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施立德为蓝牙技术联盟亚太区及日本市务总监。他于2002年加入蓝牙技术联盟,负责管理全球及北美洲营销业务。为了提供蓝牙技术联盟亚太区会员更好的服务,施立德于2004年调任香港并成立了蓝牙技术联盟亚太区总部。他负责与技术联盟的亚洲会员合作,推销在该地区与世界各地的蓝牙无线技术发展与应用。他亦负责与技术联盟会员及亚太地区政府的合作,以进一步发展蓝牙的应用操作与产品,让亚洲公司在全球的技术市场内有更多的技术优势。
由爱立信在1999年催生的Bluetooth蓝牙技术以具故事性的传奇色彩诞生,引领带动全球资讯产业在个人无线局域网络(PAN)上的发展与应用。
至今,蓝牙技术联盟(SIG)加盟及应用会员超过8,000家,堪称是最具产业规模的技术组织。在蓝牙多年的发展过程,曾经面临技术、认证与应用市场等诸多挑战,但在蓝牙技术面市10周年的今天,蓝牙产品已超过15亿件,其中蓝牙耳机成了最具代表性的成功应用。为了让蓝牙与其它无线技术在传输质量与兼容性得到良好的搭配,从2006年蓝牙SIG宣布选择WIMEDIA联盟超宽带技术做为高速蓝牙应用后,今年2月,蓝牙SIG在GSMA移动通信世界大会中宣布将支持802.11技术,引起业界相当大的关注。为能了解此一策略的重要性,本刊特别专访蓝牙SIG亚太市务总监施立德分享他对此议题上的看法。
Q1.蓝牙技术联盟选择蓝牙迈向802.11传输标准的原因为何?此高速蓝牙技术将具有什么优势?
施立德答(以下以施答代之):为满足市场对无线传输速度的要求与期盼未来消费者能透过无线传输的方式,进行音乐、影片、照片等大量数字数据的传送,蓝牙技术联盟正积极研发的无线射频替代方案一“MAC/PHY交替射频技术”(Alternate MAC/PHY):基于蓝牙技术联机跳到802.11频率上,就能用更快的传输速度来发送大量的影音娱乐数据,同时保有蓝牙协议(protocols)、profiles、保密性(security)等运作效能。蓝牙技术联盟也努力朝向与超宽带技术(UWB)、MAC/PHY交替射频技术的长期解决方案。虽然超宽带技术发展已于先前宣布,但此两核心技术规格正密切同时发展中。
此高速蓝牙最大的优势将于未来两年间,许多产品将同时并具备蓝牙与802.11技术的普及应用。具备802.11的蓝牙技术于设备应用的普及度将同时有助于制造商和消费者。蓝牙技术联盟的目的在于提供最佳的解决方案给现今遍布全球的会员公司,同时着眼于无线蓝牙技术的未来可能性。
Q2.实际的传输速度可以达到多少?怎么达到的?曾遇什么样的技术问题与相应的解决方案?
施答:依据装置间距的距离与内建的规格而定,因此支持802.11的蓝牙传输速度会略有不同。如IEEE所定义的802.11可传输高达300Mbps,而在蓝牙无线传输的10m范围内,预计蓝牙技术结合802.11技术的传输速率将达到10~24Mbps间;而支持超宽带技术(UWB)的蓝牙传输速度将达到24~480Mbps间,预计超宽带技术的蓝牙在10m的传输范围内可高达100Mbps。
Q3.蓝牙技术整合802.11后,高速传输的高耗电量将如何解决?与先前蓝牙规格与设备兼容吗?
施答:在多数高速应用的案例中,的确存在着高速传输时,电力会过于耗损的问题。虽然高速蓝牙技术的确比传统蓝牙技术来的耗电,但是让档案传输的更快,同时也只在档案传输的短时间中耗损电量。当802.11的速度远超过传输所需时,联机便会回复到正常的蓝牙无线射频上,达到最佳的电源管理成效与系统运作效能。因此不构成大量耗损电量的担忧。
同时对于蓝牙技术兼容性上,高速蓝牙技术会与目前市面上的蓝牙规格与设备兼容。蓝牙技术总是考虑规格、设备间的兼容性。
Q4.此规格与商品应用何时会上市?将为数字生活带来哪些影响?
施答:“MAC/PHY交替射频技术”核心规格预计于2009年中正式问世,商品也将于规格推出后的9-12个月内发表,可望未来支持短距离传输的设备,都能透过无线传输的方式进行如音乐、影片、照片等大量数字娱乐影音数据的传送。在高速蓝牙技术问市后,消费者就能在本身与另一方可信赖的电子产品之间,进行影音娱乐档案的发送与接收,而不必使用任何的传输线。未来用户将能享受的应用包括:
个人计算机与MP3播放器中音乐数据库的同步分享与交换功能
大量下载照片至打印机或个人计算机上
从相机或电话发送影像档案至计算机或电视
Q5.蓝牙技术联盟如何界定802.11与WiFi之间的差别?
施答:802.11是由IEEE定义无线网络的通信标准,却为目前大家所知的WiFi。然而,WiFi是WiFi联盟的测试认证商标,主要针对测试通过的商标产品可以兼容、使用。对制造商而言,使用802.11技术需有Wi-Fi认证许可的商标,但采用802.11的高速蓝牙技术目前则无须认证程序。
在可预见未来高速蓝牙的兼容度、Profiles、蓝牙协议和保密性都会依照蓝牙架构而设定。然而,若设备中的802.11技术超越蓝牙无线个人局域网络联机的范畴,此设备的兼容性与保密措施将会由WiFi联盟所认可的WiFi技术所支持。
关键词:生理电信号;蓝牙协议;传输;实现
如今,蓝牙技术已经被多个领域所应用,并且已经取得了一定的成效。蓝牙技术由多个世界著名多家通信公司与计算机公司联合提出的,用于计算机上的、以分层网络协议为基础的无线通信技术。蓝牙属于一种短距离无线连接技术,该种技术拥有全开放性、低成本与面向个人半径空间的特点。该种技术受到蓝牙共同利益组织推动发展,在带动计算机行业与通信行业等多方面发展中有着积极意义。
1 蓝牙协议的组成与通信过程研究
1.1 蓝牙协议的组成
作为开放性的近距离高速通信标准,蓝牙协议内容主要有:蓝牙核心协议、电缆替代协议、电话控制协议以及选用协议这四个方面。依据具体的应用,蓝牙协议栈能够进行灵活配置,并且鼓励尽量应用各种高层协议,确保现有网络技术和蓝牙技术能够融合在一起[1]。为此,除蓝牙核心协议意外,其他三方面的协议都需要依据实际需要来确定。
1.2 蓝牙通信过程
