黄 时 华 徐 明 远
昆 明 理 工 大 学 信 息 与 自 动 化 工 程 学 院 通 信 系 (昆 明 650000)
[摘 要 ]随 着 人 们 对 各 种 通 信 及 处 理 终 端 的 移 动 性 和 互 连 性 要 求 的 空 前 提 高 ， 并 随 着 移 动 通 信 和 计 算 机 网 络 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 以 及 它 们 之 间 的 相 互 融 合 及 渗 透 ， 出 现 了 一 种 新 的 开 放 性 的 无 线 通 信 标 准 — — 蓝 牙 技 术 ， 在 10米 （ 加 放 大 可 至 100米 ） 的 小 区 域 内 ， 任 何 支 持 该 技 术 的 移 动 或 非 移 动 设 备 可 以 随 时 随 地 ， 随 心 所 欲 地 建 立 相 互 间 的 网 络 联 系 ， 进 行 话 音 和 数 据 通 信 ， 或 进 行 因 特 网 冲 浪 。 本 文 着 重 分 析 蓝 牙 协 议 栈 的 分 层 结 构 ， 分 析 各 层 的 功 能 及 相 互 联 系 ， 最 后 介 绍 几 种 最 常 见 的 应 用 模 式 ， 并 分 析 蓝 牙 协 议 是 如 何 支 持 这 些 应 用 模 式 的 。
[关 键 词 ]蓝 牙 ； 协 议 ； 协 议 栈
1、 蓝 牙 技 术 简 介
蓝 牙 技 术 起 源 于 1994年 ， 最 初 是 以 消 除 各 种 电 器 设 备 之 间 的 有 线 连 接 为 目 标 的 ， 随 着 研 究 的 深 入 及 应 用 需 求 ， 蓝 牙 技 术 已 经 能 把 各 种 话 音 及 数 据 设 备 ， 如 PC、 拨 号 网 络 、 笔 记 本 电 脑 、 打 印 机 、 传 真 机 、 移 动 电 话 、 数 码 相 机 、 高 品 质 耳 机 等 ， 通 过 无 线 方 式 将 它 们 连 成 一 个 微 微 网 （ Piconet） ， 使 各 种 设 备 之 间 实 现 无 缝 隙 资 源 共 享 。
蓝 牙 工 作 于 全 球 可 用 的 2.4GHz ISM频 段 ， 采 用 了 跳 频 技 术 来 克 服 干 扰 和 衰 落 ， 跳 频 带 宽 79MHz， 共 79个 射 频 信 道 ， 其 符 号 传 输 率 为 1Mb/s。 采 用 时 分 双 工 （ TDD） 方 案 进 行 全 双 工 通 信 。 在 信 道 上 以 分 组 的 形 式 交 换 信 息 ， 每 个 分 组 在 不 同 的 跳 频 频 率 上 传 输 ， 占 用 1个 至 5个 时 隙 ， 每 个 时 隙 长 625μ s。
蓝 牙 协 议 将 电 路 交 换 与 分 组 交 换 相 结 合 ， 可 支 持 1个 异 步 数 据 信 道 ， 最 多 3个 同 时 同 步 话 音 信 道 ， 或 1个 同 时 支 持 异 步 数 据 和 同 步 话 音 的 信 道 。 每 个 话 音 信 道 在 每 个 方 向 支 持 64kb/s比 特 传 输 率 ， 异 步 信 道 支 持 最 大 723.2kb/s的 非 对 称 比 特 传 输 率 ， 或 433.9kb/s的 对 称 比 特 传 输 率 。
蓝 牙 系 统 由 一 个 无 线 单 元 、 一 个 链 路 控 制 单 元 和 一 个 具 有 链 路 管 理 及 主 机 终 端 接 口 功 能 的 支 持 单 元 构 成 ， 如 图 1所 示
蓝 牙 系 统 可 提 供 点 到 点 或 一 点 到 多 点 的 连 接 。 在 一 点 到 多 点 的 连 接 中 ， 由 几 个 蓝 牙 单 元 共 享 同 一 信 道 ， 构 成 一 个 微 微 网 ， 其 中 一 个 作 为 该 微 微 网 的 主 单 元 ， 而 其 余 为 从 单 元 （ 最 多 可 激 活 7个 ） 。 信 道 访 问 由 主 单 元 控 制 。 多 个 覆 盖 区 域 交 叠 的 微 微 网 又 构 成 一 个 分 散 网 （ Scatternet） 。 从 单 元 以 时 分 复 用 的 方 式 可 加 入 不 同 的 微 微 网 ， 而 且 ， 一 个 微 微 网 的 主 单 元 也 要 成 为 另 一 个 微 微 网 的 从 单 元 。 这 些 微 微 网 在 时 间 或 频 率 上 都 不 同 步 ， 每 个 网 有 它 自 己 的 跳 频 信 道 。
