国外蓝牙研究论文

无线网络技术论文「参考」

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摘要： 就蓝牙在无线接入方面的应用做一探讨，并简要介绍CSR(CambridgeSiliconRadio)公司单片蓝牙产品BlueCoreTM01。

关键词： 蓝牙；无线通信；数据；PSTN

BluetoothSolutionSchemeWirelessConnection

Abstract：ThisarticledescribesthestudyofapplicationofBluetoothinwirelessconnection，andsimplyintroducesCSR′sbluetoothsingle-chip-BlueCoreTM01.

Keywords:bluetooth;wirelesscommunication;data;PSTN

1引言

蓝牙技术是用微波无线通信技术取代数据电缆来完成点对点或点对多点短距离通信的一种新型无线通信技术。利用蓝牙，可以将需要数据和语音通信的各个设备之间联成一个Piconet网(即微微网)，或将几个Piconet网进一步互连，组成一个更大的Scatternet网(即分布式网络)。蓝牙的PSTN无线接入点使用现有的网络电话机为载体，做开发性预言。他使得手机用户通过固定电话网络实现信号连接，既而让广大的手机用户同时成为固定电话网的用户。对手机用户来说，在解决移动电话网信号问题的同时，又可以降低手机用户的通信费用；对于固定电话运营商来说，则意味着巨大的话费收益。本方案的创新点有几点：

(1)取代大量的短程连接所用的电缆，尤其是电缆无法到达的地方，蓝牙具有更大的优势。

(2)使得计算机可以通过蓝牙的PSTN无线接入点无线上网，同时实现了网络资源的共享。

(3)实现了蓝牙规范的`内部电话系统(IntercomProfile)应用协议栈，使得蓝牙PSTN无线接入点能够与网络中的各个蓝牙手机进行内部电话通信。

(4)由于方案设计是按照蓝牙技术标准设计，所以兼容符合蓝牙标准的蓝牙手机，适配器等相关蓝牙产品。

2BC01芯片和开发工具Bluelab介绍

BC01(BlueCore01)是CSR(CambridgeSiliconRadio)公司设计的一款单片蓝牙产品，他集无线设备、微处理器及基带电路于一体，采用标准的0．35μm的CMOS工艺。通过外置的存有蓝牙协议的FlashROM，可提供完全兼容的数据和语音通信。经过优化设计，所需的外部RF元件很少，允许主板的快速设计。因此能以最低的成本，实现最短的产品面市时间。

其主要特点如下：

(1)符合BluetoothV1．1规范。

(2)带有USB和UART主接口。

(3)可编程的PCM接口，支持13b8kss－1的双向串行的同步语音传输。

(4)内含的数字转换器，可进行线性PCM(脉冲编码调制)、A律PCM、μ律PCM和CVSD(连续变化斜率增量调制)间的相互转换，编解符合高至HCI层的蓝牙控制协议。

(5)采用单电源3．15V供电，支持PART，SNIFF，HOLD多种节电模式。

(6)支持所有的包类型和多达7个从设备的Piconet。

(7)芯片内含链路控制、链路管理、HCI以及可选的L2CAP，RFCOMM，SDP多层软件协议栈，可直接使用。

(8)提供VM(VirtualMachine)机制。内嵌16b的RISC微处理器，运行协议栈的同时还可以运行下载到FlashROM中的用户程序，实现真正意义的单芯片。

其结构框图如图1所示。

Bluelab是专门针对Bluecore的仿真开发系统，他在PC上模拟Bluecore01的环境，从而方便开发基于Bluecore01上运行的应用程序。他包括了compiler，emulator/debugger，documentation以及一些源代码例子。Bluelab还提供了蓝牙协议栈Bluestack，支持SDP，L2CAP和RFCOMM等高层协议。用户可以通过UART/USB接口来调用Bluestack，也可以通过VM来访问Bluestack。

