前途無量的無線網絡技術——藍牙

2019-11-05 02:25:43

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供稿：網友

　　你是否正為辦公室中錯綜復雜的線纜和各種各樣的接線方式而發愁？你是否正為耳機的線太短而煩惱？你是否正為如何方便地控制紛繁復雜的數據語音設備而絞盡腦汁？隨著網絡技術日新月異的迅速發展，人們已經無法抵制網絡對傳統生活與工作方式的影響與滲透。如何減免繁雜的連線過程，實現快速方便地數據與語音通信，已成為當前人們最關心的問題之一，也是網絡通信發展最迅速的領域之一。為什么不能去掉這些煩人的線纜，通過其它方式通信呢？
　　
　　解決這些問題的答案就是無線通信，其優勢在于隨時隨地、隨心所欲的通信。事實上，好多年以前，標準化組織就已經提出了一些無線通信的標準，但是由于協議的復雜性、應用的局限性以及器件的能力等原因，一直沒有得到廣泛接受。但是隨著計算機網絡和移動電話技術的迅猛發展，人們越來越感覺到發展一定范圍內的無線數據與語音通信的迫切需要。于是在1998年，愛立信、IBM、Intel、諾基亞和東芝等公司聯合推出了一項最新的無線網絡技術，即藍牙(Bluetooth)技術。隨后這五家公司組建了一個非凡愛好組織(SIG：Special Interest Group)來負責開發此技術及協議，如今已有1800多家公司加入。1999年7月份藍牙SIG推出了藍牙協議的1.0版，將其推向應用階段。
　　
　　藍牙技術概況
　　藍牙技術在推出時就瞄準了無線局域網的通信，在10米到100米的空間內所有支持該技術的移動或非移動設備可以方便地建立網絡聯系、進行音頻通信或直接通過手機進行Internet沖浪。其應用范圍相當廣泛，可以應用于局域網絡中各類數據及語音設備，如PC、撥號網絡、筆記本電腦、打印機、傳真機、數碼相機、移動電話和高品質耳機等，使用無線的方式將它們連成一個微微網(Piconet)，多個Piconet之間也可以互連形成Scatternet，從而方便快速地實現各類設備之間隨時隨地的通信。
　　
　　藍牙技術的協議結構如圖1所示。整個協議體系結構分三大部分：底層硬件模塊、中間協議層和高層應用。
　　
　　底層硬件部分包括無線跳頻(Radio Frequency，RF)、基帶(Baseband，BB)和鏈路治理(Link Manager，LM)。RF層通過2.4GHz 無需授權的ISM頻段的微波，實現數據位流的過濾和傳輸，本層協議主要定義了藍牙收發器在此頻帶正常工作所需滿足的要求。BB負責跳頻和藍牙數據及信息幀的傳輸。LM負責連接的建立和拆除以及鏈路安全和控制。
　　
　　藍牙技術結合了電路交換與分組交換的特點，不僅可以進觳絞?萃ㄐ牛?箍梢災С侄啻?個同時進行的同步話音信道，還可以用一個信道同時傳送異步數據和同步話音。每個話音信道支持64kb/s同步話音鏈路。異步信道可以支持一端最大速率為721kb/s，而另一端速率為57.6kb/s的不對稱連接，也可以支持43.2kb/s的對稱連接。
　　
　　中間協議層包括邏輯鏈路控制和適應協議(Logical Link Control and Adaptation PRotocol ，L2CAP)、服務發現協議(Service Discovery Protocol，SDP)、串口仿真協議RFCOMM和電話通信協議(Telephony Control Protocol，TCS)。L2CAP完成數據的拆裝、服務質量和協議復用等功能，是其他上層協議實現的基礎。SDP為上層應用程序提供一種機制來發現網絡中可用的服務及其特性。RFCOMM基于ETSI標準TS07.10在L2CAP上仿真9針RS232串口的功能。TCS提供藍牙設備間話音和數據的呼叫控制信令。
　　
　　在BB和LM上與L2CAP之間還有一個主機控制接口層(Host Controller Interface，HCI)。HCI是藍牙協議中軟硬件之間的接口，它提供了一個調用下層BB、LM、狀態和控制寄存器等硬件的統一命令接口。藍牙設備之間通信時的系統結構如下圖2所示。HCI協議以上的協議軟件實體運行在主機上，而HCI以下的功能由藍牙設備來完成，二者之間通過一個對兩端透明的傳輸層進行交互。隨著對Bluetooth研究的深入，人們提出了Single－Chip 結構，即Bluetooth Host 與Bluetooth Module合二為一，在單芯片上實現Bluetooth，從而省去了HCI接口部分。
　　
　　在藍牙協議棧的最上部是各種高層應用框架(Profiles)。其中較典型的有撥號網絡(Dial－up Networking)、耳機(Headset)、局域網訪問(LAN access)、文件傳輸(File Transfer)等，分別對應一種應用模式。各種應用程序可以通過各自對應的Profile實現無線通信(圖中每一個豎向的協議棧即為一種Profile，即應用模式)。撥號網絡應用可以通過由RFCOMM仿真的串口訪問Piconet，數據設備也可由此接入傳統的局域網；用戶通過協議棧中的Audio層在手機和耳塞中實現音頻流的無線傳輸；多臺PC或筆記本電腦之間不用任何連線，即可快速靈活的傳輸文件，共享信息，多臺設備也可由此實現操作的同步。隨著手機功能的不斷增強，手機無線遙控也將成為藍牙技術的主要應用方向之一。
　　
