蓝牙技术及其发展现状

蓝牙技术是由爱立信公司在1994年提出的一种最新的无线技术规范。其最初的目的是希望采用短距离无线技术将各种数字设备（如移动电话、计算机、ＰＤＡ等）连接起来，以消除繁杂的电缆连线。随着研究的进一步发展，蓝牙技术可能的应用领域得到扩展，如将蓝牙技术应用于汽车工业、无线网络接入、信息家电及其他所有不便于进行有线连接的地方。但从目前的情况分析来看，蓝牙技术的典型应用还是在个人域网（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＰＡＮ），它可用于建立一个便于移动、连接方便、传输可靠的数字设备群。

1 蓝牙技术
蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其工作频段为全球通用的2.4ＧＨｚ ＩＳＭ(即工业、科学、医学)频段。蓝牙的数据传输速率为1Ｍｂｉｔ／ｓ，采用时分双工方案来实现全双工传输。其理想的连接范围为10ｃｍ～10ｍ，通过增大发送电平可以将距离延长至100 ｍ，而延长距离至1000ｍ的方案目前还在讨论中。
由于ＩＳＭ频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定，结合了极高跳频速率（1600跳／ｓ）和调频技术，这使它比工作在相同频段而跳频速率均为50跳／ｓ的802.11 ＦＨＳＳ和ＨｏｍｅＲＦ无线电更具抗干扰性。目前，蓝牙特殊兴趣集团（ＳＩＧ）的实验表明：当蓝牙设备和802.11设备同时工作时，802.11对蓝牙设备的干扰使得蓝牙设备的数据传输速率约下降了12％，而蓝牙设备对802.11的干扰使得其基本上无法传输数据。当然，这项实验在反映了蓝牙技术抗干扰性强的同时，也体现了蓝牙技术应该解决的一个问题，就是和其他协议的共存。只有和其他协议很好地共存，才能更加体现出蓝牙技术的巨大生命力。目前，ＳＩＧ也正在积极地寻找解决相互干扰问题的方法，并有望在蓝牙协议的2.0版本中采用自适应跳频技术来解决。
蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在保留的时隙中可以传输同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩展到占用5个时隙。蓝牙支持异步数据信道以及多达3个同时进行的同步话音信道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持64ｋｂｉｔ／ｓ，同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721ｋｂｉｔ／ｓ而另一端速率为57.6ｋｂｉｔ／ｓ的不对称连接，也可以支持432.6ｋｂｉｔ／ｓ的对称连接。
2 蓝牙系统
2.1 蓝牙系统中的常用名词
Ｐｉｃｏｎｅｔ：微网。两个或多个共用同一蓝牙信道的设备组成的网络被称为是一个微网（ｐｉｃｏｎｅｔ）。由于微微网中主动设备的地址长度为3ｂｉｔ，所以一个微微网的主动成员数为2～8个。其中一个单元为ｍａｓｔｅｒ ｕｎｉｔ，其他单元为ｓｌａｖｅ ｕｎｉｔ。
Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ：特殊松散网。由重叠覆盖区域的多个微微网组成一个ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ。
Ｍａｓｔｅｒ ｕｎｉｔ：主单元。即在一个微微网中，其时钟和跳频顺序被用来同步其他单元的设备。
Ｓｌａｖｅ ｕｎｉｔｓ：从单元。即微微网中不是ｍａｓｔｅｒ的所有设备。
Ａｍ—ａｄｄｒｅｓｓ：主动成员地址。用来区分微微网中各主动单元长度为3ｂｉｔ的地址。 Ｐａｒｋ：暂停模式。在微微网中与网络保持同步但不进行数据收发的一种工作模式。
Ｓｎｉｆｆ ａｎｄ ｈｏｌｄ ｍｏｄｅ：呼吸与保持模式。与网络同步，但进入睡眠状态以节省能源的一种工作模式。
2.2 系统组成
蓝牙系统主要有三大单元组成。
(1)无线单元
无线单元主要完成基带信号和射频信号之间的上下转换，实现数据流的过滤和传输。
(2)基带单元 基带单元主要完成跳频控制，数据和信息的打包与传输。
(3)链路管理与控制单元 链路管理与控制是系统的核心部分，它负责连接的建立和拆除以及链路的安全和控制，还要为上层软件提供访问入口。
