郑之光 卫耀辉 杨红丽（郑州大学信息工程学院）
摘要：系统的介绍了蓝牙技术协议及应用模式，全面详细的对蓝牙技术的应用，其目前存在的问题及发展前景进行了讨论。
关键词：蓝牙 协议栈
以丹麦国王哈拉德二世（King Harald Blatand）的绰号“Blutooth”命名蓝牙技术意指通过建立一种开放性的、全球统一的标准，一统近距离无线世界天下。
蓝牙技术使得配备有蓝牙功能模块的设备方便的构成蓝牙微微网（Picnet）和蓝牙散射网（Scatternet），形成个人身边的无线区域型网络，从而共享同一个电话簿、电子邮件地址簿、电子秘书记事簿和更复杂的数据库中的数据，并且和家居或办公室的固定设备连接起来，利用它们更强大的数据处理功能和信息输入／输出功能，实现特定的需求。其设备之间可以自动进行联络和确认，从而通过相应的控制软件进一步建立通信连接，实现相互间语音和文本数据的传输。
在以蓝牙技术为通信支撑的网络环境中，用户可以通过装有蓝牙模块的设备打电话，收发电子邮件和对智能家电设备进行控制管理，蓝牙手机或者便携设备在家中可控制各种信息家电设备；在办公室可以做为内部的集团电话移动分机和有关设备的操作终端，方便快捷；在商场可以进行商品查询和信用卡划款付帐，安全可靠；在路途上可以随时与随身携带的笔记本电脑或其他信息设备连接，并可以通过交通工具内设置的嵌入蓝牙技术的局域网移动接入点随时在因特网上浏览，冲浪或对家居中的信息家电网络、环境进行实时监控。蓝牙技术的进一步发展和应用将对人类的工作、生活和通信方式带来巨大的变化。
一、蓝牙技术标准
1999年12月，蓝牙特殊利益集团（Bluetooth SIG）发布了蓝牙协议规范1.0B，推进了蓝牙技术的发展，为克服在发展和应用过程中遇到的各类困难和争议提供了一个解决的基础。当前加盟SIG的公司已超过2400多家，其中包括诸如AMD、康柏、戴尔、惠普、德州仪器、高通以及卡西欧、飞利浦、三星、LG、精工、夏普等世界著名计算机行业、通信领域以及消费电子领域，甚至汽车与相机的制造生产厂家。在不久的将来，基于蓝牙技术的产品将会形成一个新的浪潮而席卷全球。
蓝牙协议规范是语音和数据无线传输的开放性通信标准，其目的是建立低成本、短距离的无线连接，利用可操作的无线模块和数据通信协议开发交互性服务。
蓝牙协议的体系结构分底层硬件模块、中间协议层和高层应用三大部分。底层硬件部分包括无线跳频（RF）、基带（BB）和链路管理（LM）部分。它们分别定义了蓝牙收发器在2.4GHz频段上，以跳频的方式传输信息帧和传输链路连接的建立／拆除以及链路的安全和控制所必须满足的要求。中间协议层包括逻辑链路控制和适应协议（L2CAP）、服务发现协议（SDP）、串口仿真协议RFCOMM和电话通信协议（TCS）。它们分别完成数据的拆装、服务质量控制、协议复用、发现网络中可用的服务及服务特性、仿真R-232串口、提供蓝牙设备间话音和数据的呼叫控制信令等功能。在这两层之间规定了一个主机控制接口层（HCI）。这是协议中软硬件之间的接口，该层以上的协议软件实体运行在主机上，而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成。在协议体系结构的最上部是高层应用的框架（Profiles）。目前仅规定了拨号网络、耳机、局域网访问、文件传输等常规应用，将会不断增加。各种应用程序可以通过各自对应的Profi1e实现无线通信。
