藍芽技術概述

藍芽技術概述
 
    藍芽技術是一種無線資料與語音通訊的開放性全球規範，它以低成本的近距離無線串連為基礎，為固定與行動裝置通訊環境建立一個特別串連。其程式寫在一個9 x 9 mm的微晶片中。
    例如，如果把藍芽技術引入到行動電話和膝上型電腦中，就可以去掉行動電話與膝上型電腦之間的令人討厭的串連電纜而而通過無線使其建立通訊。印表機、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵盤、遊戲操縱杆以及所有其它的數字裝置都可以成為藍芽系統的一部分。除此之外，藍芽無線技術還為已存在的數字網路和外設提供通用介面以組建一個遠離固定網路的個人特別串連裝置群。
    藍芽工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業、科學、醫學）頻段。藍芽的資料速率為1Mb/s。時分雙工傳輸方案被用來實現全雙工系統傳輸。
    ISM頻帶是對所有無線電系統都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的幹擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等，都可能是幹擾。為此，藍芽特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩定。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻通道（hop channel），在一次串連中，無線電收發器按一定的碼序列（即一定的規律，技術上叫做"偽隨機碼"，就是"假"的隨機碼）不斷地從一個通道"跳"到另一個通道，只有收發雙方是按這個規律進行通訊的，而其他的幹擾不可能按同樣的規律進行幹擾；跳頻的瞬時頻寬是很窄的，但通過擴充頻譜技術使這個窄頻寬成百倍地擴充成寬頻帶，使幹擾可能的影響變成很小。
    與其它工作在相同頻段的系統相比，藍芽跳頻更快，資料包更短，這使藍芽比其它系統都更穩定。FEC（Forward Error Correction，前向錯誤修正）的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪音。應用了二進位調頻（FM）技術的跳頻收發器被用來抑制幹擾和防止衰落。
    藍芽基帶協議是電路交換與封包交換的結合。在被保留的時隙中可以傳輸同步資料包，每個資料包以不同的頻率發送。一個資料包名義上佔用一個時隙，但實際上可以被擴充到佔用5個時隙。藍芽可以支援非同步資料通道、多達3個的同時進行的同步話音通道，還可以用一個通道同時傳送非同步資料和同步話音。每個話音通道支援64kb/s同步話音鏈路。非同步通道可以支援一端最大速率為721kb/s而另一端速率為57.6kb/s的不對稱串連，也可以支援43.2kb/s的對稱串連。
    藍芽系統由以下功能單元組成：
    · 無線單元
    · 鏈路控制單元
    · 鏈路管理
    · 軟體功能 Definitions
    名詞解釋：
    · Piconet：通過藍芽技術串連在一起的所有裝置被認為是一個piconet，一個piconet可以只是兩台相連的裝置，比如一台攜帶型電腦和一部行動電話，也可以是八台連在一起的裝置。在一個piconet中，所有裝置都是層級相同的單元，具有相同的許可權。但是在piconet網路初建時，其中一個單元被定義為master ，其它單元被定義為slave。
    · Scatternet：幾個獨立且不同步的piconet組成一個scatternet。
    · Master unit：主單元,即在一個piconet中，其時鐘和跳頻順序被用來同步其它單元的裝置。
    · Slave units：從單元,即piconet中不是master的所有裝置。
    · Mac address：用來區分piconet中各單元的長度為3位元的地址。
    · Parked units：暫停單元,即piconet中與網路保持同步但沒有Mac address的裝置。
    · Sniff and hold mode：呼吸與保持模式,與網路同步但進入睡眠狀態以節省能源的一種工作模式。
    網路技術
    藍芽支援人員點對點和點對多點串連。幾個piconet可以被串連在一起，靠跳頻順序識別每個piconet。同一piconet所有使用者都與這個跳頻順序同步。其拓撲結構可以被描述為"多piconet"結構。
    在一個"多piconet"結構中，在帶有10個全負載的獨立的piconet的情況下，全雙工系統資料速率超過6Mb/s。
