藍(lán)牙基帶協(xié)議原理

藍(lán)牙技術(shù)主要原理綜述

人們使用的電子設(shè)備越來(lái)越多，隨著電子設(shè)備間信息交換的增多，電纜的連接纏繞也變得非常雜亂。為了省去電纜，簡(jiǎn)化設(shè)備間的連接，需要設(shè)計(jì)一種技術(shù)除去“最后”的連接。

1994年，瑞典愛(ài)立信公司移動(dòng)通信部在一項(xiàng)被稱為“多通信鏈路(Multi-Communicator Link)”MC Link的課題研究中，工程師們發(fā)現(xiàn)了不經(jīng)許可就可以使用的低頻無(wú)線波段，研制了一種小的無(wú)線收發(fā)器芯片，使用無(wú)線電射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)電話與周圍器件之間低成本、低功耗的無(wú)線互連，他們將這種互連的技術(shù)規(guī)范命名為藍(lán)牙（Bluetooth）。

一、藍(lán)牙的概念

藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)，實(shí)際上是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化掌上電腦、筆記本電腦和移動(dòng)電話手機(jī)等移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化這些設(shè)備與Internet的通信，使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。

藍(lán)牙技術(shù)具有以下明顯的技術(shù)特性：能同時(shí)傳送語(yǔ)音和數(shù)據(jù)；使用全球通用的頻段；低成本、低功耗和低輻射；能應(yīng)用于各種電子設(shè)備；具有網(wǎng)絡(luò)特性等。

二、藍(lán)牙設(shè)備結(jié)構(gòu)

原理是把一塊小且功耗低的無(wú)線電收發(fā)芯片嵌入到傳統(tǒng)電子設(shè)備中。藍(lán)牙芯片包括無(wú)線電收發(fā)器和鏈路控制器(LC)。無(wú)線收發(fā)器是藍(lán)牙設(shè)備的核心，使用的無(wú)線電頻段在ISM2.4GHZ到2.48GHZ之間?？刂七B接包括兩部分：軟件連接——鏈路管理器(LM)和硬件——鏈路控制器(LC)。LM執(zhí)行鏈路設(shè)置、監(jiān)權(quán)、配置；負(fù)責(zé)連接、建立和拆除鏈路并進(jìn)行安全控制。LC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接受。邏輯LC和適應(yīng)協(xié)議具有完成數(shù)據(jù)拆裝、控制服務(wù)質(zhì)量和復(fù)用協(xié)議的功能，該層協(xié)議是其它各層協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。圖1顯示了無(wú)線收發(fā)器的主要操作和功能。藍(lán)牙鏈路控制器執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關(guān)的處理過(guò)程。圖1也概括了基帶的主要功能，負(fù)責(zé)跳頻以及藍(lán)牙數(shù)據(jù)和信息幀的傳輸。

三、藍(lán)牙基帶層協(xié)議體系

1、藍(lán)牙跳頻技術(shù)

跳頻技術(shù)是物理信道內(nèi)的每個(gè)時(shí)隙上所發(fā)送的數(shù)據(jù)，不斷地從一個(gè)頻道跳到另一個(gè)頻道。主設(shè)備與從設(shè)備會(huì)根據(jù)彼此間相同的跳頻序列，從當(dāng)前頻道跳到下一個(gè)頻道。跳頻序列決定于主設(shè)備內(nèi)48位的BD_ADDR（藍(lán)牙設(shè)備地址）地址。

2、藍(lán)牙設(shè)備地址

藍(lán)牙設(shè)備內(nèi)有一個(gè)惟一的48位BD_ADDR(Bluetooth Device Address藍(lán)牙設(shè)備地址)地址。這個(gè)地址可以說(shuō)是藍(lán)牙技術(shù)的運(yùn)算核心，幾乎所有負(fù)責(zé)藍(lán)牙系統(tǒng)正常工作的控制參數(shù)，如跳頻序列、頻道訪問(wèn)碼、加密密鑰都由此地址求得。設(shè)備涉及的地址尚有，AM_ADDR(Active Member Address)活動(dòng)成員地址，PM_ADDR(Parked Member Address)守候成員地址，AR_ADDR(Access Request Address)訪問(wèn)請(qǐng)求地址。

