2.1 蓝牙技术概述

2.1.1 蓝牙技术发展概况

蓝牙这个名称来自于10世纪的一位丹麦国王Harald Blatand，Blatand在英文里的意思可以被解释为Bluetooth（蓝牙）。因为国王喜欢吃蓝莓，牙龈每天都是蓝色的，所以叫蓝牙。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线技术发展的讨论后，有些人认为用Blatand国王的名字命名再合适不过了。Blatand国王曾将现在的挪威、瑞典和丹麦统一起来；他口齿伶俐，善于交际，就如同这项即将面世的技术，该技术将被定义为允许不同工业领域之间的协调工作，保持各个系统领域（如计算机、手机和汽车行业）之间的良好交流。

1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司5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5家厂商还成立了蓝牙特别兴趣小组（SIG），以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。芯片霸主英特尔公司负责半导体芯片和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发，IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、3COM、朗讯与蓝牙特别兴趣小组的5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。全球业界随之开发了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，在21世纪初掀起了波澜壮阔的全球无线通信浪潮。截至目前，SIG成员已经超过了2500家，几乎覆盖了全球各行各业，包括通信厂商、网络厂商、外设厂商、芯片厂商、软件厂商等，甚至消费类电器厂商和汽车制造商也加入了Bluetooth SIG。

蓝牙协议的标准版本为IEEE 802.15.1，基于蓝牙规范V1.1实现，后者已构建到现行很多蓝牙设备中。新版IEEE 802.15.1a基本等同于蓝牙规范V1.2标准，具备一定的QoS特性，并完整保持后向兼容性。IEEE 802.15.1a的PHY层中采用先进的扩频跳频技术，提供10Mbps的数据速率。另外，在MAC层中改进了与802.11系统的共存性，并提供增强的语音处理能力、更快速的建立连接能力、增强的服务品质以及提高蓝牙无线连接安全性的匿名模式。2010年7月，蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）宣布正式采纳蓝牙4.0核心规范，并启动对应的认证计划。蓝牙4.0实际是个三位一体的蓝牙技术，它将三种规格合而为一，分别是传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙技术，这三个规格可以组合或者单独使用。蓝牙4.0的标志性特色是2009年底宣布的低功耗蓝牙无线技术规范。蓝牙4.0最重要的特性是功耗低，极低的运行和待机功耗可以使一粒纽扣电池连续工作数年之久。此外，低成本和跨厂商互操作性，3ms低延迟、100m以上的超长传输距离、AES-128加密等诸多特色，使其可以用于计步器、心律监视器、智能仪表、传感器物联网等众多领域，大大扩展了蓝牙技术的应用范围。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。

2.1.2 蓝牙的技术特点

蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范，它起初的目标是取代现有的计算机外设、掌上电脑和移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。蓝牙规范在制定之初，就建立了统一全球的目标，其规范向全球公开，工作频段为全球统一开放的2.4GHz—ISM频段。从目前的应用来看，由于蓝牙在小体积和低功耗方面的突出表现，它几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙技术标准制定的目标为如下所述。

1）全球范围适用

蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4～2.4835GHz，使用该频段无须向各国的无线电资源管理部门申请许可证。

2）可同时传输语音和数据

蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道或异步数据和同步语音同时传输的信道。其中每个语音信道为64kbps，语音信号的调制采用脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）或连续可变斜率增量调制（Continuous Variable Slope Delta，CVSD）。对于数据信道，如果采用非对称数据传输，则单向最大传输速率为721kbps，反向为57.6kbps：如果采用对称数据传输，则速率最高为342.6kbps。蓝牙定义了两种链路类型：异步无连接（AsynChronous Connectionless，ACL）链路和面向同步连接（Synehronous Connection-Oriented，SCO）链路。ACL链路支持对称或非对称、分组交换不和多点连接，它上要用来传输数据：SCO链路支持对称、电路交换和点到点的连接，主要用来传输语音。

3）可以建立临时性的对等连接（Ad hoc Connection）

蓝牙设备根据其在网络中的角色，可以分为主设备（Master）与从设备（Slave）。蓝牙设备建立连接时，主动发起连接请求的为主设备，响应方为从设备。当几个蓝牙设备连接成一个微微网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。微微网是蓝牙最基本的一种网络，由一个主设备和一个从设备所组成的点对点的通信是最简单的微微网。蓝牙微微网的结构如图2.1所示。

几个微微网在时间和空间上相互重叠，进一步组成了更加复杂的网络拓扑结构，成为散射网（Scatternet）。散射网中的蓝牙设备可能是某个微微网的从设备，也可能同时是另一个微微网的主设备，如图2.2所示。

