個人通信是人類通信的最高目標，它利用各種可能的網絡技術，實現人與人之間任何時間、任何地點。任何種類的通信。在近距離通信中，藍牙（Bluetooth）無線接入技術使無線單元間的通信變得十分輕易，將計算機技術與通信技術更緊密地結合在一起，人們可隨時隨地進行信息的交換與傳輸。除此之外，藍牙技術還可為數字網絡和外設提供通用接口，以組建遠離固定網絡的個人非凡連接設備群。



1　無線頻段的選擇和抗干擾

　　藍牙技術采用2400～2483.5MHz的ISM（工業、科學和醫學）頻段，這是因為：（1）該頻段內沒有其它系統的信號干擾，同時頻段向公眾開放，無須特許；（2）頻段在全球范圍內有效。世界各國、各地區的相關法規不同，一般只規定信號的傳輸范圍和最大傳輸功率。對于一個在全球范圍內運營的系統，其選用的頻段必須同時滿足所有規定，使任何用戶都可接入，因此必須將所需要素最小化。在滿足規則的情況下，可自由接入無線頻段，此時，抗干擾問題便變得非常重要。因為2.45GHZ ISM頻段為開放頻段，使用其中的任何頻段都會碰到不可猜測的干擾源（如某些家用電器、無繩電話和汽車開門器等），此外，對外部和其它藍牙用戶的干擾源也應作充分估計。

　　抗干擾方法分為避免干擾和抑制干擾。避免干擾可通過降低各通信單元的信號發射電平來達到；抑制干擾則通過編碼或直接序列擴頻來實現。然而，在不同的無線環境下，專用系統的干擾和有用信號的動態范圍變化極大。在超過50dB的遠近比和不同環境功率差異的情況下，要達到1Mb/s以上速率，僅靠編碼和處理增益是不夠的。相反，由于信號可在頻率（或時間）沒有干擾時（或干擾低時）發送，故避免干擾更輕易一些。若采用時間避免干擾法，當碰到時域脈沖干擾時，發送的信號將會中止。大部分無線系統是帶限的，而在2.45GHZ頻段上，系統帶寬為80MHz，可找到一段無明顯干擾的頻譜，同時利用頻域濾波器對無線頻帶其余頻譜進行抑制，以達到理想效果。因此，以頻域避免干擾法更為可行。



2　多址接入體系和調制方式

　　選擇專用系統多址接入體系，是因為在ISM頻段內尚無統一的規定。頻分多址（FDMA）的優勢在于信道的正交性僅依靠發射端晶振的準確性，結合自適應或動態信道分配結構，可免除干擾，但單一的FDMA無法滿足ISM頻段內的擴頻需求。時分多址（TDMA）的信道正交化需要嚴格的時鐘同步，在多用戶專用系統連接中，保持共同的定時參考十分困難。碼分多址（CDMA）可實現擴頻，應用于非對稱系統，可使專用系統達到最佳性能。直接序列（DS）CDMA因遠近效應，需要一致的功率控制或額外的增益，與TDMA相同，其信道正交化也需共同的定時參考，隨著使用數目的增加，將需要更高的芯片速度、更寬的帶寬（抗干擾）和更多的電路消耗。跳頻（FH）CDMA結合了專用無線系統中的各種優點，信號可擴頻至很寬的范圍，因而使窄帶干擾的影響變得很小。跳頻載波為正交，通過濾波，鄰近跳頻干擾可得到有效抑制，而對窄帶和用戶間干擾造成的通信中斷，可依靠高層協議來解決。在ISM頻段上，FH系統的信號帶寬限制在1MHZ以內。為了提高系統的魯棒性，選擇二進制調制結構。由于受帶寬限制，其數據速率低于1Mb／s。為了支持突發數據傳輸，最佳的方式是采用非相干解調檢測。藍牙技術采用高斯型頻移鍵控（GFSK）調制，調制系數為0.3。邏輯“1”發送正頻偏，邏輯“0”發送負頻偏。解調可通過帶限FM鑒頻器完成。



3　媒體接入控制（MAC）

　　藍牙系統可實現同一區域內大量的非對稱通信。與其它專用系統實行一定范圍內的單元共享同一信道不同，藍牙系統設計為答應大量獨立信道存在，每一信道僅為有限的用戶服務。從調制方式可看出，在ISM頻段上，一條FH信道所支持的比特率為1Wb／S。理論上，79條載波頻譜支持79Mb／S，由于跳頻序列非正交化，理論容量79Mb／s不可能達到，但可遠遠超過1Mb／S。