3、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸類型

藍(lán)牙技術(shù)可同時(shí)發(fā)送語(yǔ)音和數(shù)據(jù)，因?yàn)樗{(lán)牙技術(shù)支持電路交換和包交換兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。在藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中電路交換的傳輸稱為SCO鏈路、包交換的傳輸稱為ACL鏈路。

SCO鏈路面向連接的同步傳輸（Synchronous Connection-Oriented,SCO）鏈路屬于電路交換的同步傳輸類型。電路交換是指，當(dāng)主設(shè)備與從設(shè)備一旦建立連接后，不管有無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送，系統(tǒng)都會(huì)給主設(shè)備與從設(shè)備預(yù)留固定間隔的時(shí)隙，其他從設(shè)備則不能利用此連接上的時(shí)隙來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。SCO屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)稱連接，即連接建立在一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備之間。SCO比較適合語(yǔ)音的傳輸。

ACL鏈路無(wú)連接的異步傳輸（Asychronous Connection-Less,ACL）鏈路屬于包交換的異步傳輸類型。包交換是將高層的數(shù)據(jù)切割成一段段包進(jìn)行交換。ACL鏈路可以占用任意時(shí)隙來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，但它只能在SCO鏈路不使用的時(shí)隙上傳輸。ACL鏈路適合傳輸突發(fā)性的數(shù)據(jù)信息，其主設(shè)備可以同時(shí)和多個(gè)從設(shè)備建立ACL鏈路，屬于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的非對(duì)稱連接。

4、藍(lán)牙微微網(wǎng)和散射網(wǎng)

兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備建立連接后，形成了微微網(wǎng)的個(gè)人區(qū)域。每個(gè)微微網(wǎng)有且只有一個(gè)主設(shè)備，同時(shí)有一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，它們可以互相轉(zhuǎn)換角色。每個(gè)微微網(wǎng)只能有7個(gè)活躍的從設(shè)備，因?yàn)樵贏ctive狀態(tài)下，主設(shè)備分配給每個(gè)連接的從設(shè)備一個(gè)活動(dòng)的成員地址AM_ADDR，主設(shè)備通過(guò)這個(gè)地址來(lái)辨別微微網(wǎng)中不同的從設(shè)備。AM_ADDR由3bits組成，所以在一個(gè)微微網(wǎng)中最多只能有8個(gè)設(shè)備。換言之，最多有7個(gè)從設(shè)備處于活動(dòng)態(tài)。每個(gè)微微網(wǎng)最多有255個(gè)休眠的從設(shè)備。因?yàn)閺腁ctive狀態(tài)進(jìn)入Park狀態(tài)的藍(lán)牙設(shè)備將得到一個(gè)PM_ADDR地址，PM_ADDR由8bits組成，所以最多可容納256個(gè)Park狀態(tài)的藍(lán)牙設(shè)備。微微網(wǎng)包含一個(gè)共享的信道，其成員通過(guò)這個(gè)信道進(jìn)行通信。這個(gè)信道由一個(gè)明確的跳頻序列組成，微微網(wǎng)的成員以同步的方式跟蹤跳頻序列，跳頻序列由主設(shè)備來(lái)控制。圖2就是一個(gè)微網(wǎng)的設(shè)備連接圖。