3系统方案设计

整个系统分为前端数据处理和PC端数据管理2大部分。前端数据处理框图如图2所示。

蓝牙ISDN接入点的空中无线接口为蓝牙，有线接口有：RJ11，ISDN的S/T接口、USB数据接口。S口收发器能够提供CCITT关于ISDNS/T参考点的I．430建议要求的功能，支持192kb/s的4线平衡传输方式的全双工数据收发。由于BC01内部资源及引脚有限，单片机80C196主要完成控制和协调各模块的工作，处理D信道信令和收发、B信道数据收发、外部中断申请，并且通过各种接口与蓝牙模块进行通信。SLIC模块主要提供语音信号的数模、模数转换、A律/μ律压缩PCM编解码等功能，并具备产生和控制各种信号音的功能。蓝牙模块主要实现蓝牙功能，并且提供了符合蓝牙规范的空中接口。他集成了各种需要的蓝牙协议(包括CTP应用协议栈、内部电话应用协议栈)以及管理程序。

为了形成蓝牙Piconet网络化管理，将PC端的数据管理作为Piconet主设备，而前端的数据处理作为从设备。整体的系统结构如图3所示。

连接PC的BC01作为MASTER，他会自动搜索查询范围内的蓝牙设备，将其作为SLAVE加入Piconet网，因为每块SLAVE都有惟一的BD＿ADDR(BluetoothDeviceAddress)，因此MASTER可以区别每一个SLAVE并对其进行控制。

4软件结构

软件设计是基于L2CAP层进行开发，SLAVE的功能是接受MASTER的查询、连接请求，或查询到已存在的Piconet后，将自己加入Piconet。SLAVE的功能简单，全部程序代码可以放在单片机80C196的FlashROM中运行。MASTER由于要负责管理整个Piconet，对各个SLAVE进行控制和管理，BC01提供的资源已不能满足。因此将L2CAP协议层以上的软件放在PC上运行，与PC采用HCI层接口。软件结构如图4所示。

5结语

在无线接入现场应用中，中心控制节点与各个无线接入的距离在100m以内。目前大功率的蓝牙芯片已经可以达到100m的覆盖范围，完全满足实际应用。此套方案的实验室联机调试已经完成，达到初步设计要求。下一步是将此套方案应用到实际的无线接入现场，进行现场调试，对系统进一步完善。

