2.1 藍牙技術概述

2.1.1 藍牙技術發展概況

藍牙這個名稱來自于10世紀的一位丹麥國王Harald Blatand，Blatand在英文里的意思可以被解釋為Bluetooth（藍牙）。因為國王喜歡吃藍莓，牙齦每天都是藍色的，所以叫藍牙。在行業協會籌備階段，需要一個極具有表現力的名字來命名這項高新技術。行業組織人員，在經過一夜關于歐洲歷史和未來無線技術發展的討論后，有些人認為用Blatand國王的名字命名再合適不過了。Blatand國王曾將現在的挪威、瑞典和丹麥統一起來；他口齒伶俐，善于交際，就如同這項即將面世的技術，該技術將被定義為允許不同工業領域之間的協調工作，保持各個系統領域（如計算機、手機和汽車行業）之間的良好交流。

1998年5月，愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾公司5家著名廠商，在聯合開展短程無線通信技術的標準化活動時提出了藍牙技術，其宗旨是提供一種短距離、低成本的無線傳輸應用技術。這5家廠商還成立了藍牙特別興趣小組（SIG），以使藍牙技術能夠成為未來的無線通信標準。芯片霸主英特爾公司負責半導體芯片和傳輸軟件的開發，愛立信負責無線射頻和移動電話軟件的開發，IBM和東芝負責筆記本電腦接口規格的開發。1999年下半年，著名的業界巨頭微軟、摩托羅拉、3COM、朗訊與藍牙特別興趣小組的5家公司共同發起成立了藍牙技術推廣組織，從而在全球范圍內掀起了一股“藍牙”熱潮。全球業界隨之開發了一大批藍牙技術的應用產品，使藍牙技術呈現出極其廣闊的市場前景，在21世紀初掀起了波瀾壯闊的全球無線通信浪潮。截至目前，SIG成員已經超過了2500家，幾乎覆蓋了全球各行各業，包括通信廠商、網絡廠商、外設廠商、芯片廠商、軟件廠商等，甚至消費類電器廠商和汽車制造商也加入了Bluetooth SIG。

藍牙協議的標準版本為IEEE 802.15.1，基于藍牙規范V1.1實現，后者已構建到現行很多藍牙設備中。新版IEEE 802.15.1a基本等同于藍牙規范V1.2標準，具備一定的QoS特性，并完整保持后向兼容性。IEEE 802.15.1a的PHY層中采用先進的擴頻跳頻技術，提供10Mbps的數據速率。另外，在MAC層中改進了與802.11系統的共存性，并提供增強的語音處理能力、更快速的建立連接能力、增強的服務品質以及提高藍牙無線連接安全性的匿名模式。2010年7月，藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG）宣布正式采納藍牙4.0核心規范，并啟動對應的認證計劃。藍牙4.0實際是個三位一體的藍牙技術，它將三種規格合而為一，分別是傳統藍牙、低功耗藍牙和高速藍牙技術，這三個規格可以組合或者單獨使用。藍牙4.0的標志性特色是2009年底宣布的低功耗藍牙無線技術規范。藍牙4.0最重要的特性是功耗低，極低的運行和待機功耗可以使一粒紐扣電池連續工作數年之久。此外，低成本和跨廠商互操作性，3ms低延遲、100m以上的超長傳輸距離、AES-128加密等諸多特色，使其可以用于計步器、心律監視器、智能儀表、傳感器物聯網等眾多領域，大大擴展了藍牙技術的應用范圍。藍牙4.0依舊向下兼容，包含經典藍牙技術規范和最高速度24Mbps的藍牙高速技術規范。

2.1.2 藍牙的技術特點

藍牙是一種短距離無線通信的技術規范，它起初的目標是取代現有的計算機外設、掌上電腦和移動電話等各種數字設備上的有線電纜連接。藍牙規范在制定之初，就建立了統一全球的目標，其規范向全球公開，工作頻段為全球統一開放的2.4GHz—ISM頻段。從目前的應用來看，由于藍牙在小體積和低功耗方面的突出表現，它幾乎可以被集成到任何數字設備之中，特別是那些對數據傳輸速率要求不高的移動設備和便攜設備。藍牙技術標準制定的目標為如下所述。

1）全球范圍適用

藍牙工作在2.4GHz的ISM頻段，全球大多數國家ISM頻段的范圍是2.4～2.4835GHz，使用該頻段無須向各國的無線電資源管理部門申請許可證。

2）可同時傳輸語音和數據

藍牙采用電路交換和分組交換技術，支持異步數據信道、三路語音信道或異步數據和同步語音同時傳輸的信道。其中每個語音信道為64kbps，語音信號的調制采用脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）或連續可變斜率增量調制（Continuous Variable Slope Delta，CVSD）。對于數據信道，如果采用非對稱數據傳輸，則單向最大傳輸速率為721kbps，反向為57.6kbps：如果采用對稱數據傳輸，則速率最高為342.6kbps。藍牙定義了兩種鏈路類型：異步無連接（AsynChronous Connectionless，ACL）鏈路和面向同步連接（Synehronous Connection-Oriented，SCO）鏈路。ACL鏈路支持對稱或非對稱、分組交換不和多點連接，它上要用來傳輸數據：SCO鏈路支持對稱、電路交換和點到點的連接，主要用來傳輸語音。

3）可以建立臨時性的對等連接（Ad hoc Connection）

藍牙設備根據其在網絡中的角色，可以分為主設備（Master）與從設備（Slave）。藍牙設備建立連接時，主動發起連接請求的為主設備，響應方為從設備。當幾個藍牙設備連接成一個微微網（Piconet）時，其中只有一個主設備，其余的均為從設備。微微網是藍牙最基本的一種網絡，由一個主設備和一個從設備所組成的點對點的通信是最簡單的微微網。藍牙微微網的結構如圖2.1所示。