2、 蓝 牙 协 议 栈
图 2是 一 个 完 整 的 蓝 牙 协 议 栈 。 不 同 的 应 用 运 行 在 不 同 的 协 议 栈 上 ， 然 而 ， 每 个 不 同 的 协 议 栈 都 采 用 共 同 的 蓝 牙 数 据 链 路 层 和 蓝 牙 物 理 层 。 图 2还 表 示 了 当 需 要 进 行 无 线 数 据 传 送 时 ， 蓝 牙 是 如 何 利 用 其 它 现 有 协 议 的 业 务 的 。
由 图 2可 见 ， 完 整 的 蓝 牙 协 议 栈 由 蓝 牙 特 有 协 议 [如 LMP（ 链 路 管 理 协 议 ） 、 L2CAP（ 逻 辑 链 路 控 制 和 适 应 协 议 ） ]， 和 非 蓝 牙 特 有 协 议 [如 OBEX（ Object Exchange Protocol） UDP（ User Datagram Protocol） 等 ]两 部 分 组 成 。
设 计 蓝 牙 及 协 议 栈 的 主 要 原 则 是 ， 根 据 不 同 的 应 用 目 的 ， 在 高 层 最 大 限 度 地 重 用 现 有 协 议 。 这 样 可 使 现 有 的 应 用 与 蓝 牙 技 术 并 存 ， 并 确 保 它 们 的 互 操 作 性 。 并 且 ， 由 于 蓝 牙 技 术 标 准 的 开 放 性 ， 使 得 各 个 开 发 商 可 自 由 地 将 他 们 自 己 的 或 公 共 的 应 用 协 议 运 行 于 蓝 牙 协 议 之 上 。
3、蓝 牙 架 构 中 的 协 议
由 图 1所 示 的 蓝 牙 协 议 栈 可 分 为 四 层 ， 分 别 是 蓝 牙 核 心 协 议 层 、 电 缆 替 代 协 议 层 、 电 话 控 制 协 议 层 和 采 纳 的 其 它 协 议 层 。
3.1 核 心 协 议
基 带 、 链 路 管 理 协 议 （ LMP） 、 逻 辑 链 路 控 制 及 适 应 协 议 （ L2CAP） 、 业 务 发 现 协 议 （ SDP） 四 部 分 组 成 了 蓝 牙 核 心 协 议 。
（1） 基 带
基 带 及 链 路 控 制 层 的 作 用 是 在 各 蓝 牙 单 元 之 间 建 立 物 理 射 频 链 路 ， 从 而 形 成 微 微 网 。
该 层 有 二 种 物 理 链 路 ， 一 种 是 面 向 连 接 的 同 步 链 路 （ SCO） ， 另 一 种 是 无 连 接 异 步 链 路 （ ACL） 。 其 相 应 的 ACL分 组 仅 用 于 数 据 ， 而 SCO分 组 可 仅 包 含 话 音 ， 也 可 是 话 音 和 数 据 的 组 合 。 该 层 可 为 所 有 的 话 音 和 数 据 分 组 提 供 不 同 水 平 的 FEC或 CRC校 验 以 及 加 密 。 而 且 还 为 不 同 的 数 据 类 型 ， 包 括 链 路 管 理 和 控 制 信 息 ， 各 自 分 配 一 个 特 定 的 信 道 。
（ 2） 链 路 管 理 协 议
LMP负 责 蓝 牙 设 备 之 间 的 链 路 建 立 ， 包 括 通 过 生 成 、 交 换 密 钥 和 检 查 链 路 来 完 成 鉴 权 和 加 密 等 安 全 方 面 的 任 务 ， 以 及 控 制 和 协 调 基 带 分 组 的 大 小 。 同 时 ， LMP还 控 制 蓝 牙 无 线 设 备 的 电 源 模 式 和 时 钟 周 期 ， 以 及 微 微 网 内 蓝 牙 单 元 的 连 接 状 态 等 。
（ 3） 逻 辑 链 路 控 制 及 适 应 协 议
L2CAP完 成 蓝 牙 基 带 与 高 层 协 议 间 的 适 配 。 通 过 协 议 复 用 、 分 用 和 重 组 操 作 ， 以 及 分 类 提 取 ， L2CAP向 高 层 协 议 提 供 面 向 连 接 的 和 无 连 接 的 数 据 服 务 ， 它 允 许 高 层 协 议 和 应 用 发 送 和 接 收 长 达 64K字 节 的 L2CAP分 组 。