　　一個FH藍牙信道與一微微網相連。微微網信道由一主單元標識（提供跳頻序列）和系統時鐘（提供跳頻相位）定義，其它為從單元。每一藍牙無線系統有一本地時鐘，沒有通常的定時參考。當一微微網建立后，從單元進行時鐘補償，使之與主單元同步，微微網釋放后，補償亦取消，但可存儲起來以便再用。不同信道有不同的主單元，因而存在不同的跳頻序列和相位。一條普通信道的單元數量為8（1主7從），可保證單元間有效尋址和大容量通信。藍牙系統建立在對等通信基礎上，主從任務僅在微微網生存期內有效，當微微網取消后，主從任務隨即取消。每一單元皆可為主／從單元，可定義建立微微網的單元為主單元。除定義微微網外，主單元還控制微微網的信息流量，并治理接入。接入為非自由競爭，625ps的駐留時間僅答應發送一個數據包?；诟偁幍慕尤敕绞叫栎^多開銷，效率較低。在藍牙系統中，實行主單元集中控制，通信僅存在于主單元與一個或多個從單元之間。主從單元間通信時，時隙交替使用。在進行主單元傳輸時，主單元確定一個欲通信的從單元地址，為了防止信道中從單元發送沖突，采用輪流檢測技術，即對每個從到主時隙，由主單元決定答應哪個從單元進行發送。這一判定是以前一時隙發送的信息為基礎實施的，且僅有恰為前一主到從被選中的從地址可進行發送。若主單元向一具體從單元發送了信息，則此從單元被檢測，可發送信息。若主單元末發送信息，它將發送一檢測包來標明從單元的檢測情況。主單元的信息流體系包含上行和下行鏈路，目前已有考慮從單元特征的智能體系算法。主單元控制可有效阻止微微網中的單元沖突。當互相獨立的微微網單元使用同一跳頻時，可能發生干擾。系統利用ALOHA技術，當信息傳送時，不檢測載波是否空載（無偵聽），若信息接收不正確，將進行
重發（僅有數據）。由于駐留期短，FH系統不宜采用避免沖突結構，對每一跳頻，會碰到不同的競爭單元，后退（bacKOFf）機制效率不高。



4　基于包的通信

　　藍牙系統采用基于包的傳輸：將信息流分片（組）打包，在每一時隙內只發送一個數據包。所有數據包格式均相同：開始為一接入碼，接下來是包頭，最后是負載。

　　接入碼具有偽隨機性質，在某些接人操作中，可使用直接序列編碼。接人碼包括微微網主單元標志，在該信道上，所有包交換都使用該主單元標志進行標識，只有接入碼與接入微微網主單元的接入碼相匹配時，才能被接收，從而防止一個微微網的數據包被恰好加載到相同跳頻載波的另一微微網單元所接收。在接入端，接入碼與一滑動相關器內要求的編碼匹配，相關器提供直接序列處理增益。包頭包含：從地址連接控制信息3bit，以區分微微網中的從單元；用于標明是否需要自動查詢方式（ARQ）的響應／非響應1bit；包編碼類型4bit，定義16種不同負載類型；頭差錯檢測編碼（HEC）8bit，采用循環冗余檢測編碼（CRC）檢查頭錯誤。為了限制開銷，數據包頭只用18bit，包頭采用1／3率前向糾錯編碼（FEC）進一步保護。

　　藍牙系統定義了4種控制包：（1）ID控制包，僅包含接入碼，用于信令；（2）空（NULL）包，僅有接入碼和包頭，必須在包頭傳送連接信息時使用；（3）檢測（POLL）包，與空包相似，用于主單元迫使從單元返回一響應；（4）FHS包，即FH同步包，用于在單元間交換實時時鐘和標志信息（包括兩單元跳頻同步所需的所有信息地其余12種編碼類型用于定義包的同步或異步業務。

　　在時隙信道中，定義了同步和異步連接。目前，異步連接對有無2/3率 FEC編碼方式的負載都支持，還可進行單時隙、3時隙、5時隙的數據包。異步連接最大用戶速率為723.2kb／s，這時，反向連接速率可達到57.6kb／s。通過交換包長度和依靠于連接條件的FEC編碼，自適應連接可用于異步鏈，依靠有效的用戶數據，負載長度可變。然而，最大長度受限于RX和TX之間最少交換時間（為200Ps）。對于同步連接，僅定義了單時隙數據包傳輸，負載長度固定，可以有1／3率、2/3率或無FEC。同步連接支持全雙工，用戶速率雙向均為64kb／s。 　