　　整個藍牙協議結構簡單，使用重傳等機制保證鏈路的可靠性，在Baseband、Link Manager和應用層中可實現分級的多種安全機制，通過跳頻消除網絡環境中其他無線設備比如微波爐的干擾。遵循藍牙協議的設備將能夠用微波取代傳統網絡中錯綜復雜的電纜，非常方便的實現快速靈活、安全、低代價、低功耗的數據和話音通信，而無須購買、攜帶和使用各種電纜。由于藍牙技術能夠適合多種用途，它還可以用一條單獨的無線鏈路代替多條電纜連接，使用戶可以通過不同途徑，在不同的應用場合中使用移動信息，讓用戶能夠真正專心于他們的工作內容，而不必花費精力去連接紛繁復雜的線纜。
　　
　　應用前景
　　遵循藍牙協議的各種應用都保證簡單易用的安裝和操作、高效的安全機制和完全的互操作性，從而實現隨時隨地的通信。
　　
　　藍牙技術將在多種領域迅速發展，其典型應用環境包括無線辦公環境(Wireless Office)、汽車工業、信息家電、醫療設備等等，其他應用環境如學校教育、工廠自動控制等不再一一詳述。
　　
　　1.辦公環境中，無線局域網設備每年增長27.1％，市場價值將從1998年的3億美元飛漲到2005年的16億美元。在辦公室中藍牙設備將消除桌面上錯綜復雜的連線，通過無線接入局域網，實現文件、調制解調器、打印機和服務器的共享，同時也可應用于無繩電話。在開辦公會議時，可以用無線的方式訪問其他成員，共享文件等信息。家庭辦公者可以在PC、電子設備、無繩電話等設備間共享話音和數據，在任何房間中訪問Internet，共享ISP連接。在旅行途中，可以就近無線接入Internet，在旅館的房間或者機場方便地訪問網絡。
　　
　　2.藍牙技術在汽車工業中也有巨大的市場潛力。汽車的主人可由此獲得與在家中同樣的網絡服務，汽車中的電話和音頻服務將更加便利，主人可以通過移動電話控制汽車的上鎖和開啟，調節座位和溫度等環境，以及汽車中各種控制設備，同時還可以從服務中心獲得及時的路況、事故等信息。BlueTooth一旦應用到汽車中，每年將至少產生五千萬臺設備的市場需求。
　　
　　3.隨著家電產品數字化程度的不咸岣擼?頤強梢隕柘氚閹?械男畔⒓業繽ü?桓鲆？仄骼唇?鋅刂啤Ｕ庖桓鲆？仄韃壞?梢鑰刂頻縭?、紦溷?⒖盞髕鰨??被箍梢雜米魑奚?緇盎蛘咭貧?緇埃?踔量梢栽謖廡┬畔⒓業韁?涔蠶磧杏玫男畔??熱綈訓縭詠諛炕蛘叩緇壩鏌袈賈葡呂創媧⒌降縋災小?
　　
　　4.很明顯，使用藍牙互連的各種電子醫療設備具有更廣泛的應用范圍，可以在各種設備及醫療人員之間更好的協作，出現緊急狀態時及時發出告警，在遠程醫療中也有很好的市場潛力。
　　
　　目前，在國內外一些聞名大公司的全力支持下，已經有藍牙的初期產品問世，一些大的芯片廠商已經開始著手改進具有藍牙功能的芯片。與此同時，一些頗具實力的軟件公司則推出了各自的協議棧軟件，與芯片廠商合作推出藍牙技術實現的具體方案，并且不斷開發藍牙技術的典型應用。隨著技術和應用的不斷發展，藍牙將在人們的日常生活和工作中扮演重要角色，更迅猛地改變人們的生活與工作方式，提高人們的生活質量。
　　
　　當前藍牙技術的開發碰到的最主要問題是設備間的互通性，由于藍牙是一項新技術，其協議并沒有經過充分的驗證與測試，而且不同廠商對協議的理解也會有偏差，因而開發出來的芯片或者協議棧可能無法互通。這就需要開發者們之間繼續相互合作，采用先進的協議開發技術，進行完善的驗證與測試。
　　
　　相關技術比較
　　無線局域網是當前發展最迅速的領域之一，相應的新技術也層出不窮，目前無線局域網的技術主要有IEEE 802.11、HomeRF和藍牙，它們都可以工作在2.4GHz頻段上。
　　
　　IEEE 802.11只規定了開放式系統互聯參考模型（OSI/RM）的物理層和MAC層，其MAC層利用載波監聽多重訪問/沖突避免（CSMA/CA ：Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）協議，而在物理層，802.11定義了三種不同的物理介質：紅外線、跳頻擴譜方式(FHSS：Frequency Hopping Spread Spectrum) 以及直擴方式(DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum )。802.11支持1～11Mbps較高的數據速率，但是它只支持數據通信，為進行無線數據通信，數據設備先要安裝有無線網卡。
　　
　　另一種無線局域網技術HomeRF，是專門為家庭用戶設計的。HomeRF 利用跳頻擴譜方式，通過家庭中的一臺主機在移動數據和語音設備之間實現通信，既可以通過時分復用支持語音通信，又能通過載波監聽多重訪問/沖突避免協議提供數據通信服務。同時，HomeRF提供了與TCP/IP良好的集成，支持廣播、多播和48位IP地址。
　　
　　與上面兩種技術不同，藍牙技術具有一整套全新的協議，可以應用于更多的場合。藍牙技術中的跳頻更快，因而更加穩定，同時它還具有低功耗、低代價和比較靈活等特點?？偟膩碇v，802.11比較適于辦公室中的企業無線網絡，HomeRF可應用于家庭中的移動數據和語音設備與主機之間的通信，而藍牙技術則可以應用于任何可以用無線方式替代線纜的場合。目前這些技術還處于并存狀態，但是有可能引起干擾等問題，從長遠看，隨著產品與市場的不斷發展，它們將走向融

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