蓝牙在ISO/OSI模型网络协议与消费交换的基础之上进行了定义,主要完成了OSI模型的物理层、数据链路层、网络层以及传输层等各个方面的功能。蓝牙上层应用实体则通过HCI接口实现上层服务通蓝牙协议栈的消息交换与数据传输方面的功能。一般而言,蓝牙通信过程主要包括查询、应答、监理连接以及连接协商等内容。其中,查询与应答表现为:通过查询工作的实施,来发现并且建立较为固定的微微网,同时为监理更好的配对机制做相应的信息准备。由于蓝牙应用了TDMA进行信息传输,在时隙对数据量与响应速度限制影响之下,任何一个蓝牙设备和另一个新的蓝牙设备在相互识别期间,都需要建立较为稳定的连接,但是该种连接往往需要较长的时间,该种特性又会给实时监测带来不利的影响。为了能够有效避免使用初期出现长时间无法连接的问题,便需要在应用前仔细检查蓝牙设备,并且实施相应的应答操作,从而确保能够相互的对对方信息地址进行存储,这便能够在连接范围之内,短时间的完成信道激活操作。作为数据链路层的主要功能查询与应答是不可缺少的。
而建立连接的目的在于:对蓝牙设备间的数据链路进行固化,其过程表现为:首先需要对无特定连接的异步链路实施有效建立。通常,异步链路可简称为ACL类型的物理连接,在建立期间往往需要展开连接设置与鉴权等方面的操作,在完成物理链接以后,在L2CAP层上两个蓝牙设备进行蓝牙信道的建立,之后通过进一步的请求与协商建立蓝牙连接。在连接蓝牙的基础之上,还能够进行附加连接的建立。其中附加连接主要将ACL链路作为主要的形式,其数据将帧作为单位,包括帧的类型、数据长度以及数据的内容等。在连接建立期间,蓝牙之间的协商数据经L2CAP层截获,并且对所截获的信息数据进行处理[2],同时在芯片内嵌处理器上执行相应的命令。
在连接协商方面,建立ACL连接以后,往往还需要对连接类型进行选择。在连接协商中,能够将服务对象之间的交互数据类型、编码方案与传输时隙的分配确定下来。在处于关闭连接与休眠模式的时候,需在建立蓝牙连接以后,尽管缺少数据传输的时候,也会在一定程度上增加设备的耗电量,这在电池支持系统方面是一种无意义的消耗。为此,针对所建立起来的连接,往往需要利用周期休眠的模式来降低功耗,同时也可以在较长时间无数据传输的时候,将连接关闭,这便能够减少耗电量,避免出现无意义的消耗。
2 生理电信号传输要求与实现
生理电信号的组成,主要有生物体在生命活动中机体、组织以及器官等各级系统所产生的特定表征,所转化成的一种电信号所构成,这能够将特定的生命活动细节充分的反应出来[3]。这与蒋建文,韩江洪,何 等在《基于蓝牙协议的家庭信息网解决方案》一文中的观点有着相似之处。如果按照信号频率的范围进行划分,可以将其分为:低频信号、中高频信号以及宽带高频信号。其中,低频信号的最高频率在250Hz以下,其代表便是心电;中高频信号代是心音;宽带高频信号主要指肌电。一般而言,在ACL中蓝牙存在7种分组,其中能够适合生理信号的带有2种校验机制的是,DM1、DM3以及DM5分组。
3 问题与改进建议
蓝牙连接期间,存在首次B接耗时较长的问题。一般而言,蓝牙设备首次建立连接期间,所耗时间比较长,一般都需要在十几秒以上才能够完成连接,在试验中,距离如果小于5m便能够顺利的完成连接。但是这在实时监护中是不允许的。可如果两个蓝牙设备预先相互认证并且绑定在一起以后,那么信道激活时间所耗时间便较短。为此,没有绑定的设备不适合立即应用的。
另外,在设备位移速度方面的影响。实践表明,在蓝牙建立连接过程中,对于高速运动物体并不适用[4],例如高速运动的汽车。只有已经建立连接的双方,才能够在一定速度相对运动中不出现连接丢失的情况。对于人体而言,由于运动速度不高,能够保持充分运动的同时,蓝牙依旧处于连接的状态。
其次,空间阻碍会给传输率带来一定的影响。当数据通路在实现范围以内遇到空间阻碍的时候,那么数据传输率便会出现明显降低的情况,而导致出现该种情况的原因在于,蓝牙功率调节命令字并没有依据实际的阻碍状态实施设置工作。在无障碍的时候,信号便能够稳定传输[5],这与李莉在《新型蓝牙无线文件传输协议RBTFT的研究与实现》一文中的观点有着相似之处。经过相应的校验以后,由于误码率比较低,这便导致蓝牙发射功率维持正常传输水平也比较低,可这又能够在极大程度上降低给周围环境带来的干扰与辐射。如果存在障碍,那么要保证数据拥有正确性的特点,便需要不断的提升发射率。在此期间,如果没有实施功率调整工作,那么便会导致数据出现丢失的情况,甚至引发频繁数据重发现象的出现,为此,传输速率大幅度下降。只有在功率配合的背景之下,才能够将固定的空间障碍有效解决,降低对数据传输的不利影响。而通过数据重传,便能够将随机空间阻隔问题解决。
4 结束语
作为一种开放性的近距离通信标准,蓝牙不仅涉及了无线射频技术,同时网络与计算机技术等领域也广泛的应用蓝牙技术,在这些领域中,不仅存在较为成熟体系化的协议机制与标准,同时还处于一定的修正与改造当中,从而使其能够适应现代环境,并且能够更好的发展。这种小范围的篮网优势在于:能够实现区域标定与个性化数据传输目标,这在无线网络定位和保障数据安全方面有着积极作用。为此,不断提升蓝牙技术水平,已经成为相关领域需高度重视的问题。
参考文献
[1]刘晓东,郭兴明,肖守中,等.基于蓝牙协议的生理电信号传输的实现[J].医疗卫生装备,2004,25(7):7-9.
[2]祁飞,须德.蓝牙协议一致性测试技术的研究[J].铁路计算机应用,2006,15(9):4-7.
[3]蒋建文,韩江洪,何 ,等.基于蓝牙协议的家庭信息网解决方案[J].计算机工程与应用,2002,38(15):200-202.
科幻电影情节变为现实
在007系列电影中,邦德多次遥控他那经过改装的汽车帮他脱险。曾经,这种电影中的科幻情景让我们赞叹不已,如今这种技术已经变为现实,实现它的就是“蓝牙”。用手机给身旁好友的手机传送音乐,通过蓝牙无线耳机畅听高品质的音乐,摆脱束缚懒在床上使用无线键盘和鼠标上网看电影,LG公司甚至还推出了基于蓝牙技术的家庭影院,“有车一族”现在普遍使用的GPS导航系统使用的也有蓝牙技术。Windows Vista给蓝牙的应用也提供了一方新天地,你可以使用蓝牙遥控器在房间的各个角落操作电脑……
蓝牙,没你想的那么复杂
蓝牙(Bluetooth)是一种近距离无线电通信技术,由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚和东芝等公司于1998年联合推出。它可以摆脱错综复杂的电缆,将各种通信设备、计算机甚至家用电器等在一定距离范围内采用无线方式连接起来,实现数据传送和语音通信。蓝牙技术功能强大、耗电量低、成本低廉,难怪很快就风靡全球。
蓝牙技术连连看
蓝牙相关产品上标注的字母和数字代表什么意思呢?