    話音
    話音通道採用連續可變斜率增量調製（CVSD）話音編碼方案，並且從不重發話音資料包。CVSD編碼擅長處理丟失和被損壞的語音採樣，即使位元錯誤率達到4%，CVSD編碼的語音還是可聽的。
    無線
    藍芽空中介面是建立在天線電平為0dBm的基礎上的。空中介面遵循FCC(美國聯邦通訊委員會）有關電平為0dBm的ISM頻段的標準。如果全球電平達到100mW以上，可以使用擴充頻譜功能來增加一些補充業務。頻譜擴充功能是通過起始頻率為2.402，終止頻率為2.480，間隔為1MHz的79個跳頻頻點來實現的。出於某些本地規定的考慮，日本、法國和西班牙都縮減了頻寬。最大的跳頻速率為1660跳/秒。理想的串連範圍為10厘米--10米，但是通過增大發送電平可以將距離延長至100米。
    基帶
    基帶部分描述了硬體--基帶鏈路控制器的數字訊號處理規範。基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其它一些低層常規協議。
    建立網路連接
    在piconet內的串連被建立之前，所有的裝置都處於standby（待令）狀態。在這種模式下，未串連單元每隔1.28秒周期性地"監聽"資訊。每當一個裝置被啟用，它就監聽規劃給該單元的32個跳頻頻點。跳頻頻點的數目因地理地區的不同而異，32這個數字只適用於除日本、法國和西班牙之外的大多數國家。作為master的裝置首先初始化串連程式，如果地址已知，則通過呼叫（page）訊息建立串連，如果地址未知，則通過一個後接page訊息的inquiry（查詢）訊息建立串連。在最初的呼叫狀態，master單元將在分配給被呼叫單元的16個跳頻頻點上發送一串16個相同的page訊息。如果沒有應答，master則按照啟用次序在剩餘16個頻點上繼續呼叫。Slave收到從master發來的訊息的最大延遲時間為啟用周期的2倍（2.56秒），平均延遲時間是啟用周期的一半（0.6秒）。Inquiry訊息主要用來尋找藍牙裝置，如共用印表機、傳真機和其它一些地址未知的類似裝置。Inquiry訊息和page訊息很相象，但是inquiry訊息需要一個額外的資料串周期來收集所有的響應。
    如果piconet中已經處於串連的裝置在較長一段時間內沒有資料轉送，藍芽還支援節能工作模式。master可以把slave置為hold(保持)模式，在這種模式下，只有一個內部計數器在工作。slave也可以主動要求被置為hold模式。一旦處於hold模式的單元被啟用，則資料傳遞也立即重新開始。Hold模式一般被用於串連好幾個piconet的情況下或者耗能低的裝置，如溫度感應器。除hold模式外，藍芽還支援另外兩種節能工作模式：sniff(呼吸)模式和park(暫停)模式。在sniff模式下，slave降低了從piconet"收聽"訊息的速率，"呼吸"間隔可以依應用要求做適當調整。在park模式下，裝置依然與piconet同步但沒有資料傳送。工作在park模式下的裝置放棄了MAC地址，偶爾收聽master的訊息並恢複同步、檢查廣播訊息。如果我們把這幾種工作模式按照節能效率以升序排一下隊，那麼依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式。 　
    連線類型和資料包類型 連線類型定義了哪種類型的資料包能在特別串連中使用。藍芽基帶支援人員兩種連線類型：
    · 同步定向串連（SCO）類型（主要用於傳送話音）
    · 非同步無串連（ACL）類型（主要用於傳送資料包）
    同一個piconet中不同的主從對可以使用不同的連線類型，而且在一個階段內還可以任意改變連線類型。每個連線類型最多可以支援16種不同類型的資料包，其中包括四個控制分組，這一點對SCO和ACL來說都是相同的。兩種連線類型都使用TDD（時分雙工傳輸方案）實現全雙工系統傳輸。
    SCO串連為對稱串連，利用保留時隙傳送資料包。串連建立後,master和slave可以不被選中就發送SCO資料包。SCO資料包既可以傳送話音，也可以傳送資料，但在傳送資料時，只用於重發被損壞的那部分的資料。
    ACL鏈路就是定向發送資料包，它既支援對稱串連，也支援不對稱串連。master負責控制鏈路頻寬，並決定piconet中的每個slave可以佔用多少頻寬和串連的對稱性。slave只有被選中時才能傳送資料。ACL鏈路也支援接收master發給piconet中所有slave的廣播訊息。
    錯誤修正
    基帶控制器有三中錯誤修正方案：
    · 1/3比例前向錯誤修正（FEC）碼
    · 2/3比例前向錯誤修正碼