在这个标准的支持下，蓝牙系统支持点对点和点对多点的连接，每个蓝牙系统可以连接200个以上蓝牙装置。蓝牙系统的传输特性是在供工业，科学和医学领域自由使用的ISM2.4GHz频段内用单工或全双工的方式进行信息传输。每个蓝牙信道的带宽是1MHz，它支持三个同步数据信道或同时支持一个同步数据信道和一个异步数据信道。每个同步数据信道的数据传输率是64Kb/s，用于语音数据的传输，异步数据信道的传输率是下行721 Kb/s和上行57.6Kb/s，用于数字数据的传输。若设置为上下行对称的传输方式，传输率上下行各是432.6kb/s。一般情况下的传输距离是10M（30FEET），最大可达100M，自动调整。希望达到的功率消耗水平是在待机状态下的典型值为30微安，工作时最大值为30毫安，大约是移动电话的3％。
二、蓝牙模块及应用
实现一个蓝牙应用系统的技术方案要点是把一个专门设计的蓝牙模块嵌入有关应用设备之内，该模块实现蓝牙协议底层功能并且具有微型、廉价和低功耗的特点。
蓝牙模块包括3个主要功能块——RF收发信机单元，基带链路控制器单元，以及用于链路管理和主控制器接口（HCI）功能的支持单元，如图1所示。当然还有天线这一功能部件，天线可以集成到电路板上，也可作为独立部件。全功能的蓝牙模块融入高级软件协议（可驻存在闪速存储器中），负责管理功能和与其它模块的互操作。RF收发信机规范定义蓝牙系统的频带、信道排列和收发信机特性。基带处理器规范定义包格式、物理和逻辑信道、以及支持设备间语音和数据传输的不同工作模式。主控制器接口（HCI）提供蓝牙模块与主设备间的公共接口。
蓝牙模块的应用是广泛的，它可以作为各种设备的适配器，为此类设备提供无线链路。也可以作为嵌入式系统应用于各种信息家电及智能通卡例如：（1）无线连接取代电缆：随着通信、计算机以及信息家电的发展，各种通信设备之间的电缆连接无处不在，电缆和接口故障是有线连接的最大缺点。蓝牙技术则可以使键盘、鼠标、打印机、网络等设备利用无线链路连接而替代电缆。（2）多功能电话：可以作为蜂窝移动电话、无绳电话以及公共普通电话的电话三合一版本，实现各种环境下的电话自切换。（3）家庭信息网络：家庭信息化是信息化发展的一种趋势，构成家庭信息网络是未来信息社会发展的的必然趋势。蓝牙技术注重于便携式移动计算设备、手持式通信设备以及其他信息设备的技术规范和家庭信息网络的组建。（4）互联网网桥及局域网访问：蓝牙技术可以消除人们随时随地接入互联网的最后10米，具有蓝牙功能的笔记本电脑可以通过手机或无线Modem直接访问Internet，多功能数据终端（DT）可经局域网访问点（LAP）无线接入局域网。（5）数字影像服务：可用兼容蓝牙技术的数码相机拍摄相片后，传送给其他数码相机以及移动电话、终端台式机、便携式电脑和PDA。（6）智能汽车系统应用：通过车内蓝牙微微网实现免提电话、锁车、防盗、报警等各种汽车智能需求功能。同时未来的蓝牙规范还可以提供车内音响、视频、网络服务。（7）移动办公和电子商务：实现计算机与Internet、PSDN、ISDN、LAN/MAN／WAN及xDSL等各种设备间互联工作，形成移动型办公室，并可以实施电子付账等服务。
如上所述，基于蓝牙模块和应用模式的蓝牙产品将层出不穷，各种新型的应用也在不断提出。随着蓝牙芯片价格的进一步降低，同时集成蓝牙RF收发器、链路控制器和微控制器以及存储固件程序的Flash的蓝牙单芯片的出现，蓝牙应用将会更加广泛。
三、蓝牙技术面临的问题和解决前景
1.2.4GHz ISM频段使用的电磁兼容与频率复用问题