目前,蓝牙主要分为1.1、1.2和2.0三个版本,前两个版本的数据传输速率较低(约为748~810kbps),而2.0版则大幅提升了数据传输速率(约为1.8Mbps~2.1Mbps)。近两年的手机上很多也标注支持EDR和A2DP。EDR(增强速率)大大提高了数据传输速率,还可充分利用带宽优势同时连接多个蓝牙设备。A2DP(增强语音传输协议)能够让两个支持蓝牙音效传输的装置互相连接,输出高质量的立体声音乐。
蓝牙按传输距离又分为Class 1、Class 2和Class 3。Class 1多用在商业用途,传输距离大约在100米左右,后两者则多用于个人产品,Class 2传输距离大约在8-30米之间,Class 3则仅为2-3米。目前,常见的蓝牙设备的传输距离一般在10米以内。
为了方便用户识别和购买,SIG(蓝牙特别兴趣组织)推出了全球统一的蓝牙设备标示(国内很多设备还没有标注,见下表)。
自己动手
享受快乐无线生活
免费的蓝牙音箱
无需购买昂贵的蓝牙音箱,你只需要一个基于BROADCOM芯片的蓝牙适配器,并在电脑上安装和设置好WIDCOM的蓝牙软件,就可以使用手机上的音乐播放软件的“经蓝牙播放”功能,通过音箱来享受音乐了。
手机也能遥控电脑
一款名为“Bluetooth Remote Control”的小软件(下载地址:)让你轻松把蓝牙手机变成电脑遥控器。软件分为电脑服务器端和手机Java客户端,可以适用于支持Java的大部分手机。
还有很多有趣的蓝牙应用软件,带给你更多的无线生活乐趣,自己去多多挖掘吧。
小知识:蓝牙和红外线传输技术的区别
采用红外线传输(IrDA)时发送和接收设备必须互相对准,传输距离一般为1米以内。而蓝牙传输则打破了这种局限,发送和接收设备无须互相对准,只要在10米的无障碍范围内数据都可以正常传送。
蓝牙是一种短程无线链路技术。作为一种缆线替代技术,蓝牙在消费电子设备之间传输语音和数据,如移动电话、PC和PDA设备等。由于蓝牙应用于电池驱动的小型设备,并且具有短程无线链路的特点,因此功耗一直是该技术关注的问题。
蓝牙技术
蓝牙运行的工业、科学和医学(ISM)频带范围为2.4~2.4835GHz。由于这个频带是开放的,因此有许多其它的无线链路标准也使用这个频带,如802.11Wi-Fi和DECT无绳电话。因为非常类似,这些设备之间可能造成相互的干扰,从而影响蓝牙链路的质量。
蓝牙链路的范围取决于无线设备的功率。一级设备的连接范围是100米,二级设备为10米,三级设备为1米以内。
蓝牙技术的标准数据传输速率高达每秒1Mbit/s,真正吞吐量为每秒723千比特。数据被蓝牙堆栈划分为数据包,并通过两个链路中的其中一个进行发送。此链路是通过SCO(SynchronousConnectionOrientedChannels)利用预留带宽进行实时传输(包括语音包)的;或通过ACL(AsynchronousConnectionlessChannels)进行数据传输和再传输。一个蓝牙设备由硬件、固件和软件三部分组成。
图1显示的是一个典型的分层蓝牙规格协议栈。除了主机控制接口(HCI)、逻辑链路控制及适配协议(L2CAP)、RFCOMM和服务发现协议(SDP)之外,该蓝牙规格协议栈还具有无线电、基带和链路管理协议。
干扰:挑战设计
由于蓝牙使用的ISM射频是开放的,因此许多其它的无线标准也利用ISM频带,其中比较有影响力的标准包括802.11b/gWi-Fi。除了因为与其它无线标准共存而产生的挑战之外,蓝牙通讯链路还可能受到其它家用设备的影响,如微波炉。这些家用设备在运行的同时辐射出射频能量,由于成本和技术上的限制,不可避免地这些设备会散发出相当程度的幅射。
尽管受到环境射频的干扰,蓝牙在频率冲突方面的主要挑战还是来自于802.11b/gWi-Fi。这两种技术都在ISM频带范围内运行,以数据包的形式发送数据。在过去五年中,WiFi和蓝牙都广泛受到消费者的欢迎,越来越多的家庭开始使用蓝牙产品和无线LAN网络。因为这两种技术非常类似,所以共存是一个首先需要考虑的问题。实际上,许多机制已经被采用,以便解决相互间的干扰问题。
为了降低某个ISM频带区域内传输的功率总量,蓝牙和Wi-Fi不得不采用各种数据传输扩频技术。蓝牙采用跳频技术(FHSS),在相对较窄的1MHz带宽范围内传输数据包。这样,在该带宽提供的79个信道范围内,窄带信号的频率变为每秒1,600跳。通过围绕频谱频繁跳动,使信号功率充满了整个频带。
发生一般性干扰时,数据包的接收可能被中断,因为蓝牙和802.11b/g信号发生叠加,造成记录错误。附近的天线可能对第二个系统的运行造成前端过荷干扰。但是,这种干扰要求具备较强的干扰信号,所以较一般性干扰来说是一种不常见的干扰。
自适应跳频技术(AFH)
自适应跳频技术(AFH)是解决一般性干扰的有效途径。AFH可以识别“坏”信道。在这些信道上,要么有其它无线设备干扰蓝牙信号,要么蓝牙信号干扰了其它的设备。具备AFH技术的蓝牙设备与蓝牙微网(Piconet)内的其它设备进行通讯,分享有关坏信道的详细信息。这样,这些设备就可以转换到可用的“好”信道,远离干扰区,不影响带宽的使用。使用AFH技术时,坏信道的分类必须准确,并且“一般性”干扰应是唯一的干扰形式。图2展示了有效使用AFH技术的情形。
BlueCore的默认设置通常能在大约四秒钟的时间内适应新的来源方面的干扰。
信道跳转使v1.1设备获得了AFH技术的优点,但不得不牺牲蓝牙带宽以尽量减少对Wi-Fi信号的影响。即使802.11b/g此时闲置,也有高达50%的非优先蓝牙通讯被终止。然而,尽管这个数字看起来很大,用户却常常觉察不到带宽的变化,除非他们试图实施某些对时间敏感的应用,如立体音频随选随播。
时分多路复用(TDM)
时分多路复用(TDM)是一种应对前端过荷型干扰的手段,AFH技术无法应对这种干扰。TDM最初用于保护802.11b/g传输不受蓝牙干扰,而不是相反的情形。其工作原理是:当ISM频带内运行802.11b/g时,所有蓝牙传输都要关闭,但那些高优先级的蓝牙传输除外。与信道跳转一样,这种方法牺牲了部分蓝牙带宽,这部分牺牲的带宽与802.11b/g工作周期成比例。因此,如果802.11b/g闲置,则链路维护通讯可能造成带宽下降2-3%,用户不可能察觉到这个细微的变化。
要增强TDM的效果,就需要具备有关802.11b/g无线设备活动的准确信息。为此,CSR公司定义了WLAN_Active硬件信号,以保证当无线设备运行时,b/g信号得到保护。当需要保护蓝牙信号不因802.11b/g干扰而衰退时,CSR公司开发出了BT_Priority,这是一种可选的信号,它可以指出何时正在发送或接收重要的蓝牙数据包。这种信号可用于保护采用HV3数据包的SCO音频,这种格式在单声道耳机随选随播音频数据时最为常见。Wi-Fi干扰可能阻止耳机与电话连接,还可能造成音频质量下降,因为部分SCO数据包的传输被终止,并且不重新传输。
