无线技术也玩双模 蓝牙4.0技术细节揭秘

蓝牙的技术特点

技术综述

蓝牙(Bluetooth)通过低功率无线电波传输数据，其本质是一种支持设备短距离通信(一般是10m之内)的无线电技术。其标准是IEEE 802.15，工作在2.402～2.480GHz频率带之间，基础带宽为1Mb/s。和Wi-Fi、WiMAX等用于局域、城域的无线网络规范不同的是，Bluetooth所定义的应用范围更小一些，它将应用锁定在一个以个人为单位的人域网(PAN)领域，也就是个人起居活动范围的方圆10米之内，却容纳了包括音频、互联网、移动通信、文件传输等在内的非常多样化的应用取向，加上强调自动化和易操作性，因此在这一领域里很快就得到了普及，虽然在蓝牙的发展过程中一度曾偏离了这一主旨，但Bluetooth 4.0的出现无疑揭示了Bluetooth对自身核心价值的反思和回归。

调节性跳频与微微网(Piconet)的原理

因为蓝牙所用的频带仍处于应用繁多的2.4G无线电频率范围附近，为达到大限度地避免设备间的相互干扰的目的，蓝牙从实际的应用出发，将信号功率设计得非常微弱，仅为手机信号的数千分之一，这样设备间的距离就只能保持在约10米范围内，从而避免了和移动电话、电视机等设备间的相互干扰。

蓝牙协议所处频带分布图

蓝牙协议被设计为同时允许多八个蓝牙设备互连，因此协议需要解决的另一个问题就是如何处理同在有效传输范围内的这些蓝牙设备之间的相互干扰，这一问题的解决催生了蓝牙协议具独创性的通信方式—调节性跳频技术。它定义了79个独立且可随机选择的有效通信频率，每个蓝牙设备都能使用其中任何一个频率，且能有规律地随时跳往另一个频率，按协议规范，这样的频率跳转每秒钟会发生1600次，因此不太可能出现两个发射器使用相同频率的情况，即使在特定频率下有任何干扰，其持续时间也仅不到千分之一秒，因此该技术同时还将外界干扰对蓝牙设备间通讯的影响降低到小。

调节性跳频让蓝牙设备成为了杂技演员手中的钢球，虽然只有两只手，只要抛得足够快，就能承载更多。

让我们设想一下两个蓝牙设备间通讯的过程，当两个蓝牙设备互相靠近时，它们之间会发生电子会话以交流需求，这一会话过程无需用户参与，而一旦需求确认，设备间便会自动确认地址并组成一个被称为微微网(Piconet)的微型网络，此网络一旦形成，组成网络的设备便可协商好和谐地随机跳频，以确保彼此间的联系，但又不会对其它信号构成干扰，于是蓝牙——杂技演员手里的一个钢球就这样形成了。

蓝牙的协议组成

蓝牙标准从制定之初便定义成为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分：第一部分为协议核心(Core)部分，用来规定诸如射频、基带、链路管理、服务发现、传输层以及与其他通信协议间的互用、互操作性等基本组件及方法；第二部分为协议子集(Profile)部分，用来以规定不同蓝牙应用(也称使用模式)所需的协议和过程。

图11 蓝牙标准模块构成

如图11，蓝牙标准的设计仍采用从下至上的分层式结构，以人机接口(Host Controller Interface，HCI)为界分为低层和高层协议，其中底层的基带(Baseband)、射频(Bluetooth Radio)和链路管理层(LMP)协议定义了完成数据流的过滤和传输、链路的控制、跳频和数据帧传输的基本功能；而高层协议则控制连接的建立和释放、数据的拆装、业务质量、协议的复用和分用等功能。在设计开发协议，特别是高层协议时的原则就是大限度地重用现存的协议，而且所有高层应用协议(协议单元的垂直层)都使用公共的数据链路和物理层，这就从架构上确保了协议的开放性和适应性。

完整的蓝牙标准协议是一个不折不扣的大杂烩，从功能划分上它大致由四个部分组成，它们分别是蓝牙核心协议、线缆替代协议、电话控制协议和其它已采用协议，其功能简介如下：

核心协议

蓝牙的核心协议包括低层协议中的基带、链路管理(LMP)和高层协议中的逻辑链路控制与适应协议(L2CAP)和服务发现协议(SDP)四部分，基带和LMP负责在蓝牙单元间建立物理射频链路，构成微微网(piconet)。此外，LMP还要完成像鉴权和加密等安全方面的任务，包括生成和交换加密键、链路检查、基带数据包大小的控制、蓝牙无线设备的电源模式和时钟周期、微微网内蓝牙单元的连接状态等。

逻辑链路控制与适应协议(L2CAP)完成基带与高层协议间的适配，并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务和分类提取，而服务发现协议(SDP)则是所有使用模式的基础。通过SDP，可以查询设备信息、服务及服务特征，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的连接。

线缆替代协议

串行电缆仿真协议(RFCOMM)像SDP一样位于L2CAP之上，作为一个电缆替代(Cable Replacement)协议，它通过在蓝牙的基带上模拟符合RS-232标准的控制和数据信号，为将符合串行数据传输规范的应用无缝迁移到蓝牙上的实现提供了可能。

 电话控制协议

电话控制协议包括电话控制规范二进制(TCS BIN)协议和一套电话控制命令(AT-commands)。其中，TCS BIN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；ATcommands。则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它们同样是模拟的标准电话语音通讯的相关协议规范，以确保相关语音通讯应用能够无缝迁移到蓝牙上。

其它已采用协议

其它被蓝牙兼收并蓄的协议包括PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、WAE、vCard、vCalendar等，其特性和应用详见下表，不再一一赘叙，随着Bluetooth 3.0+HS和4.0的推出，802.11b、Wibree等新兴技术也逐步被合并其中，应用面得到进一步拓展。