5　以物理連接類型建立連接

　　藍牙技術支持同步業務（如話音信息）和異步業務（如突發數據流），定義了兩種物理連接類型：同步面向連接的連接（SCO）和異步無連接的連接（ACL）。SCO為主單元與從單元的點對點連接，通過在常規時間間隔內預留雙工時隙建立起來。ACL是微微網中主單元到所有從單元的點到多點連接，可使用SCO連接末用的所有空余時隙，由主單元安排ACL連接的流量。微微網的時隙結構答應有效地混合利用異步和同步連接。

　　專用系統設計中的要害問題是，如何在單元間找到對方，并建立連接。在藍牙系統中，建立連接分為掃描、呼叫和查詢3步。在空閑模式下，一單元保持休眠狀態，以節省能量，但為了答應建立連接，該單元必須經常偵聽是否有其它單元欲建立連接。在實際的專用系統中，沒有通用的控制信道（一個單元為偵聽呼叫信息而鎖定），這在常規蜂窩無線系統中是很普遍的。而在藍牙系統中，一單元為偵聽其標志而周期性被喚醒，當一藍牙單元被喚醒時，便開始掃描，打開與從自身標志得到的接人碼相匹配的滑動相關器。掃描窗稍微超過10ms，每次單元被喚醒，掃描不同的跳頻（規則要求不答應設固定的喚醒頻率，可免除干擾）。藍牙的喚醒跳頻序列的數量僅為32跳，循環使用，覆蓋整個80MHz帶寬中的64MHz。序列是偽隨機的，在每一藍牙設備中都是唯一的。序列從單元標志中得到，序列的相位由單元中的自行時鐘決定。在空載模式下，要注重功率消耗和響應時間的折中選擇：增加休眠時間可降低功耗，但會延長接入時間，由于不知道空閑單元在哪一頻率上何時被喚醒，想要連接的單元必須解決時頻不定問題。無線單元大部分時間處于空閑模式，這種不確定的任務應由呼叫單元來完成。假定呼叫單元知道欲連接單元的標志，也知道喚醒序列產生用于呼叫信息的接入碼，在不同頻率上，每1.25ms呼叫單元重復發送接入碼，對于一次響應，需發送和監聽兩次接入碼。

　　將連續接入碼發送到不同喚醒序列所選擇的跳頻上。在10ms周期內，訪問16個不同跳頻載波，為喚醒序列的一半。在空閑單元的休眠期內，呼叫單元在16個頻率上循環發送接入碼，空閑單元被喚醒后，將收到接入碼，并開始建立連接。然而，因為呼叫單元不知道空閑單元的相位，32個跳頻喚醒序列中的其余16個頻率也可能被喚醒。若呼叫單元在相應的休眠期內收不到空閑單元的響應，它將會在其余的一半跳頻序列載波上重復發送接入碼。因此，最大的接入碼延遲為休眠時間的兩倍。當空閑單元收到呼叫信息后，會返回一個提示呼叫單元的信息，即從空閑單元標志中得到的接入碼。然后，呼叫單元發送一個FHS數據包給空閑單元，包含呼叫單元 的全部信息（標志和時鐘）。呼叫單元和空閑單元用該信息建立微微網，此時呼叫單元用其標志和時鐘定義FH信道為主單元，而空閑單元成為從單元。


　　上述呼叫過程建立在呼叫單元完全不知道空閑單元時鐘信息的假設上。假如兩單元間建立過聯系，呼叫單元會對空閑單元時鐘有一估計。當單元連接時，將交換時鐘信息，存儲各自自由運行本地時鐘間的補償時間。這種補償僅在建立連接時準確，當連接釋放后，由于時鐘漂移，補償信息變得不可靠。補償的可靠性與最后一次連接后的時間長度成反比。

　　建立連接時，接收標志用于決定呼叫信息和喚醒序列。若不知道該信息，欲進行連接的單元可發布一查詢消息，讓接收方返回其地址和時鐘信息。在查詢過程中，查詢者可決定哪個單元在需要的范圍內，特性如何。查詢信息也為一接入碼，但從預留標志（查詢地址）得到。空閑單元根據32跳的查詢序列偵聽查詢信息，收到查詢信息的單元返回FHS包。對于返回的FHS包，采用一隨機阻止機制，防止多個接收端同時發送。

　　在呼叫和查詢過程中，使用了32跳載波。對于純跳頻系統，最少要使用75跳載波。然而，在呼叫和查詢過程中，僅有一個接入碼用于信令。接入碼用作直接序列編碼，得到由直接序列編碼處理增益結合32跳頻序列的處理增益，可滿足混合DS／FH系統規定所要求的處理增益。因此，在呼叫和查詢過程中，藍牙系統是混合DS／FH系統；而在連接時，為純FH系統。