根据信道质量确定数据速率(CQDDR)
这个方案针对的是极端的范围和干扰问题,其建立的基础包括跳频、数据包标题和有效载荷的检错码、以及数据包确认收悉或再传输。有两种格式的数据包,即DH和DM,分别利用高带宽和中带宽。DH数据包可以传输更多的数据,但是如果部分数据包遭到破坏,整个数据包必须重新传输以恢复数据。DM数据包包含前向纠错(FER)码,占有效载荷的三分之一:每10比特的数据就增加5比特的前向纠错码,每15比特的数据/FEC数据块中可以纠正2比特的错误。这种数据包格式可能降低最大的数据速率,但比不包含纠错功能的DH数据包更强大。它允许接收设备与传输设备进行协调,按照环境干扰情况来确定采用何种数据包格式。例如,如果某个设备确定正在接收的数据存在诸多错误,它就会通知传输设备以DM数据包的方式传输数据。如果链路恢复畅通了,它就会允许传输设备回转到DH数据包。见图4。
CQDDR只是蓝牙链路的一个可选项,并不包括在蓝牙技术规范内。因此,对于配置BlueCore的设备发送数据给没有配置CQDDR的设备的情况,CSR公司发明出了一种算法来评估链路的表现,并且按照确认收悉的数据包(ACKs)和没有确认收悉的数据包(NACKs)之间的比率来修改数据包的类型。但是,对于从一个没有配置CQDDR的设备接受信息的情况,如果数据包受损,则BlueCore无法提供应对措施。
扩展型同步定向连接信道(eSCO)
eSCO是允许受损语音数据进行再传输的检错语音信道。每一个数据包都有一个CRC(循环冗余校验),这样接收设备就可以检查数据包是否正确接收。在接收过程中存在错误和丢失的数据包将得到否认。再传输窗口允许未经确认的数据包进行再传输。
1.1版SCO只能使用单槽数据包。扩展型SCO允许对同步语音或数据使用三槽数据包。这意味着扩展型SCO可以达到100kbps以上的连接速度,而1.1版的连接速度为固定的64kbps。这是因为在使用单槽数据包时链路容量丢失,而当无线设备改变频率时数据包之间产生间隙。
在每个eSCO传输过程中,主设备传输一个eSCO数据包,从设备会按照SCO常规进行响应(即使没有接收到主设备的数据包,从设备也可以进行响应)。eSCO与SCO的不同之处在于SCO存在一个再传输窗口。在这个窗口中,可以对未经确认的数据包进行再传输,直至确认收悉。eSCO传输的间隔是可以调整的。1.1版SCO有三种数据包间隔可供选择,传输速度都是64kb/s。扩展型SCO的数据包长度和间隔在链路的两个方向都是可以调整的,因此可以实现不对称传输。
尽管eSCO信道不主动处理或避免干扰,受损数据包的再传输仍保证了其音频质量受到其它无线设备的影响相对较小。
功耗对于蓝牙技术的重要性
功耗是一个关键性的问题,在无线开发的竞争方面有着特别重要的作用。作为一种短程无线功耗是一个关键性的问题,在无线开发的竞争方面有着特别重要的作用。作为一种短程无线链路技术,蓝牙的功耗可以降到最低水平,特别是在电脑设备这样的应用中,蓝牙设备的范围实际上不足50cm。
蓝牙较低的功耗水平使其成为移动电话和PDA这样的小型手持设备首选的无线连接技术,这些设备依赖于电池电量,消费者也看重其电池寿命。
低功耗模式与内部时钟
在蓝牙堆栈的范围内,最大的功耗水平源自于无线单元的活动,在仅以蓝牙堆栈数字单元要求的10mA电流水平传输和接收数据时,无线单元的活动却需要50mA的电流。因此,减少蓝牙无线单元的活动对于降低整体的功耗水平最为有效。此外,灵活使用低功耗模式也可以进一步降低蓝牙设备的功耗水平。
BlueCore芯片内的硬件时钟可以将数字单元与无线单元隔离,这样可以关闭无线单元,从而将芯片送入浅度或深度睡眠模式。
在浅度睡眠模式下,时钟频率从16MHz、10mA降低到0.125MHz、2mA(图6)。
在深度睡眠模式下,除了1kHz自激弛张振荡器之外,时钟的主晶体和所有其它部分都停止工作(图7)。
要进入深度睡眠模式,BlueCore需要有20ms时间的静止状态。要从深度睡眠模式下苏醒过来,时钟晶体需要5ms时间转动起来,而设备需要大约20ms时间的无活动状态。BlueCore可以通过两种方式退出深度睡眠模式,一是通过定时闹钟,在下一次定时活动之前叫醒设备;二是通过PIO、UART或USB串口传输设备来中断深度睡眠模式。
功耗控制方法对于降低干扰和电源耗竭的风险也很重要。如果一个蓝牙设备需要与几厘米之外的另外一个设备进行通讯,这个设备就不需要消耗与100m之外的一个设备链接所需要的那么多功率。BlueCore具备了这方面智能,因此,通过利用最少的电流来建立和维持无线链接,BlueCore可以减少功率损耗。
芯片结构
BlueCore芯片结构在保证功耗效率和低功耗方面起着关键作用。图8显示的是BlueCore3-ROMCSP芯片封装设计的一个例子,展示了BlueCore芯片的典型设计。自最初就设计成一个单芯片产品的BlueCore,其芯片组件特别少,减少了功率消耗,更为重要的是,BlueCore包含一个数字信号处理器基带去取代常规的ARM处理器。蓝牙的短程连接和协议堆栈意味着这个复杂而消耗功率的处理器无法执行日常的蓝牙任务。此外,协议堆栈的结构使所有数据不用通过微处理器。芯片内存集线器存储包括信息包在内的数据,而微处理器确定数据包的类型和结构。数据包通过DSP传输。这种方法限制了单个组件的参与,因此降低了数据传输和处理过程的功率耗损量。
效率和低功耗方面起着关键作用。图8显示的是BlueCore3-ROMCSP芯片封装设计的一个例子,展示了BlueCore芯片的典型设计。自最初就设计成一个单芯片产品的BlueCore,其芯片组件特别少,减少了功率消耗,更为重要的是,BlueCore包含一个数字信号处理器基带去取代常规的ARM处理器。蓝牙的短程连接和协议堆栈意味着这个复杂而消耗功率的处理器无法执行日常的蓝牙任务。此外,协议堆栈的结构使所有数据不用通过微处理器。芯片内存集线器存储包括信息包在内的数据,而微处理器确定数据包的类型和结构。数据包通过DSP传输。这种方法限制了单个组件的参与,因此降低了数据传输和处理过程的功率耗损量。
EDR蓝牙
EDR蓝牙的增强型数据传输速率也有助于降低蓝牙功耗,EDR芯片被越来越多的消费产品所采用。数据传输速率最大增加三倍,这意味着数据包的传输速度快三倍,而无线单元最多在三分之一的时间内是激活的,另外设备可以利用数据包之间增加的空间进入低功耗模式,如浅度睡眠或深度睡眠。EDR蓝牙的效果目前还是有限的,因为EDR产品必须采用标准数据传输速率与不具备EDR的v1.1或v1.2设备进行通讯。
目前所有干扰和功耗问题都已克服了吗?