（ 4） 业 务 发 现 （ 搜 寻 ） 协 议
业 务 是 所 有 应 用 模 式 的 基 础 。 应 用 SDP可 以 查 寻 设 备 信 息 、 业 务 及 业 务 特 征 ， 并 在 此 之 后 建 立 二 个 或 多 个 蓝 牙 设 备 之 间 的 连 接 。 SDP是 蓝 牙 框 架 中 的 关 键 部 分 。
3.2 电 缆 替 代 协 议
RFCOMM是 以 ETSI 07.10为 基 础 的 串 行 电 缆 仿 真 协 议 ， 通 过 在 蓝 牙 基 带 上 仿 真 RS－ 232的 控 制 和 数 据 信 号 ， 为 那 些 串 行 电 缆 作 为 传 输 机 制 的 高 级 业 务 （ 如 OBEX协 议 ） 提 供 传 输 能 力 。
3.3 电 话 控 制 协 议
电 话 控 制 协 议 包 括 TCSBIN和 AT命 令 集 。 其 中 TCS BIN是 一 个 面 向 比 特 的 协 议 ， 它 定 义 了 在 蓝 牙 设 备 间 建 立 话 音 和 数 据 呼 叫 所 需 的 呼 叫 控 制 信 令 。 而 AT命 令 集 的 功 能 则 是 在 各 种 应 用 模 式 下 控 制 移 动 电 话 和 调 制 解 调 器 。
3.4 采 纳 的 其 它 协 议
PPP— — 运 行 于 RFCOMM之 上 ， 用 以 实 现 点 到 点 的 连 接 。
TCP/UDP/IP— — 在 蓝 牙 设 备 中 采 用 这 些 协 议 可 实 现 与 连 接 到 互 连 网 上 的 其 它 任 何 设 备 的 通 信 。 例 如 ， 如 果 蓝 牙 设 备 是 一 个 蓝 牙 蜂 窝 手 机 或 一 个 数 据 访 问 点 ， 则 可 将 之 用 作 通 向 因 特 网 的 桥 梁 。
OBEX— — 采 用 客 户 — 服 务 器 模 式 提 供 与 HTTP相 同 的 基 本 功 能 。 首 先 将 RFCOMM作 为 OBEX的 唯 一 传 输 层 ， 今 后 有 可 能 实 现 将 TCP/IP也 作 为 传 输 层 。
WAP— — WAP的 目 的 是 要 将 互 连 网 和 电 话 业 务 引 入 数 字 蜂 窝 电 话 和 其 他 无 线 终 端 。 选 择 WAP的 意 图 是 重 用 为 WAP应 用 环 境 （ WAE） 开 发 的 高 层 应 用 软 件 ， 包 括 WML和 WTA浏 览 器 。
VCard/vCal— — 分 别 定 义 了 电 子 商 务 卡 和 个 人 日 程 表 的 格 式 。
除 以 上 协 议 层 外 ， 蓝 牙 协 议 栈 中 还 有 二 个 接 口 ， 一 个 主 机 控 制 接 口 （ HCI） ， 它 是 到 基 带 控 制 器 、 链 路 管 理 器 以 及 访 问 硬 件 状 态 和 控 制 寄 存 器 的 命 令 接 口 ； 另 一 个 与 基 带 直 接 相 连 的 音 频 接 口 ， 用 以 在 多 个 蓝 牙 设 备 之 间 传 递 音 频 数 据 。
4、蓝 牙 应 用 模 式 及 其 协 议
以 下 是 由 蓝 牙 特 别 兴 趣 小 组 （ SIG） 市 场 组 确 认 的 优 先 级 最 高 的 几 种 应 用 模 式 。
4.1 文 件 传 送
文 件 传 送 应 用 模 式 提 供 从 一 个 设 备 （ 如 PC， PDA， 智 能 电 话 ） 传 送 数 据 文 件 到 另 一 个 设 备 的 能 力 。 所 传 送 的 文 件 类 型 并 不 局 限 于 .xls、 .ppt、 .wav、 .jpg、 和 .doc文 件 ， 还 包 括 整 个 文 件 夹 、 目 录 、 媒 体 流 格 式 。 并 且 ， 这 种 应 用 模 式 还 可 以 浏 览 在 远 程 设 备 上 的 文 件 夹 的 内 容 。
该 应 用 模 式 所 需 的 协 议 栈 如 图 3（ 省 略 了 LMP、 基 带 和 无 线 等 下 层 协 议 ， 以 下 均 同 ） 。
4.2 互 连 网 网 桥