参考文献

［1］金纯，许光辰，孙睿．蓝牙技术［M］．北京：北京电子工业出版社，2001．

［2］SpecificationoftheBluetoothsystermVersion1．1A．26July，1999．

［3］徐爱钧．单片机高级语言C51Windows环境编程与应用［M］．北京：电子工业出版社，2001．

［4］KrulinskiDJ．ProgrammingMicrosoftVisualC＋＋6．0技术内幕［M］．北京：希望电子出版社，1999．

蓝牙技术定义了便携式设备之间无线通信的的物理媒介和电子通信协议。蓝牙不仅仅是一种简单的无线连接，而是一整套关于在特定范围内，不同便携式设备之间互联并识别的协议。 SIG组织于1999年7月26日推出了蓝牙技术规范版本。蓝牙技术的系统结构分为三大部分：底层硬件模块、中间协议层和高层应用。 底层硬件部分包括无线跳频（RF）、基带（BB）和链路管理（LM）。无线跳频层通过无需授权的ISM频段的微波，实现数据位流的过滤和传输，本层协议主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所需要满足的条件。基带负责跳频以及蓝牙数据和信息帧的传输。链路管理负责连接、建立和拆除链路并进行安全控制。 蓝牙技术结合了电路交换与分组交换的特点，可以进行异步数据通信，可以支持多达3个同时进行的同步话音信道，还可以使用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持64kb/秒的同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721kb/秒、另一端速率为秒的不对称连接，也可以支持秒的对称连接。 中间协议层包括逻辑链路控制和适应协议、服务发现协议、串口仿真协议和电话通信协议。逻辑链路控制和适应协议具有完成数据拆装、控制服务质量和复用协议的功能，该层协议是其它各层协议实现的基础。服务发现协议层为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服务及其特性。串口仿真协议层具有仿真9针RS232串口的功能。电话通信协议层则提供蓝牙设备间话音和数据的呼叫控制指令。 主机控制接口层（HCI）是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它提供了一个调用基带、链路管理、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。蓝牙设备之间进行通信时，HCI以上的协议软件实体在主机上运行，而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。 在蓝牙协议栈的最上部是各种高层应用框架。其中较典型的有拨号网络、耳机、局域网访问、文件传输等，它们分别对应一种应用模式。各种应用程序可以通过各自对应的应用模式实现无线通信。拨号网络应用可通过仿真串口访问微微网（Piconet），数据设备也可由此接入传统的局域网；用户可以通过协议栈中的Audio（音频）层在手机和耳塞中实现音频流的无线传输；多台PC或笔记本电脑之间不需要任何连线，就能快速、灵活地进行文件传输和共享信息，多台设备也可由此实现同步操作。 总之，整个蓝牙协议结构简单，使用重传机制来保证链路的可靠性，在基带、链路管理和应用层中还可实行分级的多种安全机制，并且通过跳频技术可以消除网络环境中来自其它无线设备的干扰。 应用前景 蓝牙技术的应用范围相当广泛，可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备，如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等，蓝牙的无线通讯方式将上述设备连成一个微微网（Piconet），多个微微网之间也可以进行互连接，从而实现各类设备之间随时随地进行通信。应用蓝牙技术的典型环境有无线办公环境、汽车工业、信息家电、医疗设备以及学校教育和工厂自动控制等。目前，蓝牙的初期产品已经问世，一些芯片厂商已经开始着手改进具有蓝牙功能的芯片。与此同时，一些颇具实力的软件公司或者推出自已的协议栈软件，或者与芯片厂商合作推出蓝牙技术实现的具体方案。尽管如此，蓝牙技术要真正普及开来还需要解决以下几个问题：首先要降低成本；其次要实现方便、实用，并真正给人们带来实惠和好处；第三要安全、稳定、可靠地进行工作；第四要尽快出台一个有权威的国际标准。一旦上述问题被解决，蓝牙将迅速改变人们的生活与工作方式，并大大提高人们的生活质量。