蓝牙技术自推出以来,在干扰和功耗方面取得了令人难以置信的进展。我们的设计工程师们努力将BlueCore打造成最强大的、功率最高的蓝牙技术产品,并不断研发芯片结构、低功耗模式和软件应用的新方法,以提供最好的干扰和功耗解决方案。包括自适应跳频(AFH)、分时多路复用(TDM)、电源控制以及信道质量确定数据速率(CQDDR)在内的共存系统,使蓝牙链路更为强大,并作为其它流行标准(如802.11b/gWi-Fi)的补充技术,改善了蓝牙用户的体验。
效率和低功耗方面起着关键作用。图8显示的是BlueCore3-ROMCSP芯片封装设计的一个例子,展示了BlueCore芯片的典型设计。自最初就设计成一个单芯片产品的BlueCore,其芯片组件特别少,减少了功率消耗,更为重要的是,BlueCore包含一个数字信号处理器基带去取代常规的ARM处理器。蓝牙的短程连接和协议堆栈意味着这个复杂而消耗功率的处理器无法执行日常的蓝牙任务。此外,协议堆栈的结构使所有数据不用通过微处理器。芯片内存集线器存储包括信息包在内的数据,而微处理器确定数据包的类型和结构。数据包通过DSP传输。这种方法限制了单个组件的参与,因此降低了数据传输和处理过程的功率耗损量。
EDR蓝牙
EDR蓝牙的增强型数据传输速率也有助于降低蓝牙功耗,EDR芯片被越来越多的消费产品所采用。数据传输速率最大增加三倍,这意味着数据包的传输速度快三倍,而无线单元最多在三分之一的时间内是激活的,另外设备可以利用数据包之间增加的空间进入低功耗模式,如浅度睡眠或深度睡眠。EDR蓝牙的效果目前还是有限的,因为EDR产品必须采用标准数据传输速率与不具备EDR的v1.1或v1.2设备进行通讯。
就利润型便携设备市场而言,UWB本身的某些因素使它无法普及和被广泛采用。缺乏信令技术、可靠的安全性、强大的匹配能力以及功率等问题,使得UWB不适用于以电池供电的便携式设备,面临作为小市场技术而落后的风险。另一方面,像蓝牙这样成熟的技术可靠而且高效,能够将UWB带离其仅有的应用而引入便携式设备大众市场。正因为如此,蓝牙技术联盟(SIG)宣布将来颁布的蓝牙技术规范将支持WiMedia(UWB)。本文着重讨论整合这两种无线技术所存在的各种挑战。
尽管有所不同,蓝牙和UWB是两种非常互补的技术。蓝牙一直以来提供低速率的数据传输,不过其成本和功耗很低。蓝牙V2.0+EDR(增强型数据速率)当前最大的应用速率为3Mbit/s,同时在激活状态下的功耗为25mA、在闲置状态下的功耗仅为几个微安。UWB在激活状态下功耗达到蓝牙的20倍,但提供的数据速率高达480Mbit/s,能够满足日益增长的大量数据应用需求。相对于蓝牙来说,UWB的每比特功耗较低,使数据能够迅速传输。但是,UWB仅在3米范围内有效,而蓝牙的有效范围超过100米。
至此我们知道,这两种技术有着非常不同的特点:UWB有效范围较小,但数据传输速率高,功率要求也高;而蓝牙有效范围较大,功率要求非常低,但数据传输速率差强人意。于是,通过整合蓝牙和UWB,设备制造商便能够通过“单一”的无线解决方案,实现低功耗、低成本和高数据速率传输,这些是通过一种技术无法实现的。
蓝牙技术:促进者
蓝牙技术已经成为当今各种便携式设备的重要通讯连接,最初用于包括移动电话耳机在内的各种音频应用,在这方面蓝牙因其固有的低功耗性能而胜人一筹。不过,通讯协议包含的应用更为广泛。图1显示的是蓝牙堆栈与ISO OSI堆栈的比较。尽管在分层和结构方面有着重大的差异,蓝牙技术的较低层和ISO的实例是相似的。这个实例显示,WiMedia UWB技术目前还没有超越最低层。
按照如今的标准来衡量的话,蓝牙技术的速率也很低。Wi-Fi和802.11的标准正在开发中,这两个标准将使蓝牙技术的速率超越120Mbit/s。目前,蓝牙设备的最高速率为3Mbit/s。这个速率对于音频流来说已算不错,但对于视频等数据型应用还是不够的。
蓝牙与WiMedia的联合
蓝牙技术联盟没有放弃现有的蓝牙技术以及近十亿部配有蓝牙装置的设备,相反,目前它正在采用WiMedia(UWB)作为附加界面。这两项技术的结合,可实现比从前单独使用时更好的储能效果,同时也为WiMedia提供了一个应用基础。
目前正在开发的方法是:蓝牙技术作为控制信道,利用其低功率的关联机制建立应用连接,只有当设备需要发送大量数据时才开启UWB,待传输完成后再将其关闭。有关这两种技术之间如何配合的细节问题仍在研究中。总的来说,蓝牙将在物理层建立连接。然后,确定并向上层报告普通UWB设备的性能。当同时建立低速和高速信道,蓝牙的业务发现功能将决定是否执行所要求的终端用户功能(或应用)。蓝牙应用框架还将定义应用的数据路径,或者由一种独立于应用之外的机制来确定最佳数据路径。此时,UWB作为一个高速通道,在需要的时候打开,不用时关闭。这是最具成本效益的执行方法,使低速蓝牙链路能够尽可能长时间地保持设备之间的连接。
图2的协议堆栈显示,数据路径因应用需求不同而略有区别。目前包括移动电话耳机在内的音频应用不需要UWB的速率,这些应用还将继续采用功耗很低的V2.0+EDR甚至更早的蓝牙版本。数据路径用两个箭头表示:细箭头表示低数据速率应用,而粗箭头表示新型大数据量的应用。不管怎样,提供命令和控制信息的数据包总是通过蓝牙连接来传输。
蓝牙+UWB架构
UWB的最大不同之处在于它传输数据的信号水平比“噪声层”(即正常背景噪声)低得多。在无法觉察的信号层中传输数据比较便捷,而在这样的层中正确接收信息却很困难。这就需要UWB中先进的接收器在这样低的信号水平来探测信号。
在传输过程中,UWB技术提供令人难以置信的低功耗和高速率,支持数百个同步信道,并有全球实施的潜力。这是因为UWB信号不与传统的RF载波相互干扰,因此不存在共存的问题。尽管UWB信号在技术有效范围之外难于探测,但是当UWB技术与蓝牙技术整合之后,却能有所增值。消费品制造商将能够充分利用蓝牙的互操作性,这是无线技术获得成功的基础。
UWB技术如何移植到蓝牙架构上。蓝色箭头显示的是当前提供给用户的数据路径。标注“蓝牙v1.2”的箭头是原始的1Mbit/s链路,而标注“蓝牙v2.0”的箭头表示增强型数据速率(EDR)3Mbit/s。绿色箭头显示的是UWB链路中的建议数据路径。大多数蓝牙堆栈都被利用,只有现有2.4GHz专用的部分被设为旁路。
中间层一如OBEX(对象交换协议)、BNEP(蓝牙网络封装协议――TCP/IP适配层)和A/V(音频视频支持)一无须知道可以提供480Mbit/s的链路。他们只知道服务质量(QOS)请求中可提供更好的效能。
这些QoS请求是蓝牙UWB系统如何确定使用哪个链路的关键。UWB技术的每比特功耗极低,但待机功耗相对较高。这就意味着必须做出选择。如果需要大量的数据,如直播视频,那么UWB链路就能够充分利用便携式设备有限的电池使用时间。而如果需要交换的数据只是某次会议的一组商务名片,那么Qos参数将表示只有少量对时间要求不高的数据需要交换:在这种情况下,UWB甚至无须打开。