為了連接8個(gè)以上的活躍的設(shè)備，必須建立多個(gè)微網(wǎng)，然后連接每個(gè)微網(wǎng)的主設(shè)備，這個(gè)聯(lián)合結(jié)構(gòu)就是散射網(wǎng)。散射網(wǎng)在空間和時(shí)間上交疊。一個(gè)微網(wǎng)中的從設(shè)備可以是多個(gè)微網(wǎng)的從設(shè)備，也可以是另一個(gè)微網(wǎng)的主設(shè)備，這樣就使微網(wǎng)之間通信成為可能。因?yàn)橹挥?9個(gè)頻點(diǎn)，所以一個(gè)散射網(wǎng)最多只有10個(gè)微網(wǎng)。圖３是三個(gè)微網(wǎng)構(gòu)成的一個(gè)散射網(wǎng)的示意圖。

5、藍(lán)牙設(shè)備的工作狀態(tài)

藍(lán)牙設(shè)備在不同的場(chǎng)合下，有不同的工作狀態(tài)。工作狀態(tài)主要有兩種：連接狀態(tài)（Connection State）和等待狀態(tài)（Standby State）。當(dāng)與其他設(shè)備互相連接時(shí)，稱為連接狀態(tài)，此時(shí)主設(shè)備和從設(shè)備使用相同的通道訪問(wèn)碼與相同的跳頻序列，能夠互相通信。當(dāng)不與其他的設(shè)備互相作用時(shí)，稱等待狀態(tài)，此時(shí)設(shè)備以內(nèi)定的系統(tǒng)時(shí)序CLKN運(yùn)行，消耗的功率非常低。當(dāng)設(shè)備從等待狀態(tài)進(jìn)入連接狀態(tài)前，設(shè)備需要進(jìn)行一連串的信號(hào)查詢與呼叫程序。進(jìn)行查詢和呼叫的狀態(tài)稱為中間狀態(tài)。圖4顯示了三個(gè)狀態(tài)間的切換。

（1）藍(lán)牙設(shè)備連接狀態(tài)：

為了節(jié)省功率消耗以及減少對(duì)其他用戶的干擾，從設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)希望與主從網(wǎng)絡(luò)中的主設(shè)備連接時(shí)，從設(shè)備可以選擇進(jìn)入不同狀態(tài)的連接狀態(tài)。

活動(dòng)（Active）狀態(tài)下，從設(shè)備基本上一直在監(jiān)聽(tīng)來(lái)自主控設(shè)備的發(fā)射信號(hào)。Active狀態(tài)下從設(shè)備具有AM_ADDR地址以及與主從網(wǎng)絡(luò)相同的跳頻序列。由于Active狀態(tài)一直在接收分組，并隨時(shí)準(zhǔn)備發(fā)送分組，因此這個(gè)狀態(tài)能夠提供最快的響應(yīng)。但是消耗的功率也是最多。

呼吸（Sniff）狀態(tài)下從設(shè)備是周期地被激活。主控設(shè)備以一定的時(shí)間間隔定期地給從設(shè)備發(fā)送分組，從設(shè)備只需要在這些時(shí)間間隔內(nèi)接收主設(shè)備送來(lái)的信號(hào)，但是從設(shè)備仍然保有AM_ADDR及與主從網(wǎng)絡(luò)相同的跳頻序列。與Active相比，Sniff模式消耗功率較低，響應(yīng)較慢。

保持（Hold）狀態(tài)下，從設(shè)備在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)徹底停止監(jiān)聽(tīng)分組，這個(gè)時(shí)間間隔由主設(shè)備與從設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用程序共同協(xié)議決定，當(dāng)超過(guò)該持續(xù)時(shí)間后從設(shè)備將恢復(fù)原來(lái)的模式。Hold模式下，從設(shè)備將暫時(shí)停止支持ACL鏈路，但是仍支持SCO鏈路，所以從設(shè)備仍然保有AM_ADDR地址及與主從網(wǎng)絡(luò)有相同的跳頻序列。Hold模式下的響應(yīng)可能比Sniff模式更慢，但可以節(jié)省更多的功率。

