，因其PARK、HOLD、SNIFF等参数设置不同，功耗也会不同。

上述所提的最小输出功率是相对于最大功率所言，而且最低功率限制Pmin<-30dBm也仅是一个建议，并不需严格遵循这种规定，它可以根据实际应用的需要而选择。

当发射机输出功率为第一种类型时，则具有功率控制能力。

该功能可控制发射机功率超过0dBm的情况，在0dBm下时，发射机功率控制是可选的，为此可获取最佳功率损耗及干扰。

功率输出增益控制选择采用了一种单调序列步进方式（即：

线形方式）这种步进增益由两种方式组成，一种是高步进增益（每步8dB），另一种是低步进增益（每步2dB）。

当类型1设备是使用最大传输功率（+20dBm）时，在实际使用中一般控制在低于4dBm的情况或更小。

具有功率控制功能的发射机，在工作过程中使用LMP来获得最佳输出功率。

若发射功率出现波动时，发射机设备由RISS测量并回送测试结果。

蓝牙的耗电量

1.活动呼叫状态工作

耗电量最高的工作状态是蓝牙设备连接主网络，与主网络积极通信。

大部分电量由各自的蓝牙RF和基带电路消耗。

其功耗取决于发送功率和速率。

例如，一级功率设备输出功率最高为100mW（20dBm），最远支持100米的距离。

在低端，三级功率设备输出的RF功率最高仅为1mW（0dBm），支持近距离接近式工作。

在速率方面，耳机以相应的连续高耗电量、以连续速率传送信号。

相比之下，室温调节装置的传输时间可能只有几毫秒，每分钟传输一次，其耗电量非常低。

蓝牙是一种数字时间复用传输格式。

结果，以活动呼叫状态工作的大多数电池供电的蓝牙设备一般会吸收脉冲式电流，其特点如下：

平均电流和高功率电流范围为几十毫安到几安培；

低功率电流范围为几毫安到几百毫安；

波峰因数约为10X；

波形周期是1.25毫秒帧速率的倍数。

2.待机/扫描状态工作

<1>作为辅助设备工作

在没有联网时，作为辅助设备工作的蓝牙设备将以中低功率以待机方式工作。

在每次扫描期间，设备会唤醒，接收和检查寻呼和/或查询。

这会产生脉冲式耗电，其典型特点如下：

在1.28秒扫描周期内有一个或两个11.25ms脉冲

高功率电流范围为几十毫安到几百毫安。

直流电平范围从一毫安到几十毫安。

低功率电流范围从几十微安到几十毫安。

波峰因数从10X到1000X。

<2>作为主设备工作

在待机/扫描期间作为主设备工作的蓝牙设备发送一系列寻呼或查询，以与辅助设备取得联系。

在这种情况下，设备的耗电量特点与活动呼叫状态工作基本相同。

3.低功率工作模式

在不活动期间，蓝牙设备可以置于低功率工作模式，如PARK、HOLD和SNIFF，延长工作时间，节约电量。

在此期间，设备进入睡眠模式，只耗用几十到几百微安的电流。

蓝牙4.0的低功耗技术

蓝牙4.0在射频方面，发射功率被控制-20dBm≤PAVG≤+10dBmEIRP（天线增益假设为0dBi）范围内，没有之前蓝牙功率级别的概念，也比之前的经典蓝牙的最高发射功率20dBm的定义减少了10dBm，接收机灵敏度≤-70dBm在误码率为0.1%情况下。

工作范围可大于10米，只使用GFSK一种调制方式，调制指数在0.45-0.55之间，跳频工作，1Mbps传输速率。

有40个信道带宽为2M的信道，比经典蓝牙1M的带宽增加了一倍，根据香农定律，在一定的传输速率下，可以增加信道带宽从而来降低对信噪比的要求，这是蓝牙4.0低功耗的原因之一。

此外，传统蓝牙设备的待机耗电量大是由于采用16～32个频道进行广播，而低功耗蓝牙仅使用了专门的3个广播通道，快速连接，每次广播时射频的开启时间也由传统的22.5ms减少到0.6～1.2ms，这两个协议规范上的改变大大降低了因为广播数据导致的待机功耗。

低功耗蓝牙设计了用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态，在深度睡眠状态下，主机长时间处于超低的负载循环（DutyCycle）状态，只在需要运作时由控制器来启动，因主机较控制器消耗更多的能源，因此这样的设计也节省了最多的能源；在深度睡眠状态下，协议也针对此通讯模式进行了优化，数据发送间隔时间也增加到0.5～4s，传感器类应用程序发送的数据量较平常要少很多，而且所有连接均采用先进的嗅探性次额定（Sniff-Subrating）功能模式，因此此时的射频能耗几乎可以忽略不计。

另外还增加调制指数等，来降低蓝牙功耗、增强抗干扰性。

综合以上因素，低功耗蓝牙的待机功耗较传统蓝牙大大减少。

蓝牙4.0芯片用一节纽扣电池就能运行一年或更长时间。

但低能耗技术只是为了用于传输短时间突发数据而设计的，如果试图与没有低能耗技术的老式蓝牙设备通信，该技术也无法正常工作。

这意味着：

蓝牙4.0的低能耗技术和现有蓝牙设备是不兼容的，是否节能要视所要通信的设备和传输数据量的大小而定，采用蓝牙4.0的笔记本电脑和手机不得不在新的低能耗技术与所谓的经典蓝牙技术之间来回切换。

结论是，虽然蓝牙4.0的节能功能听上去很不错，但在实际使用中会可能不太经常能利用这项功能。