这个过程中的上部还有一个标为SDP的方框――服务发现应用架构。蓝牙技术的本地设备使便携式蓝牙设备能够明确知道它与其他蓝牙设备间实现怎样的功能和通讯。当各设备间完成连接后,正是这个设备用来确定UWB的可用性。
当省电性能变得不太重要时,这个蓝牙架构还支持被用来认证无线USB、无线1394或WiMedia WiNet协议的UWB。开关该功能在蓝牙控制范围之外进行,并且必须在UWB执行过程中进行。
整合了UWB技术的新版蓝牙将使用户能够对大量数据同速进行和传输,并使便携式设备能够实现更多先进的视频和音频应用。在蓝牙技术规范下,UWB技术在10米的有效范围内速率可达到480Mbit/s,行业研究显示该效能超过了许多应用中最高要求的200Mbit/s。将MP3播放器或高画质数码相机的同速进行即是此技术的应用实例。这就为扩展各种应用保留了很大的空间。
最近在智能家居领域我们看到不少蓝牙的身影。相对于WiFi近年如火如荼覆盖大江南北的势头,蓝牙似乎显得有些落寞。其实大概在四五年前,WiFi 远没现在普及,蓝牙依旧是手机之间文件传输的主要方式。记得当年在诺基亚S60时代,用蓝牙跟朋友之间传输一张照片、一首音乐是非常常见的事,而且蓝牙本身传输速度也很快,使用起来也比较方便,基本上不受环境影响,只要两部设备具有蓝牙功能即可连接,所以被人们广泛使用。
如今,支持蓝牙的设备随处可见。事实上,蓝牙是生活中常见的一种重要通讯方式,相对于ZigBee、Z-wave、WiFi等技术在智能家居中“露面”较少而言,蓝牙也是无线智能家居的一种主流通讯技术。蓝牙技术得到了广泛的应用,集成该技术的产品包括手机、电脑、耳机、音箱、汽车、医疗设备等等。
众所周知,蓝牙是一种点对点的通讯方式,支持设备短距离通信的无线电技术,能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与 Internet之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路。基于蓝牙技术的智能家居的设计方案,利用该解决方案可以使数据采集和家庭安防监控灵活方便,摆脱了布线系统的束缚,同时蓝牙的跳频技术在一定程度上提高了系统的抗干扰能力。
除此之外,蓝牙设备体积小、易于携带,所以,在智能家居领域,蓝牙技术比较适合一些近距离私人使用的设备,如智能手环、智能手表、智能秤等。
与物联传感等主流智能家居企业与采用的ZigBee等技术不同,蓝牙技术明显更擅长于“单打独斗”的小设备。蓝牙技术可直接置入体积较小的智能家居设备,特别是在安全性、能耗等方面提升之后,它也被用于不少智能家居单品。
关键词:蓝牙 室内无线定位 定位技术
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2015)12-0000-00
目前,世界范围内主要的定位方式就是无线定位技术,其多用于导航及交通和工程或是抢险救灾中。利用卫星进行精确定位已发展成熟,不过无线通信系统定位也发展飞速,其价廉且灵活,近年被广泛应用于各大场合。蓝牙是无线技术中的一种,其功耗低且应用便捷,蓝牙2.0协议的提出,充分提升了该技术数据传输速率及功耗和误码率等。本文就蓝牙技术于室内无线定位系统中的技术实现进行了深层分析,并提出实用性技术实现策略。
1室内定位技术
1.1室内定位技术概论
室内定位,即于室内环境中来实现位置定位,多使用无线通讯及基站定位和惯导定位等技术,将多种技术集为一体以实现整套室内位置定位系统,达到人员及物体等室内空间位置的严密监控。
1.2无线定位原理
通常两条及两条以上的直线/曲线能够确定二维平面中的点,同时应确定点坐标与已知坐标空间距离关系,这则主要是到达时间法及到达时间差法和到达角度发与信号强度法,具体来讲,其间到达时间法定位主要是测定待定位节点及已知不少于3个信标节点间的信号到达时间,将其乘以信号速度而得到待定位节点及各个信标点距离,再将信标节点作为圆心,所得距离值作为半径做圆,圆交点则为待定位节点坐标;到达时间差法是使用到达时间法中对应信标节点及其待定位节点时间同步务必严格要求,这时应增加硬件而使成本提升,所以使用达到时间差法,此类方式对信标节点及待定位节点时间同步要求并不严格,因其定位系统较为简单而被广泛应用;到达角度法定位原理主要是待定位节点发射无线信号给信标节点,利用信标节点天线来测定信号到达的角度,从而确定待定位节点及信标节点的夹角,再利用几何原理算出待定位节点坐标,二维空间中则应测定不少于两个的信号以至信号到达角度,取其直线方向交点,这时则可获得待定位节点坐标。该方式定位精确度偏低,主要改善方式是利用天线阵列且按照已知阵元的排列关系,再利用诸多AOA信息进行定位,以此提升定位精确度;信号强度法主要是利用信号接收端测量所接受到的功率,再利用传播损耗模型公式计算节点之间的距离,测量待定位节点及不少于3个信标节点之间的距离解算信标节点位置坐标。
2蓝牙室内无线定位系统
蓝牙技术属于短距离无线通信技术,是利用无线连接把固定及移动的信息设备构成个人局域网,从而使得设备之间低成本无线互连通信的实现。本文分析了基于蓝牙技术的室内无线定位,用Blue Core4芯片作为主要研究对象,设计构建蓝牙室内定位系统,应用协议为蓝牙串口。如图1所示,Blue Core4芯片系统结构简视图。
图1 Blue Core4芯片系统结构简视图
2.1蓝牙技术
蓝牙技术属于低功耗无线技术,2.0协议使得蓝牙技术数据传输速率及功耗和误码率均有所提升。蓝牙技术可于任何地方随时利用无线接口替代有线电缆实现链接,其具备极强的移植性,多用于各类通讯场景下,并且蓝牙技术功耗低。蓝牙设备所搜寻到的另一蓝牙设备,则即刻可进行连接,并不需要进行对应设置,往往无线电环境越复杂则蓝牙技术优势更为显著。
2.2蓝牙Core4芯片技术分析
蓝牙Core4芯片属于第四代蓝牙芯片,此芯片满足SIG最新加强数据传输率的各项规范。蓝牙Core4芯片数据传输率快,是现有蓝牙装置的3倍,利用蓝牙移动电话及手机耗电量小,很快就实现了批量生产。传输率的提高则表明该技术对特定量数据快速展开工作,这样也可有效降低耗电量。再者是信息包有效负荷可传输更多比特,蓝牙Core4芯片可充分与各类蓝牙装置兼容,其对应信息包定时及结构均是统一的,传输频谱特征并未有所改变。蓝牙Core4芯片具体提供方式为外部内存及掩模ROM。
3蓝牙室内无线定位系统技术实现
3.1蓝牙串口应用特征
蓝牙串口应用时对应使用授权及鉴权与加密等均可自选择,这些均属安全性特征的支持,鉴权及加密为关键支持。应用安全特征连接建立阶段可执行设备匹配,建立模拟串行电缆连接应执行各项服务发现过程。采用RFCOMM传输数据,解调器控制信号调制,同时有效配置各方面命令。
3.2接入点程序实现