休眠（Park）狀態(tài)下，從設(shè)備保持與主控設(shè)備的跳頻序列同步，但不是活動(dòng)的（處于Active、Sniff和Hold模式的從設(shè)備被認(rèn)為是活動(dòng)的）。Park模式下從設(shè)備將丟棄AM_ADDR地址并從主設(shè)備得到PM_ADDR與AR_ADDR地址。在主從網(wǎng)絡(luò)中Park模式的從設(shè)備都有一個(gè)特定的PM_ADDR地址，但是AR_ADDR可能與其他的從設(shè)備相同。當(dāng)主設(shè)備希望喚醒某個(gè)處于Park狀態(tài)的從設(shè)備時(shí)，就在廣播頻道BC上發(fā)送從設(shè)備的PM_ADDR地址，并同時(shí)指定從設(shè)備稱為Active狀態(tài)后的AM_ADDR地址。經(jīng)過(guò)廣播頻道BC，主設(shè)備能夠同時(shí)喚醒多個(gè)處于Park狀態(tài)的從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備要從Park狀態(tài)恢復(fù)到Active狀態(tài)時(shí)，也是在廣播頻道BC上，以AR_ADDR地址向主設(shè)備請(qǐng)求，主設(shè)備收到后，發(fā)送控制信號(hào)以喚醒從設(shè)備的Park狀態(tài)。

（2）藍(lán)牙設(shè)備中間狀態(tài)：

當(dāng)主設(shè)備不知道周圍是否存在從設(shè)備時(shí)，就必須以查詢狀態(tài)來(lái)得到周圍所有從設(shè)備的BD_ADDR地址與內(nèi)部時(shí)序，然后進(jìn)入呼叫狀態(tài)與從設(shè)備互相連接。若主設(shè)備已經(jīng)知道要連接的從設(shè)備時(shí)，可直接進(jìn)入呼叫狀態(tài)與該從設(shè)備進(jìn)行連接。圖5給出了主從設(shè)備間建立連接的過(guò)程。

圖中，步驟1-3設(shè)備進(jìn)入查詢狀態(tài)；步驟4-5從設(shè)備收到查詢信號(hào)后，進(jìn)入查詢回應(yīng)狀態(tài)，結(jié)束后，主設(shè)備已經(jīng)得到從設(shè)備響應(yīng)的FHS包，包括了從設(shè)備的BD_ADDR地址、內(nèi)部時(shí)序以及設(shè)備種類；步驟6-7主設(shè)備進(jìn)入呼叫狀態(tài)，與特定的從設(shè)備建立連接，但是此時(shí)主從設(shè)備的時(shí)序并沒(méi)有同步；步驟8-10從設(shè)備接收到呼叫信號(hào)后進(jìn)入呼叫回應(yīng)狀態(tài)，返回ID包作為響應(yīng)；步驟10-13主設(shè)備收到ID包后進(jìn)入主設(shè)備回應(yīng)狀態(tài)，再發(fā)送一個(gè)FHS包，告知主設(shè)備的BD_ADDR地址、連接成員地址等信息，從設(shè)備收到后返回一個(gè)ID包，主從設(shè)備間的連接建立成功，兩者都進(jìn)入連接狀態(tài)。

總結(jié)

藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，目前已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，如局域網(wǎng)中各類數(shù)據(jù)及語(yǔ)音設(shè)備：PC、撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、打印機(jī)、傳真機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話和高品質(zhì)耳機(jī)等。藍(lán)牙的無(wú)線通訊方式將上述設(shè)備連成一個(gè)微微網(wǎng)（Piconet），多個(gè)微微網(wǎng)之間可以進(jìn)行互連接，各類設(shè)備之間可以隨時(shí)隨地進(jìn)行通信。

藍(lán)牙的發(fā)展不是一個(gè)行業(yè)的發(fā)展，而是多個(gè)行業(yè)共同的發(fā)展，需要各個(gè)行業(yè)的推進(jìn)才能有更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。隨著時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)的提升，藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展有著美好的前景，藍(lán)牙將對(duì)我們的生活和工作產(chǎn)生重大的影響。

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