潜在的蓝牙用户关心的一个问题是在未经特许的发送器的栅内存在着干扰或性能下降。蓝牙设备会与诸如无绳电话机、无线视频设备、IEEE 802.11局域网争夺带宽。随着争夺带宽的设备数量增加，大量的兼容设备工作在同一个局部地区时，蓝牙设备的性能会下降。频率冲突和重发数据都会使有效的数据速率减慢。模拟试验表明，在有效范围内即使只有6个蓝牙设备，话音质量也会下降，具体要视每个微微网内的使用情况而定。因此与ISM频段的其他设备协调工作以及频率干扰对蓝牙的广泛应用非常重要。电气与电子工程师学会（IEEE）业已成立了一个协调无线标准的802.15个人区域网工作小组，为此积极参与IEEE802.15的共存问题的研究将对解决此问题有重要作用。
2.蓝牙的互操作性
互操作性一直是蓝牙社团最难以排除的障碍之一。由于蓝牙软件结构的局限性，带来蓝牙互操作能力与兼容性的不足，蓝牙产品可能的组合很多，制造厂商无法预计其应用软件中的每一种组合。SIG定义了一系列应用，以便有助于保证不同制造商生产的产品之间的互操作性。目前大约有10多种应用，如一般性接入、服务发现、内部通信、串行端口、局域网接入和文件传送。在认证过程中，制造商必须针对一种或多种应用，对每一种产品进行测试。
3.蓝牙的安全性
虽然蓝牙系统拥有跳频技术、用户个人标识、链路密钥认证和保密密钥加密多重处理，但鉴于蓝牙系统的移动性、普遍性与无执照全面开放性，使得其安全保密问题显得尤为敏感与重要，而且在初始密钥的生成方面也存在着问题。初始密钥的可靠性建立在所用PIN码的基础上。E22初始化密钥生成算法的输入参数是PIN码。PIN码的长度和一个随机数字，这些都在空中传播，对PIN码造成不被信任的因素。当使用一个4位的PIN码时，只有10000种可能性，所以初始化密钥的可信度是相当低的，需要在网络高层上实施更加复杂的安全措施。
4.蓝牙专用嵌入模块的成本和功耗
现在蓝牙专用集成电路的价格和功耗水平还没有降低到能被接受的程度，这就影响了当前蓝牙产品的普及应用和大规模开发，随着集成电路技术迅速发展，集成电路技术水平，集成度进一步提高，这个问题有望在近年得到解决。据悉，蓝牙技术嵌入模块的成本可望下降到5美元的水平。
5.与其它技术的竞争
蓝牙主要是与红外线连接，与IEEE802.11以及Home RF在速率、价格、可靠性、可用性等方面的竞争，蓝牙产品应比同类产品具有更高的可靠性、兼容性以及性价比，才能保持与发扬目前已持有的综合主导地位，在竞争中确立自己的应有地位。低廉的附加价格和极低的功耗将是蓝牙技术最主要的竞争优势。
四、光明的市场前景
预测指出：在全球市场范围内，随着蓝牙技术日益完善和用户群体的扩大，到2002年，与蓝牙相关的元器件、芯片、产品及系统的销售额将达到25亿美元以上；到2004年，价格在5美元以下的蓝牙芯片销售量将达到5亿套以上；蓝牙产品的销售台数年平均增长率是360％，到2005年规模将显著扩大，达到9.55亿台，内置蓝牙芯片能高度支持数据传输的蓝牙手机，将占全部手机的50％以上。蓝牙拥有不可限量的市场前景。
我国具有全世界最多的人口，估计到2005年，中国的移动电话用户量、家电量、固定电话用户量、甚至Internet用户及上网手机量，均可能居全球榜首。蓝牙作为嵌入式设备的应用将成为最通用方式，蓝牙在中国的市场潜力在全球将是最大的。据预测，中国将占整个亚太地区的65％蓝牙市场份额，10年内蓝牙相关产品将达到400亿人民币市场。加入WTO后的中国将面临来自国际的竞争，中国的制造商、操作运营者、科研部门及投资商必须建立战略合作伙伴关系，快速发展中国的蓝牙民族产业以满足中国市场的巨大需求。
摘自《数据通信》2002.1期
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