蓝牙串口应用协议实现主要是:第一步,完成PIO初始化,配置控制PIO的对应任务函数;第二步,配置蓝牙串口应用任务处理函数,初始化蓝牙串口应用类设备,同时初始化RFCOMM通道编号,设置蓝牙串口应用优先级,设置蓝牙串口应用状态,初始化蓝牙串口应用储存空间,设置蓝牙串口应用协议返回客服端任务;第三步,蓝牙协议堆栈,配置处理连接任务,合理初始化多点传输管理;第四步,注册此设备安全模式,记录此设备属性,改变此设备状态以进入查询模式状态;第五步,建立连接,搜寻到设备之后就得到另一蓝牙地址,各个设备蓝牙地址均是唯一独立的;第六步,读取RSSI值,构建连接之后则利用函数调用读取RSSI值,同时估计发射设备及接收设备的距离,通常返回值应是8位整型,-128~127范围之内的某个值。如图2所示,接入点程序实现简视图。
图2 接入点程序实现简视图
4结语
随着科学技术水平的不断提升,室内无线定位技术被广泛应用于各类大型场合,不过此项技术于国内发展并不是十分快速,这也使得诸多研究方案未能真正发挥其价值,所以关于室内无线定位方面的知识普及,对室内无线定位技术发展及其研究空间的扩大有着极大现实意义,以便将其服务于社会大众。本文基于蓝牙Core4芯片对蓝牙室内无线定位系统技术实现进行了深层分析,详细分析蓝牙串口应用服务程序编写及调试,分析其接入点程序实现,以期提升人们生活便捷度,促进国内蓝牙室内无线定位系统技术水平提升。
参考文献
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[4]吴琳.室内定位技术探讨[J].江西测绘,2013(2).
【关键词】蓝牙(Bluetooth);近距离无线通信
1.蓝牙的起源与发展
蓝牙是1998年5月由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚共同提出的一种近距离无线数据通讯的技术标准,这是一种支持设备短距离通信的无线电技术。利用该技术可以有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与因特网之间的通信,使数据的传输变得更加迅速、高效。
蓝牙的支持者从最初的五家企业发起的蓝牙特别兴趣小组(SIG)发展到现在近3000个企业成员。蓝牙从实验室进入市场要经过三个阶段:
第一阶段(2001年底到2002底):蓝牙产品作为附件应用于移动性较大的高端产品(如移动电话耳机、笔记本电脑插卡或PC卡等)中,或应用于只要求性能和功能且对价格无要求的特殊场合。
第二阶段(2002年到2005年):蓝牙产品嵌入中高档产品中,如PDA、移动电话、PC、笔记本电脑等。蓝牙的价格进一步下降,估计其芯片价格在10美元左右,而有关的测试和认证工作也初步完善。
第三阶段(2005年以后):蓝牙进入家用电器、数码相机及其他各种电子产品中,蓝牙网络随处可见,蓝牙应用开始普及,蓝牙产品的价格在2美元~5美元之间,每人都可能拥有2-3个蓝牙产品。
2.蓝牙技术的工作原理
2.1建立连接
在微微网建立之前,所有设备都处于就绪状态。在该状态下,未连接的设备每隔1.28s监听一次消息,设备一旦被唤醒,就在预先设定的32个跳频频率上监听信息。跳频数目因地区而异,但32个跳频频率为绝大多数国家所采用。连接进程由主设备初始化。如果一个设备的地址已知,就采用页信息(Page message)建立连接;如果地址未知,就采用紧随页信息的查询信息(Inquiry message)建立连接。在微微网中,无数据传输的设备转入节能工作状态。主设备可将从设备设置为保持方式,此时,只有内部定时器工作;从设备也可以要求转入保持方式。设备由保持方式转出后,可以立即恢复数据传输。连接几个微微网或管理低功耗器件时,常使用保持方式。监听方式和休眠方式是另外两种低功耗工作基带技术支持两种连接方式:主要用于语音传输的面向连接(SCO)方式;主要用于分组数据传输的无连接(ACL)方式。
2.2差错控制
基带控制器采用3种检错纠错方式:1/3前向纠错编码(FEC);2/3前向纠错编码;自动请求重传(ARQ)。
2.3认证与加密
认证与加密服务由物理层提供。认证采用口令——应答方式,在连接过程中,可能需要一次或两次认证,有时也无需认证。认证对任何一个蓝牙系统都是重要的组成部分,它允许用户自行添加可信任的蓝牙设备,例如只有用户自己的笔记本电脑才可以通过自己的手机进行通信。设置蓝牙安全机制的目的在于提供适当级别的保护。
2.4软件结构
蓝牙设备具有互操作性。对于某些设备,从无线电兼容模块、空中接口,直到应用层协议、对象交换格式都要实现互操作性;对另外一些设备(如头戴式设备等)的要求则要宽松得多。蓝牙计划的目标就是要确保任何带有蓝牙标记的设备都能进行互换性操作。软件的互操作性始于链路级协议的多路传输、设备和服务的发现、以及分组的分段和重组。蓝牙设备必须能够彼此识别,并通过安装合适的软件识别出彼此支持的高层功能。互操作性要求采用相同的应用层协议栈。不同类型的蓝牙设备对兼容性有不同的要求,用户不能奢望头戴式设备内含有地址簿。蓝牙的兼容性是指它具有无线电兼容性,有语音收发能力及发现其它蓝牙设备的能力,更多的功能则要由手机、手持设备及笔记本电脑来完成。为实现这些功能,蓝牙软件构架将利用现有的规范,如OBEX、HID(人性化接口设备)、vCard/vCalendar及TCP/IP等,而不是再去开发新的规范。设备的兼容性要求能够适应蓝牙规范和现有的协议组成部分,它允许用户自行添加可信任的蓝牙设备,例如,只有用户自己的笔记本电脑才可以通过用户自己的手机进行通信。蓝牙安全机制的目的在于提供适当级别的保护,如果用户有更高级别的保密要求,可以使用有效的传输层和应用层安全机制。
3.蓝牙通讯技术的特点
4.蓝牙技术在日常生活中的应用
通过以下蓝牙连接,我们可以从家庭办公的线路束缚中解脱出来:
(1)保持计算机、电话及PDA上的联系人、日历和信息同步。
(2)从计算机向打印机无线发送文件。
(3)将计算机无线连接至鼠标和键盘,免去了桌上一堆的杂乱电线。
(4)通过连接手机至扬声器召开免提电话会议。
(5)从拍照手机向打印机发送图片,并进行打印。
(6)通过无线立体声耳机收听从家庭音响或其它类似音频设备传送的流音乐。
(7)通过蓝牙连接从膝上型计算机或手机向媒体查看器发送图片,在电视上查看数码照片。
(8)在无线立体声系统内,基站可以通过蓝牙连接向无线扬声器流传输音频。
(9)在进行日常活动时,使用连接至手机或固定电话的无线耳机,就可以随意接听来电。
(10)在家时,可以使用连接至陆线CTP电话的手机,以节省话费。
5.结束语
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。蓝牙技术对我国的信息化建设来说,既是机遇也是挑战。我们衷心希望具有我国自主知识产权的蓝牙产品早日投入市场,也希望有更多有识之士关注和支持我国蓝牙技术的发展,也许在不久的将来,人们会惊奇地发现我们的工作与生活都在逐渐变蓝。 [科]
【参考文献】
[1]超低功耗(ULP)蓝牙技术规范解析[M].国防工业出版社,2010.