2.3 链路管理与控制
在微微网内的连接被建立之前，所有的设备都处于旁观（ｓｔａｎｄｂｙ）状态。此时，这些设备周期性地“监听”其他设备发出的查询（ｉｎｑｕｉｒｅ）消息或寻呼（ｐａｇｅ）信息。首先请求连接的单元是ｍａｓｔｅｒ单元，如果对方地址已经存在于ｍａｓｔｅｒ 单元的地址簿中，ｍａｓｔｅｒ单元则通过发出寻呼（ｐａｇｅ）消息包请求建立连接；如果地址未知，则首先通过ｉｎｑｕｉｒｅ消息包查询覆盖范围内其他单元的地址，然后再用ｐａｇｅ消息包建立连接。
在查询过程中，ｍａｓｔｅｒ单元使用特别预留的全球统一的Ｉｎｑｕｉｒｅ事件ＩＤ号，并采用全球惟一的包含32个信道的信道序列发送此指令。进行Ｉｎｑｕｉｒｅ ｓｃａｎ的设备周期性地在这32个信道上进行监听，直到该设备的Ｉｎｑｕｉｒｅ ｓｃａｎ功能被禁止。在主单元端将这32个信道分为两组，每组16个，主单元先在第一组的16个信道上发布Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，随即在回复信道上进行监听，如果被查询单元接收到Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，则用ＦＨＳ包发送自己的ＩＤ号和时钟偏移；然后主单元在第二组的16个信道上发布Ｉｎｑｕｉｒｅ指令，如此反复，直到覆盖范围内所有单元都发回ＦＨＳ包，主单元就建立了一个完整的覆盖范围内的设备情况表。
在寻呼过程中，32个寻呼信道也分为两组，主单元根据它最近知道的被呼单元的ＩＤ号和时钟偏移来调整两个信道组的频率，然后先用第一组频率持续呼叫1.25ｓ。如果没有收到回音，则再用第二组频率持续呼叫1.25ｓ。被呼单元则每隔1.25ｓ在寻呼信道中监听寻呼消息中的ＩＤ信息，一旦发现接收到的ＩＤ号与本身的ＩＤ号一致，则发送回复消息包。这样，微微网就形成了。
如果微微网中已经处于连接的设备在较长一段时间内没有数据传输，ｍａｓｔｅｒ可以把ｓｌａｖｅ置为ｈｏｌｄ模式，这时，只有一个内部计数器工作。ｓｌａｖｅ也可以主动要求被置为ｈｏｌｄ模式。一旦处于ｈｏｌｄ模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始。ｈｏｌｄ模式一般被用于连接好几个微微网的情况或者耗能低的设备，如温度传感器。除了ｈｏｌｄ模式外，蓝牙还支持ｓｎｉｆｆ模式和ｐａｒｋ模式两种节能工作模式：在ｓｎｉｆｆ模式下，ｓｌａｖｅ降低了从微微网“收听”消息的速率，“呼吸”间隔可以依应用要求做适当调整；在ｐａｒｋ模式下，设备依然与微微网同步但没有数据传送。工作在ｐａｒｋ模式下的设备放弃了Ａｍａ地址，偶尔“收听”ｍａｓｔｅｒ的消息并恢复同步、检查广播消息。采用ｐａｒｋ模式可以使一个微微网中的ｍａｓｔｅｒ单元管理的ｓｌａｖｅ单元数远远大于7个。如果我们把这几种工作模式按照节能效率以升序排列，则依次是：呼吸模式、保持模式和暂停模式。
在活动状态下，蓝牙技术支持两种链路类型：面向连接的同步链路（ＳＣＯ）和面向无连接的异步链路（ＡＣＬ）。
ＳＣＯ链路为对称连接，利用保留时隙传送数据包。它可以被认为是一种主单元和从单元之间的电路交换的点对点连接，主要用于传送实时话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用于重发被损坏的那部分数据。每个蓝牙单元最多可同时支持3个ＳＣＯ链路。
ＡＣＬ链路既支持对称连接，也支持不对称连接。ｍａｓｔｅｒ负责控制链路带宽，并决定微微网中的每个ｓｌａｖｅ可以占用多少带宽和连接的对称性。ｓｌａｖｅ只有被选中时才能传送数据。ＡＣＬ链路也支持ｍａｓｔｅｒ发给微微网中所有ｓｌａｖｅ的广播消息。ＡＣＬ链路一般不能传送话音，但可以传送ＩＰ话音。
3 蓝牙技术的主要应用
从理论上讲，蓝牙技术可以被植入到所有的数字设备中，用于短距离无线数据传输。目前可以预计的应用场所主要是计算机、移动电话、工业控制及ＰＡＮ的连接。
3.1 蓝牙在计算机中的应用
蓝牙接口可以直接集成到计算机主板或者通过ＰＣ卡或ＵＳＢ接口连接，实现计算机之间及计算机与外设之间的无线连接。这种无线连接对于便携式计算机可能更有意义。通过在便携式计算机中植入蓝牙技术，便携式计算机就可以通过蓝牙移动电话或蓝牙接入点连接远端网络，可以方便地进行数据交换。当便携式计算机中的某些资料更新后，可以在不需人工干预的情况下，对家用台式电脑进行同步更新。