    · 資料的自動請求重發方案
    FEC（前向錯誤修正）方案的目的是為了減少資料重發的次數，降低資料轉送負載。但是，要實現資料的無差錯傳輸，FEC就必然要產生一些不必要的開銷位元而降低資料的傳送效率。這是因為，資料包對於是否使用FEC是彈性定義的。前序總有佔1/3比例的FEC碼起保護作用，其中包含了有用的鏈路資訊。
    在無編號的ARQ方案中，在一個時隙中傳送的資料必須在下一個時隙得到收到的確認。只有資料在收端通過了前序錯誤偵測和迴圈冗餘檢測後認為無錯後才向發端回確認訊息，否則，則返回一個錯誤訊息。
    鑒權和保密
    藍芽基帶部分在物理層為使用者提供保護和資訊保密機制。
    鑒權基於"要求-回應"運演算法則。鑒權是藍芽系統中的關鍵區段，它允許使用者為個人的藍牙裝置建立一個信任域，比如只允許主人自己的膝上型電腦通過主人自己的行動電話通訊。
    加密被用來保護串連中的個人資訊。密鑰由程式的高層來管理。網路傳送協議和應用程式可以為使用者提供一個較強的安全機制。
    鏈路管理
    鏈路管理（LM）軟體模組攜帶了鏈路的資料設定、鑒權、鏈路硬體設定和其它一些協議。LM能夠發現其它遠端LM並通過LMP（鏈路管理協議）與之通訊。LM模組提供如下服務：
    · 發送和接收資料
    · 請求名稱。LM能夠有效地查詢和報告名稱或者長度最大可達16位的裝置ID。
    · 鏈路地址查詢
    · 建立串連
    · 鑒權
    · 鏈路模式協商和建立，比如資料模式或者話音/資料模式。在串連建立過程中模式是可以變更的。
    · 決定幀的類型。
    · 將裝置設為sniff模式。工作在在sniffe模式的裝置只接收M時隙的資料。M時隙的位置是由LM協商決定的。master只能有規律地在特定的時隙發送資料。
    · 將裝置設為hold模式。工作在hold模式的裝置為了節能在一個較長的周期內停止接收資料，平均每4秒啟用一次鏈路，這由LM定義，LC（鏈路控制器）具體操作。
    · 當裝置不需要傳送或接收資料但仍需保持同步時將裝置設為暫停模式。處於暫停模式的裝置周期性地啟用並跟蹤同步，並檢查page訊息。
    軟體結構
    藍牙裝置需要支援一些基本互操作特性要求。對某些裝置，這種要求涉及到無線模組、空中通訊協定以及應用程式層協議和對象交換格式。但對另外一些裝置，比如耳機，這種要求就簡單得多。藍牙裝置必須能夠彼此識別並裝載與之相應的軟體以支援裝置更高層次的效能.
    藍芽對不同層級的裝置(如PC、手持機、行動電話、耳機等）有不同的要求，例如，你無法期望一個藍芽耳機提供地址簿。但是行動電話、手持機、膝上型電腦就需要有更多的功能特性。
    軟體結構需有如下功能：
    · 設定及故障診斷工具
    · 能自動識別其它裝置
    · 取代電纜連線
    · 與外設通訊
    · 音頻通訊與呼叫控制
    · 商用卡的交易與號簿網路通訊協定
    PC
    藍芽規範介面可以直接整合到膝上型電腦或者通過PC卡或USB介面串連。
    膝上型電腦的使用模型包括：
    · 通過藍芽蜂窩電話串連遠端網路
    · 利用藍芽蜂窩電話做擴音器
    · 藍芽膝上型電腦、手持機和行動電話間的商用卡交易
    · 藍芽膝上型電腦、手持機和行動電話間的時間同步
    藍芽是一個獨立的作業系統，不與任何作業系統捆綁。適用於幾種不同商用作業系統的藍芽規範正在完善中。
   電話
   藍芽規範介面可以直接整合到蜂窩電話中或通過附加元件串連。電話的使用模型包括（可選）：
    · 通過藍芽無線耳機實現電話的免提功能
    · 與膝上型電腦和手持機的無電纜連線
    · 與其它藍芽電話、膝上型電腦和手持機的商用卡交易
    · 與信任的藍芽膝上型電腦或手持機自動同步地址簿
    其它
    其它藍牙裝置的使用模型包括：
    · 耳機
    · 手持機和其它可攜式裝置
    · 人機介面裝置
    · 資料及話音存取點 　
    注釋：
    CVSD：Continuous Variable Slope Delta Modulation，連續可變斜率增量調製。一種自適應增量調製技術，能夠獲得高品質傳輸的音頻編碼。
    FCC：Federal Communications Comission，美國聯邦通訊委員會
    SCO：Synchronous Connection Oriented ，同步定向串連
    ACL：Asynchronous Connectionless ，非同步無串連
    TDD：Time Division Duplex ，時分雙工傳輸