幾個微微網在時間和空間上相互重疊，進一步組成了更加復雜的網絡拓撲結構，成為散射網（Scatternet）。散射網中的藍牙設備可能是某個微微網的從設備，也可能同時是另一個微微網的主設備，如圖2.2所示。

不同的微微網之間的跳頻頻率各自獨立，互不相關，其中每個微微網可由不同的跳頻序列來標識，參與同一微微網的所有設備都與此微微網的跳頻序列同步。盡管在開放的ISM頻段原則上不允許有多個微微網的同步，但通過時分復用技術，一個藍牙設備便可以同時與幾個不同的微微網保持同步，具體來說，就是該設備按照一定的時間順序參與不同的微微網，即某一時刻參與一個微微網，而下一時刻參與另一個微微網。

4）具有很好的抗干擾能力

工作在ISM頻段的無線電設備有很多種，如家用微波爐、無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）和HomeRF等技術產品，藍牙為了很好地抵消來自這些設備的干擾，采取了跳頻（Frequency Hopping）方式來擴展頻譜（Spread Spectrum），將2.402～2.48GHz的頻段分成79個頻點，每兩個相鄰頻點間隔1MHz。數據分組在某個頻點發送之后，再跳到另一個頻點發送，而對于頻點的選擇順序則是偽隨機的，每秒頻率改變1600次，每個頻率持續625μs。

5）具有很小的體積，以便集成到各種設備中

由于個人移動設備的體積較小，嵌入其內部的藍牙模塊體積就應該更小，如愛立信公司的藍牙模塊ROK1011007的外形尺寸為長33mm、寬17mm、厚3mm。

6）微小的功耗

藍牙設備在通信連接（Connection）狀態下，有4種工作模式：激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。Active模式是正常的工作狀態，另外3種模式是為了節能所規定的低功耗模式。Sniff模式下的從設備周期性地被激活；Hold模式下的從設備停止監聽來自主設備的數據分組，但保持其激活成員地址；Park模式下的主從設備仍保持同步，但從設備不需要保留其激活成員地址。這3種節能模式中，Sniff模式的功耗最高，但對于主設備的響應最快，Park模式的功耗最低，對于主設備的響應最慢。

7）開放的接口標準

SIG為了推廣藍牙技術的使用，將藍牙的技術標準全部公開，全世界范圍內的任何單位和個人都可以進行藍牙產品的開發，只要最終通過SIG的藍牙產品兼容性測試，就可以推向市場。這樣一來，SIG就可以通過提供技術服務和出售芯片等業務獲利，同時大量的藍牙應用程序也可以得到大規模推廣。

8）低成本，使得設備在集成了藍牙技術之后只需增加很少的費用

藍牙產品剛剛面世的時候，價格昂貴，一副藍牙耳機的售價就達到5000元左右。隨著市場需求的擴大，各個供應商紛紛推出自己的藍牙芯片和模塊，如愛立信、飛利浦、CSR、索尼、英特爾等公司，藍牙產品的價格也飛速下降。截至2010年，藍牙芯片的量產價格已經跌破1美元，而且還有進一步下滑的趨勢。對于購買藍牙產品的用戶來說，僅僅一次性增加較少的投入，卻換來了永久的便捷與效率。

2.1.3 藍牙系統組成

藍牙的關鍵特性是健壯性、低復雜性、低功耗和低成本。

藍牙工作在全球通用的2.4GHz的ISM頻段，并采用跳頻收發信機來達到抗干擾和抑制信號衰減的作用，采用二進制調頻（FM）模式降低收發信機的復雜性，其符號速率為1Mbps。劃分為時隙的信道采用625μs的標稱時隙長度。藍牙系統采用全雙工時分（TDD）傳輸方案實現雙工傳輸。在信道中，信息可以以分組方式進行交換。各信息分組可采用不同跳頻頻率實現傳輸。理論上講，一個分組覆蓋一個單時隙，而實際上一個分組可擴展至覆蓋5個時隙。藍牙協議使用電路交換和分組交換的混合方式。時隙保留用于同步分組。同時，藍牙能夠支持一條異步數據信道，乃至3個同步語音信道，或一條同時支持異步數據和同步語音的信道。每個語音信道在每個方向上支持64kbps同步語音信道連接。異步信道最大可不對稱支持723.2kbps（回程為57.6kbps），或對稱支持433.9kbps的傳輸速率。

藍牙系統由無線部分、鏈路控制部分、鏈路管理支持部分和主終端接口組成，如圖2.3所示。

藍牙系統提供點對點連接方式或一對多連接方式，其連接方式如圖2.4所示。

在一對多連接方式中，多個藍牙單元之間共享一條信道。共享同一信道的兩個或兩個以上的單元形成一個微微網。其中，一個藍牙單元作為微微網的主單元，其余則為從單元。在一個微微網中最多可有7個活動從單元。另外，更多的從單元可被鎖定于某一主單元，該狀態稱為休眠狀態。在該信道中，不能激活這些處于休眠狀態的從單元，但仍可使之與主單元之間保持同步。對處于激活或休眠狀態的從單元而言，信道訪問都是由主單元進行控制。

具有重疊覆蓋區域的多個微微網構成一個散射網絡（Scatternet）結構，如圖2.5所示。每個微微網只能有一個主單元，從單元可基于時分復用參加不同的微微網。另外，在一個微微網中的主單元仍可作為另一個微微網的從單元，各微微網間不必以時間或頻率同步。它們有自己的跳頻信道。