6　糾錯

　　藍牙系統的糾錯機制分為FEC和包重發。FEC支持1／3率和2／3率FEC碼。1／3率僅用3bit重復編碼，大部分在接收端判決，既可用于數據包頭，也可用于 SCO連接的包負載。2／3率碼使用一種縮短的漢明碼，誤碼捕捉用于解碼，它既可用于SCO連接的同步包負載，也可用于ACL連接的異步包負載。使用FEC碼，編／解碼過程變得簡單迅速，這對RX和TX間的有限處理時間非常重要。

　　在ACL連接中，可用ARQ結構。在這種結構中，若接收方沒有響應，則發端將包重發。每一負載包含有一CRC，用來檢測誤碼。ARQ結構分為：停止等待ARQ、向后N個ARQ、重復選擇 ARQ和混合結構。為了減少復雜性，使開銷和無效重發為最小，藍牙執行快ARQ結構：發送端在TX時隙重發包，在RX時隙提示包接收情況。若加入2／3率FEC碼，將得到Ⅰ類混合ARQ結構的結果。ACK／NACK信息加載在返回包的包頭里，在RX／TX的結構交換時間里，判定接收包是否正確。在返回包的包頭里，生成ACK／NACK域，同時，接收包包頭的ACK／NACK域可表明前面的負載是否正確接收，決定是否需要重發或發送下一個包。由于處理時間短，當包接收時，解碼選擇在空閑時間進行，并要簡化FEC編碼結構，以加快處理速度。快速ARQ結構與停止等待ARQ結構相似，但時延最小，實際上沒有由 ARQ結構引起的附加時延。該結構比向后N個ARQ更有效，并與重復選擇 ARQ效率相同，但由于只有失效的包被重發，可減少開銷。在快速ARQ結構中，僅有lbit序列號就夠了（為了濾除在ACK／NACK域中的錯誤而正確接收兩次數據包）。



7　功率治理

　　在藍牙系統的設計中，需要非凡注重減少電流消耗。在空閑模式下，在T從1.28～3.84s區間內，單元僅掃描10ms，有效循環低于1％。在一個PAXIL下，有效循環可減少更多，但PARK模式僅在微微網建立之后使用，從單元可停下工作，即以非常低的有效循環來偵聽信道。從單元僅需偵聽接入碼和包頭來重新使時鐘同步，決定是否可重新進入休眠狀態。因為在時間和頻率上都已確定（不工作的從單元被鎖定到主單元，與無線和蜂窩電話被鎖定到基站類似），所以可達到非常低的有效循環。在連接中，另一非功耗模式是SNIFF模式，在這種模式下，從單元不是每一主一從時隙內部掃描，因此掃描之間有較大的間隔。

　　在連接狀態下，數據僅在有效時發送，使電流消耗最小，且可防止干擾。若僅有連接控制信息要傳送（ACK／NACK），則將發送一沒有負載的空包。因為NACK為省缺設置，NACK的空包不一定要發送。在長靜育期內，主單元隔一定時間在信道上重發一個數據包，使所有從單元對其時鐘重新同步，對時間漂移進行補償。在連續的TX／RX操作中，一單元開始掃描始于RX時隙的接入碼，若未找到該接入碼的某窗口，則該單元返回休眠狀態，直到下一個TX時隙（對主單元）或RX時隙（對從單元）；若接入碼被接收（即接收信號與要求的接入碼匹配），包頭被解碼。若3bit從單元地址與接收到的不匹配，進一步的接收將停止，包頭用于表示包的類型和包的持 續時間，由此，非接收方可決定休眠時間。



8　微微網間通信

　　藍牙系統可優化到在同一區域中有數十個微微網運行，而沒有明顯的性能下降（在同一區域的多個微微網稱為分散網）。藍牙時隙連接采用基于包的通信，使不同微微網可互聯。欲連接單元可加入到不同微微網中，但因無線信號只能調制到單一跳頻載波上，任一時刻單元只能在一微微網中通信。通過調整微微網信道參數（即主單元標志和主單元時鐘），單元可從一微微網跳到另一微微網中，并可改變任務。例如，某一時刻在一微微網中的主單元，另一時刻在另一微微網中為從單元。主單元參數標示了微微網的FH信道，因此一單元不可能在不同的微微網中都為主單元。跳頻選擇機制應設計成答應微微網間可相互通信，通過改變標志和時鐘輸入
到選擇機制，新微微網可立即選擇新的跳頻。為了使不同微微網間的跳額可行，數據流體系中設有保護時間，以防止不同微微網的時隙差異。在藍牙系統中，引入了HOLD模式，答應一單元臨時離開一微微網而訪問另一微微網（HOLD也可在離開后無新的微微網訪問期間作為一附加低功率模式）。