蓝牙技术概述蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9 x 9 mm的微芯片中。例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的令人讨厌的连接电缆而而通过无线使其建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。蓝牙工作在全球通用的 ISM(即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mb/s。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做"伪随机码"，就是"假"的随机码）不断地从一个信道"跳"到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。FEC（Forward Error Correction，前向纠错）的使用抑制了长距离链路的随机噪音。应用了二进制调频（FM）技术的跳频收发器被用来抑制干扰和防止衰落。蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在被保留的时隙中可以传输同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩展到占用5个时隙。蓝牙可以支持异步数据信道、多达3个的同时进行的同步话音信道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持64kb/s同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721kb/s而另一端速率为的不对称连接，也可以支持的对称连接。蓝牙系统由以下功能单元组成： · 无线单元 · 链路控制单元 · 链路管理 · 软件功能 Definitions蓝牙技术支持点对点和点对多点连接。几个piconet可以被连接在一起，靠跳频顺序识别每个piconet。同一piconet所有用户都与这个跳频顺序同步。其拓扑结构可以被描述为"多piconet"结构。 在一个"多piconet"结构中，在带有10个全负载的独立的piconet的情况下，全双工数据 速率超过6Mb/s。话音信道采用连续可变斜率增量调制（CVSD）话音编码方案，并且从不重发话音数据包。CVSD编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样，即使比特错误率达到4%，CVSD编码的语音还是可听的。蓝牙空中接口是建立在天线电平为0dBm的基础上的。空中接口遵循FCC(美国联邦通信委员会）有关电平为0dBm的ISM频段的标准。如果全球电平达到100mW以上，可以使用扩展频谱功能来增加一些补充业务。频谱扩展功能是通过起始频率为，终止频率为，间隔为1MHz的79个跳频频点来实现的。出于某些本地规定的考虑，日本、法国和西班牙都缩减了带宽。最大的跳频速率为1660跳/秒。理想的连接范围为10厘米--10米，但是通过增大发送电平可以将距离延长至 100米。 蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求。对某些设备，这种要求涉及到无线模块、空中协议以及应用层协议和对象交换格式。但对另外一些设备，比如耳机，这种要求就简单得多。蓝牙设备必须能够彼此识别并装载与之相应的软件以支持设备更高层次的性能. 蓝牙对不同级别的设备(如PC、手持机、移动电话、耳机等）有不同的要求，例如，你无法期望一个蓝牙耳机提供地址簿。但是移动电话、手持机、笔记本电脑就需要有更多的功能特性。 蓝牙规范接口可以直接集成到笔记本电脑或者通过PC卡或USB接口连接。笔记本电脑的使用模型包括：· 通过蓝牙蜂窝电话连接远端网络 · 利用蓝牙蜂窝电话做扬声器 · 蓝牙笔记本电脑、手持机和移动电话间的商用卡交易 · 蓝牙笔记本电脑、手持机和移动电话间的时间同步蓝牙是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。适用于几种不同商用操作系统的蓝牙规范正在完善中。蓝牙规范接口可以直接集成到蜂窝电话中或通过附加设备连接。电话的使用模型包括（可选）：· 通过蓝牙无线耳机实现电话的免提功能· 与笔记本电脑和手持机的无电缆连接 · 与其它蓝牙电话、笔记本电脑和手持机的商用卡交易 · 与信任的蓝牙笔记本电脑或手持机自动同步地址簿 其它蓝牙设备的使用模型包括： · 耳机 · 手持机和其它便携设备 · 人机接口设备 · 数据及话音接入点一、什么是蓝牙技术 所谓蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。说得通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。“蓝牙”技术属于一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案，因此，目前无线通信的“蓝牙”刚刚露出一点儿芽尖，却已经引起了全球通信业界和广大用户的密切关注。 二、蓝牙的由来 蓝牙以公元10世纪统一丹麦和瑞典的一位斯堪的纳维亚国王的名字命名。它孕育着颇为神奇的前景：对手机而言，与耳机之间不再需要连线；在个人计算机，主机与键盘、显示器和打印机之间可以摆脱纷乱的连线；在更大范围内，电冰箱、微波炉和其它家用电器可以与计算机网络的连接，实现智能化操作。 发明蓝牙技术的是瑞典电信巨人爱立信公司。由于这种技术具有十分可喜的应用前景，1998年5月，五家世界顶级通信/计算机公司：爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔经过磋商，联合成立了蓝牙共同利益集团（Bluetooth SIG）, 目的是加速其开发、推广和应用。此项无线通信技术公布后，便迅速得到了包括摩托罗拉、3Com、朗讯、康柏、西门子等一大批公司的一致拥护，至今加盟蓝牙SIG的公司已达到2000多个，其中包括许多世界最著名的计算机、通信以及消费电子产品领域的企业，甚至还有汽车与照相机的制造商和生产厂家。一项公开的技术规范能够得到工业界如此广泛的关注和支持，这说明基于此项蓝牙技术的产品将具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。蓝牙共同利益集团现已改称蓝牙推广集团。 三、蓝牙的技术内容 蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高为每秒1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10米左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。 蓝牙产品采用的是跳频技术，能够抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用的ISM (即工业、科学、医学)频段，以省去申请专用许可证的麻烦；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠；“蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙；“蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。“蓝牙”的每一个话音通道支持64Kbps的同步话音，异步通道支持的最大速率为721Kbps、反向应答速率为的非对称连接，或者的对称连接。 蓝牙技术产品与因特网Internet之间的通信，使得家庭和办公室的设备不需要电缆也能够实现互通互联，大大提高办公和通信效率。因此，“蓝牙”将成为无线通信领域的新宠，将为广大用户提供极大的方便而受到青睐。