蓝牙

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1.导语



  随着宽带通信时代的来临,宽带数据传输成为必要的条件,人们对于因特网与应用技术结合的需求也越来越迫切,已成为未来无线网络通讯技术相当热门的话题。由于第二代移动通讯系统(The 2nd Generation Wireless System)已无法满足人们的需求,现正积极开发中的第三代移动通讯技术将会朝向提供达2Mbps高速服务功能发展,期望在未来能提供一个结合话音(Voice)、数据(Data)、视讯(Video)多媒体传输服务的无线网络通讯环境。



  目前有一种在10米到100米以内、无方向性的短距离无线通讯新技术——蓝牙(Bluetooth)是近年积极发展出的最新无线通讯技术,它将取代可携式计算机、外围设备与移动电话间的线缆,成为一种开放的无线通讯标准。随着信息家电(IA Information Appliance)的发展趋势和产品诞生,家庭当中的各项电子产品逐渐有了处理数据的能力。而有了蓝牙之后,家电产品更可以形成一个网络环境,将各种信息直接在彼此之间流动。



  Bluetooth的应用大约可涵盖三个应用领域,即取代缆线功能(Cable Replacement)、个人随意网络(Personal Ad-Hoc Network)、与网络接取设备(Data/Voice Access Point )。身处于通讯信息科技发达的时代,身边一大堆计算机线、键盘线、鼠标线、电话线、耳机线等等,各种无所不在的混乱缆线缠身,却又不得不使用,感到苦恼不已。所以Bluetooth将取代所有移动设备现有的连接线功能,改用无线电波传输,如语音传输的免持式听筒、数据传输的接口设备、或是指令传输的控制设备等。个人网络则是随时随地提供一个立即可用的网络通讯传输环境,以分享网络内其它计算机设备上的档案或网络资源。网络接取设备则提供更广泛的网络传输应用,通过对外有线网络或因特网的连接服务,使用者可以无线方式连接网络上所有的资源,达到无线上网传输的境界。



  未来应用Bluetooth产品大致可归类成便宜、微小、易用三个技术重点,分述如下:



  ★便宜-整合RF与Baseband成单一芯片,尽量将IC以外组件整合至芯片中。



  ★微小-可运用先进的封装技术(flipchip、BGA...),尽量缩小封装后的芯片体积;将一些IC整合不进去的被动组件埋入LTCC基板。



  ★易用-Bluetooth是最简单的产品概念,却也是最复杂的系统技术,其通讯协议复杂度接近GSM,认证规格非常复杂,根据不同使用有不同profile,例如:Generic Access profile为所有应用之基础,用来确保Bluetooth 基本传输功能的正确性,Bluetooth产品必须通过此Profile验证;Service Discovery Profile则是规范Bluetooth产品寻找邻近可提供连结服务设备的程序等等。虽然Bluetooth相关协议非常复杂,但对使用者来说是非常容易操作的产品。



2.浅谈蓝牙Bluetooth



  蓝牙的核心概念,原为以移动电话为核心工具,通过手机的单一接口来控制广泛使用的信息、消费性电子产品,包括PC、Notebook、PDA、MP3、数字相机甚至汽车设备与家电用品。换言之,蓝牙技术持续发展的最终型态,是在既有的有线网络基础上,完成网络无线化个人局域网络Personal Area Network PAN;此范围在10米到100米,最少可以容纳八个小网络,上、下传速度均为432Kbps,但采非对称式时,上传为56Kbps、下传则提高为721Kbps,未来则可扩充为2Mbps,提高计算机及移动电话的通讯能力。其输出功率为1mW,传输距离大约为10米,另外对于有需要较长距离传输的设备,其最高输出功率可达100mW20db,传输距离大约可达50-100米,Bluetooth所采用的数字调制技术Gaussian Frequency Shift Keying; GFSK调制技术,传输速率为1Mbps,但实际上最高有效数据传输速率只有721Kbps。此时网络将不再受到地域与线路的限制,而是真正的随身上网与资料互换。蓝牙由无线射频及基频模块构成,为了能达到在全球均能运作的目标,系统所需频率必须要全球各地都能很容易取得的频带,且此频带必须是未受法规限定的频带及公开给无线电使用的,该频段在全球各国家都属于共通的频谱,唯一符合此项要求的便是2.45GHz-称为工业、科学、医疗ISM的频带。传输速率更高、应用更广,可以符合未来宽带网络时代的要求。



3.蓝牙技术:



  蓝牙采用扩频通讯中的跳频技术。



  最下层的RF与Baseband专职信号处理,两层合起来就是所谓的物理层Physical Layer。RF使用2.4GHz到2.5GHz之间的频段ISM。由于ISM 是一个开放的频段,因此无线电系统在这个频段操作时,必需要有足够的能力去克服各种不可预测的干扰源,像是无线电话及微波炉(最强的干扰源)等装置的干扰。为了有效降低干扰源的影响,我们可以寻找未使用的频段来传送讯息,且利用频谱扩展(Spectrum Spreading)的方法来减少干扰源的影响。



  Bluetooth RF模块采用跳频式扩频技术(FHSS:Frequency Hopping Spread Spectrum)来传送信息,为了要达到低成本、低消耗功率的目标,因此跳频系统将频带分成几个跳频信道(Hop Channel)。在连结的期间,Radio transceiver以虚拟随机(Pseudo-random PN)的方式来产生跳频信道。虽然,跳频无线系统的瞬间(跳跃)频宽非常小,但扩展的频宽可涵盖整个频段。这个低成本的窄频Transceiver ,将使干扰的影响降至最低。在连结的期间,当干扰讯号干扰跳频信道时,将造成错误的接收,此时接收机的错误更正系统(error-correction scheme)将对干扰做出最佳的处理。