3.2 蓝牙在移动电话中的应用
从目前来看，移动电话是蓝牙技术的最大应用领域，也是已经有实际应用的领域。通过在移动电话中植入蓝牙技术，可以实现无线耳机、车载电话等功能，还能实现与便携式计算机和其他手持设备的无电缆连接，组成一个方便灵活的ＰＡＮ。当蓝牙技术普及后，蓝牙移动电话还能作为一个工具，实现所有的商用卡交易。
3.3 蓝牙在其他方面的应用
目前，蓝牙技术的应用领域已越来越广阔，如：将蓝牙技术应用于汽车行业中，实现对汽车各部件的实时监控；将蓝牙技术应用于建筑行业中，实现智能化住宅；在人口密度大的地区（如车站、机场、商场等）为用户提供接入服务等。 我们针对电力系统的特点，正在将蓝牙技术引入到电力系统中，实现电力系统的自动抄表和用电实时管理以及高压区的远程操作。目前正在努力实现该系统的实用化。
4 国内外研究现状
4.1 国外研究现状
自从1994年爱立信提出蓝牙技术以来，这项低功耗、低成本的无线连接技术已经获得了巨大的发展。1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、ＩＢＭ和英特尔5家公司成立了蓝牙特殊兴趣小组（ＳＩＧ）。此后，各大公司都加大了对蓝牙的投资力度，于1999年发布了蓝牙技术协议Ｖ1.0Ｂ版，2001年3月发布了蓝牙协议Ｖ1.1版。爱立信于2000年推出了蓝牙技术模块，这种模块主要采用了两个芯片完成整个蓝牙协议，目前各大公司正在努力将整个蓝牙协议植入一个芯片中。到2001年4月止，蓝牙特殊兴趣小组已有各种成员2 491位；已通过蓝牙技术认证的产品（包括蓝牙调制器、开发器、测试设备及其他应用产品）已达200多种。目前，在国外公司推出的产品当中，各类测试设备（包括无线测试仪和协议分析仪等）已日趋成熟，但其应用产品（ＰＣ卡等）还有些问题需要解决（包括互操作性差、传输速率低等）。
目前，蓝牙协议还处于不断完善期，ＳＩＧ预计在2001年年底发布蓝牙协议Ｖ2.0版，拟采用自适应跳频技术来进一步提高抗干扰性能并减少对同频段其他设备的干扰，使一个微微网的传输速率有望达到12Ｍｂｉｔ／ｓ，以拓展蓝牙技术在工业控制和无线ＬＡＮ中的应用。
虽然由于蓝牙技术的发展速度一直未达到预计的要求而使一些业内人士对蓝牙技术产生了怀疑，但是作为一种前景光明的连接技术，蓝牙仍以惊人的速度向前发展，预计到2003年，将有数千万只手机和数百万个其他ＩＴ设备被植入蓝牙技术；到2005年，其全球的芯片市场将达50亿美元。
4.2 国内研究状况与对策
从国内整体情况来看，目前参与蓝牙特殊兴趣小组的国内企业还为数不多，蓝牙产品也大多处于研发阶段。在这种情况下，国内厂家要摆脱这种相对落后的状况，达到与国际技术同步发展的水平，可以采取以下几种途径。
①通过与国外大公司的合作，掌握蓝牙芯片的关键技术。在蓝牙技术中，芯片是基础，在蓝牙技术成熟后，芯片市场将占据蓝牙市场中的大部分。若我国拥有自己的蓝牙芯片厂商，我国蓝牙产业的发展就可以免受或少受国外的牵制。芯片技术是我国信息产业发展的瓶颈，而目前我国的芯片技术一直处于落后状态，我国政府已明确指出要加快芯片技术产业的发展，因此，发展蓝牙芯片也符合我国的发展战略。
②加紧对蓝牙技术的应用开发，加快蓝牙技术在各种ＩＴ设备中的应用研究。目前，由于芯片价格和协议的不断更新等原因，推出大规模的商业应用还不现实，但应紧跟技术的发展，针对各行业的应用加紧研究开发，为大规模的商业应用做充分的准备。国内一些企业也正在讨论用软件方法来实现蓝牙协议，当蓝牙协议更新时，只需修改软件就能实现协议升级。这在当前的形式下，也不失为一种好的对策。
③加强企业间的横向联合。蓝牙技术应用广泛，各行业的企业可以有不同的蓝牙技术应用切入点，企业间的利益冲突小。因此，国内的企业应联合起来，成立一个国内的蓝牙组织，共同推进蓝牙技术在国内的发展。同时，还要加强对蓝牙协议的研究，力争在蓝牙协议中，也拥有我国自主的知识产权，变被动跟踪为主动出击。
5 结束语
Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和移动通信的迅速发展，使人们对各种数据和移动服务的需求快速增长。蓝牙技术作为一个全球开放性无线标准，通过把各种语音和数据设备用无线链路连接起来，使人们能够随时随地实现个人区域内语音和数据的交换与传输，随着技术的发展和完善，蓝牙必将对人们的生活和工作产生重大影响。