在 此 应 用 模 式 中 ， 移 动 电 话 或 无 线 modem作 为 PC的 modem， 提 供 拨 号 上 网 和 传 真 的 功 能 ， 而 无 需 至 PC的 物 理 连 接 。 图 4是 其 所 需 的 协 议 栈 。
4.3 局 域 网 访 问
此 模 式 下 ， 多 个 数 据 终 端 （ DTs） 共 用 一 个 LAN访 问 点 （ LAP） 作 为 到 LAN的 无 线 连 接 。 一 旦 连 接 成 功 ， DTs就 象 通 过 拨 号 上 网 连 接 到 LAN一 样 。 DT可 访 问 由 LAN提 供 的 所 有 业 务 。 除 AT命 令 未 用 以 外 ， 其 协 议 栈 与 互 连 网 桥 应 用 模 式 的 协 议 栈 基 本 相 同 ， 如 图 5。
4.4 同 步 化
同 步 应 用 模 式 提 供 PIM（ 个 人 信 息 管 理 ） 信 息 的 设 备 与 设 备 之 间 的 同 步 ， 典 型 的 PIM信 息 有 电 话 簿 、 日 历 、 留 言 、 通 知 等 。 同 步 化 要 求 计 算 机 对 这 些 信 息 进 行 传 送 和 处 理 ， 要 求 蜂 窝 电 话 和 个 人 数 字 助 理 （ PDA） 采 用 相 同 的 协 议 和 格 式 。 图 6为 同 步 应 用 协 议 栈 。
4.5 三 合 一 电 话
此 种 手 提 电 话 可 连 接 到 三 个 不 同 的 业 务 供 应 商 。 首 先 ， 在 办 公 室 或 家 里 ， 可 作 为 无 绳 电 话 连 接 到 PSTN， 只 需 固 定 线 路 的 费 用 。 其 次 ， 可 与 其 它 电 话 对 讲 ， 作 为 一 个 步 谈 机 或 手 机 的 延 伸 ， 而 无 话 费 产 生 。 最 后 ， 如 果 在 旅 途 中 ， 它 还 可 连 接 蜂 窝 系 统 上 ， 作 为 蜂 窝 移 动 业 务 费 用 产 生 的 移 动 电 话 使 用 。 图 7为 无 绳 电 话 和 对 讲 应 用 所 采 用 的 协 议 栈 ， 话 音 流 直 接 连 接 到 基 带 协 议 。
4.6 极 限 耳 机
用 无 线 的 方 式 将 耳 机 与 远 端 设 备 相 连 ， 从 而 使 用 户 可 以 自 由 活 动 且 同 时 确 保 私 密 性 。 常 见 的 应 用 是 将 它 作 为 蜂 窝 手 机 、 无 绳 手 机 、 或 PC的 音 频 输 入 输 出 接 口 。 其 音 频 流 也 是 直 接 连 接 到 基 带 协 议 。 该 耳 机 必 须 能 够 发 送 AT命 令 并 接 收 回 码 ， 以 允 许 耳 机 应 答 并 终 止 来 电 ， 而 勿 需 实 际 去 操 作 手 机 。 协 议 栈 见 图 8。
5、结 束 语
尽 管 蓝 牙 协 议 及 其 规 范 还 有 待 于 完 善 和 发 展 ， 但 相 对 于 其 它 无 线 通 信 标 准 而 言 ， 蓝 牙 具 有 高 可 靠 性 、 低 复 杂 度 、 低 功 耗 、 低 成 本 的 特 点 。 而 且 ， 由 于 它 可 同 时 支 持 数 据 、 音 频 和 视 频 信 号 ， 其 应 用 可 扩 展 到 成 千 上 万 种 产 品 ， 典 型 的 应 用 环 境 包 括 无 线 办 公 室 、 信 息 家 电 、 汽 车 工 业 、 医 疗 设 备 、 学 校 教 育 、 工 厂 自 动 控 制 等 。 因 此 ， 谁 都 无 法 忽 视 蓝 牙 的 魅 力 ， 有 人 将 它 称 为 即 将 来 临 的 通 信 技 术 革 命 。 短 短 两 年 多 时 间 ， 国 际 上 通 信 及 计 算 机 、 网 络 巨 头 ， 以 及 几 大 芯 片 和 软 件 厂 商 纷 纷 成 为 SIG成 员 ， 并 相 继 推 出 相 关 产 品 。 由 此 可 见 ， 它 蕴 藏 着 巨 大 的 商 机 ， 正 在 成 为 21世 纪 的 投 资 热 点 。
摘自《移动通信》2001.6
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