不同的微微网之间的跳频频率各自独立，互不相关，其中每个微微网可由不同的跳频序列来标识，参与同一微微网的所有设备都与此微微网的跳频序列同步。尽管在开放的ISM频段原则上不允许有多个微微网的同步，但通过时分复用技术，一个蓝牙设备便可以同时与几个不同的微微网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时间顺序参与不同的微微网，即某一时刻参与一个微微网，而下一时刻参与另一个微微网。

4）具有很好的抗干扰能力

工作在ISM频段的无线电设备有很多种，如家用微波炉、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）和HomeRF等技术产品，蓝牙为了很好地抵消来自这些设备的干扰，采取了跳频（Frequency Hopping）方式来扩展频谱（Spread Spectrum），将2.402～2.48GHz的频段分成79个频点，每两个相邻频点间隔1MHz。数据分组在某个频点发送之后，再跳到另一个频点发送，而对于频点的选择顺序则是伪随机的，每秒频率改变1600次，每个频率持续625μs。

5）具有很小的体积，以便集成到各种设备中

由于个人移动设备的体积较小，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块ROK1011007的外形尺寸为长33mm、宽17mm、厚3mm。

6）微小的功耗

蓝牙设备在通信连接（Connection）状态下，有4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。Active模式是正常的工作状态，另外3种模式是为了节能所规定的低功耗模式。Sniff模式下的从设备周期性地被激活；Hold模式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组，但保持其激活成员地址；Park模式下的主从设备仍保持同步，但从设备不需要保留其激活成员地址。这3种节能模式中，Sniff模式的功耗最高，但对于主设备的响应最快，Park模式的功耗最低，对于主设备的响应最慢。

7）开放的接口标准

SIG为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。这样一来，SIG就可以通过提供技术服务和出售芯片等业务获利，同时大量的蓝牙应用程序也可以得到大规模推广。

8）低成本，使得设备在集成了蓝牙技术之后只需增加很少的费用

蓝牙产品刚刚面世的时候，价格昂贵，一副蓝牙耳机的售价就达到5000元左右。随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块，如爱立信、飞利浦、CSR、索尼、英特尔等公司，蓝牙产品的价格也飞速下降。截至2010年，蓝牙芯片的量产价格已经跌破1美元，而且还有进一步下滑的趋势。对于购买蓝牙产品的用户来说，仅仅一次性增加较少的投入，却换来了永久的便捷与效率。

2.1.3 蓝牙系统组成

蓝牙的关键特性是健壮性、低复杂性、低功耗和低成本。

蓝牙工作在全球通用的2.4GHz的ISM频段，并采用跳频收发信机来达到抗干扰和抑制信号衰减的作用，采用二进制调频（FM）模式降低收发信机的复杂性，其符号速率为1Mbps。划分为时隙的信道采用625μs的标称时隙长度。蓝牙系统采用全双工时分（TDD）传输方案实现双工传输。在信道中，信息可以以分组方式进行交换。各信息分组可采用不同跳频频率实现传输。理论上讲，一个分组覆盖一个单时隙，而实际上一个分组可扩展至覆盖5个时隙。蓝牙协议使用电路交换和分组交换的混合方式。时隙保留用于同步分组。同时，蓝牙能够支持一条异步数据信道，乃至3个同步语音信道，或一条同时支持异步数据和同步语音的信道。每个语音信道在每个方向上支持64kbps同步语音信道连接。异步信道最大可不对称支持723.2kbps（回程为57.6kbps），或对称支持433.9kbps的传输速率。

蓝牙系统由无线部分、链路控制部分、链路管理支持部分和主终端接口组成，如图2.3所示。

蓝牙系统提供点对点连接方式或一对多连接方式，其连接方式如图2.4所示。

在一对多连接方式中，多个蓝牙单元之间共享一条信道。共享同一信道的两个或两个以上的单元形成一个微微网。其中，一个蓝牙单元作为微微网的主单元，其余则为从单元。在一个微微网中最多可有7个活动从单元。另外，更多的从单元可被锁定于某一主单元，该状态称为休眠状态。在该信道中，不能激活这些处于休眠状态的从单元，但仍可使之与主单元之间保持同步。对处于激活或休眠状态的从单元而言，信道访问都是由主单元进行控制。

具有重叠覆盖区域的多个微微网构成一个散射网络（Scatternet）结构，如图2.5所示。每个微微网只能有一个主单元，从单元可基于时分复用参加不同的微微网。另外，在一个微微网中的主单元仍可作为另一个微微网的从单元，各微微网间不必以时间或频率同步。它们有自己的跳频信道。