4.Bluetooth的运作方式与协议:



  (1)Bluetooth的运作方式



  Bluetooth是一种短距离无线通讯传输接口,允许的传输距离长度设计为10米到100米,当含有Bluetooth的手机或计算机等在多个含Bluetooth装置的环境中,设备尚未加入蓝牙微网时,它会先进入待机状态。在此状态下,它会随时监听传呼讯息,直到收到的信号与自己本身的识别码有相关时,自己才会激活Bluetooth服务称为Master时,开始寻找外围所有Bluetooth装置称为Slave,并且呼叫连结程序。接下来则进行识别码的确认及信号时间的同步,以便决定往后跳频之Sequence,而将这些装置连成一个群体,称为微网Piconet。可由Bluetooth形成一个微网的方式来分享资料,可提供7-8个主动服务者Active Slave Device以及255个等待服务者Standby Slave Device 。为了维持信息的传送,微网内的其中一个装置为此微网的主控装置,而其它装置则为从属装置。在微网内的任何一个装置都可以成为主控装置,但在任何时间中微网内只有一个主控装置。Bluetooth提供点对点或点对多的连结方式,各个Bluetooth装置连结建立都由Master来主控,在一个区域内,同时可以加入多个微网,这种多个微网架构所组成称为叠网Scatternet。



  (2)Bluetooth协议:



  基本通讯硬件的机制能够作点对点的传输,所以网络通讯能提供便利的、高层次的应用接口软件。这软件大部分处理低层次的通讯项目及自动化的程序。可较容易应用到通讯上,大部分的应用程序依靠网络软件联机。当传送资料时,在复杂的通讯上必须取得一致的规格,此规格称为协议Protocol。以上已经提过了一些Bluetooth相关的协议,在这里为协议作详细的说明:



  a.在物理层Physical上为LMPLink manager Protocol协议,主控不同组件间的联机控制、组件的连结状态,传输封包的加解密和身分认证等。



  b.Host Controller Interface用来界定Bluetooth与Host设备之间连结接口的控制指令。



  c.L2CAPLogical Link Control and Adaptation Protocol协议,负责对上层不同应用的软件接口网络连结功能,而对应于不同的应用程序,此所谓多任务。另外也提供Multiplexing、Quality Of Service服务品质、封包切割Segmentation与整合Reassembly的等服务功能,将上层传下来的信息包整理成64K字节。



  d.RFCOMM RF Communication 协议,提供串行联机的功能,类似RS232的控制信号与资料收发的信号。



  e.TCS Telephony Control Service 协议,其中是二元化 TCS BIN ,负责电话联机信号的建立控制Call Control、移动漫游管理 Mobility Management。另外为AT指令AT Command,此用来让手机或计算机等经由Bluetooth连上的硬件接口来上网,此时也提供传真的指令。



  f.SDPService Discovery Protocol 协议,其中包含服务的纪录,主要记录服务特性和身份认证。另外是描述有关服务发现后所要作的事情,主要建立一个通话联机,所使用通话协议。



  g.Profiles API层则分别对Audio、Data、Control等提供了不同的模块。目前已规范有四大类、十三种协议规格。



  h.Application则是依据语音、数据、控制等应用需求,提供应用软件所需的通讯协议功能与应用程序接口。



5.结语及未来产望发展:



  由于目前的蓝牙技术还有许多技术上和共通性上必须整合,所以归纳了目前蓝牙必须努力的地方:



  1.软件开发能力有待加强:SIG会员有高达1900家,其实要进行Bluetooth的硬件开发并不难,最重要还是在软件的开发,工程师必须在通讯协议、规范与应用之间做好定义,以方便不同的Bluetooth产品间能够互传信息。



  2.价格过高:完整的蓝牙模块包括硬件的芯片组标准版须用三颗Chips与软件管理部份,其中目前分别以单芯片制造的基频Baseband及射频Radio Frequency Circuit组件,不过蓝牙模块的设计厂商亦不断设法减少模块中的芯片数量以达降低成本目标,其中射频、基频以外的第三芯片成为首要对象主要是Memory部份;目前已成功地将芯片数由3颗降至2颗。更宣称开发出将基频、射频及其它微处理器整合在单一芯片SOC的技术,同时成本也逼近未来希望的5美元。



  未来蓝牙技术初期应用上First Wave将采取从笔记本计算机、PDA等高价产品;Second Wave往下延伸的方式发展为低价的手机、数字相机、PC外围、传真机等;最后Third Wave当蓝牙使用环境更为成熟时,更可延伸到所有的信息家电产品,并与其它类型的无线网络骨干IEEE802.11或Home RF等技术相结合。明日家电为信息家电IA(Information Appliance),这些将具备下列特色,(一)独特单一的功能。(二)更人性有效率的操控感。(三)上网功能。(四)无线区域通讯传输。(五)更省电。蓝牙技术进入家庭后,家电之间的区域无线沟通传输,也是重要的发展趋势。



  未来无线通讯应用的终端产品将会整合信息产品的功能,并逐渐朝向轻、薄、短、小的方向发展,让使用者易于携带及使用。但将所有功能集于一身将会使应用产品失去上述轻巧的功能,而若在设备之间仍以联机传输也会造成相当不便,因此能够提供各个设备之间无线传输功能的蓝牙(Bluetooth)技术便成为大家所期待。蓝牙技术希望能够以无线电波传输取代有线网络联机,提供一个不受有形线路束缚,而能随时随地传输语音及数据的通讯环境,达成信息相互沟通的目的。蓝牙技术与产品发展对于网络基础建设的普及化有绝对性的正面助益,蓝牙的优越性与兼容性将使其具备形成未来无线网络主流架构的潜力,也将进一步改变人类未来的生活型态。



----《通信世界报》

   

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