1 引言
蓝牙(Bluetooth )是一种低成本、短距离的无线连接技术标准。它是由爱立信(Ericsson ) ,国际商用机器(IBM ) ,英特尔( Intel ) ,诺基亚(Nokia )和东芝(Toshiba ) 5 家公司共同倡导的一种全球无线技术标准。其目的就是将智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字信息的外部设备用无线方式连接起来。目前,无线连接飞速普及、大受欢迎,蓝牙技术的广泛应用对无线移动数据通信将起到巨大的促进作用。
2 蓝牙无线频段的选择和抗干扰
蓝牙技术采用2400~2483.5MHz 的ISM (工业、科学和医学)频段,这是因为:
( l )该频段内没有其它系统的信号干扰,同时频段向公众开放,无须特许;
( 2 )该频段在全球范围内有效。
此时,抗干扰问题便变得非常重要。因为2400~2483.5MHz ISM 频段为开放频段,使用其中的任何频段都会遇到不可预测的干扰源(如某些家用电器、无绳电话和汽车开门器等),此外,对外部干扰源和其它蓝牙设备的干扰也应作充分估计。
抗干扰方法分为避免干扰和抑制干扰。避免干扰可通过降低各通信单元的信号发射电平来达到;抑制干扰则通过编码或直接序列扩频来实现。然而,在不同的无线环境下,专用系统的干扰和有用信号的动态范围变化极大。在超过50dB 的远近比和不同环境功率差异的情况下,要达到1Mb/s 以上速率,仅靠编码和处理增益是不够的。相反,由于信号可在没有干扰时(或干扰低时)发送,故避免干扰更容易一些。若采用时间避免干扰法,当遇到时域脉冲干扰时,发送的信号将会中止。另一方面,大部分无线系统是带宽受限的,而在2.45 GHZ 频段上,系统带宽为80MHz,可找到一段无明显干扰的频谱,同时利用频域滤波器对无线频带其余频谱进行抑制,以达到理想效果。因此,以频域避免干扰法更为可行。
3 蓝牙基带协议中的可靠性措施
蓝牙基带协议把保证蓝牙无线连接的可靠性放在了至关重要的位置上,确保匹克网内各蓝牙设备之间由射频构成可靠的物理连接。实际上,为了提高蓝牙无线连接的可靠性,以较小的开销有效地降低误码率、切实提高蓝牙无线连接的可靠性,蓝牙基带协议中定义了一系列提高蓝牙无线连接可靠性的措施,主要包括:差错检测和校正、进行数据编解码、差错控制、数据加噪等。下面,我们对这些可靠性措施一一进行阐述:
3.1 蓝牙基带协议中的差错控制方案
在蓝牙基带协议中采用的差错控制方案有:1/3 比例前向纠错码(FEC);2/3比例前向纠错码(FEC);数据的自动重传请求(ARQ, Automatic Repeat Request)方案。
其中,FEC(前向纠错)的目的是为了减少数据载荷重发的次数,使用FEC码,检错、纠错以及编解码的过程变得简单迅速,这对RX 和TX 间的有限处理时间非常重要。但是,采用FEC的缺点是还是会降低实际数据传输速率。所以,在纠错要求不高的环境中,可以不采用FEC。蓝牙规范基带协议中的分组的定义对于在有效载荷中是否采用FEC 给出了相当的灵活度,由此而定义了ACL链接中使用的DM 和DH分组以及SCO链接中使用的HV分组。分组头通常采用1/3比例前向纠错码保护,它含有很重要的链接信息,能够容忍多位错误。
3.1.1 1/3 比例前向纠错码(FEC)
在这种3位重复方案中,分组头中的每一位都重复三次。主要用来屏蔽头中的错误,因为分组头中包含有重要的连接信息。实际上在整个分组头里都采用了三位重复码。在这种3 位重复方案中,重复码大部分在接收端判决,既可用于数据包头,也可用于SCO链接的分组。例如,在SCO链接中使用的HV1分组里的话音段中也采用了这种编码格式。
3.1.2 2/3比例前向纠错码(FEC)
在这一方案中,采用了一种(15, 10)精简的(缩短的)汉明码表示方式。每10个信息位被编码为15位的码字,生成多项式为:g(D)= (D+1) (D4+D+1)。此类错误校正方法主要用来以最可靠的方式来发送数据分组。该方案能够在各代码字中纠正所有奇数位错和检测所有偶数位错,误码检测用于数据纠错。它既可用于SCO链接的同步分组,也可用于ACL 链接的异步分组。具体而言,2/3比例前向纠错码可用于DM分组、DV分组中的数据段、FHS 分组以及SCO链接中使用的HV2分组中。由于编码器采用长度为10 的信息段,所以值为O的尾位可附加在CRC位之后。而所有需要编码的位数(即:有效载荷头、用户数据、CRC和尾部数位)必须是10 的整倍数。通常是用线性反馈移位寄存器LFSR来生成2/3比例前向纠错码。
3.1.3 自动重传请求(ARQ)
在蓝牙无线连接中,为了保证可靠传送,常用做法是采用自动重传请求(ARQ)方案,由接收方发回特殊的控制帧,作为对输人肯定或否定性的确认(ACK/NACK)。如果出现丢帧或丢掉确认消息的情况,则计时器在超时后会发出超时信号,提醒发送方可能出现了问题,必须重传此帧。而且收方必须能够辨别收到的是重复帧还是新帧。
在蓝牙采用的ARQ方案中,蓝牙的DM、DH和DV分组的数据段可以进行传输或重发,直到收端返回成功接收确认信息(或超时)为止。该确认信息包含在返回分组头里,即捎带( Piggy backing) 。为了确定有效载荷正确与否,循环冗余校验码应该加载于有效载荷中。ARQ方案只工作在分组的有效载荷上(仅针对具有CRC的有效载荷)。分组头和话音有效载荷不受ARQ 保护。
蓝牙使用快速、无编号确认方案。为了应答前次接收分组,应返回ACK (ARQN=1)或NAK (ARQN=0)。在返回分组的分组头里,生成ACK / NACK 域,同时,接收分组的分组头中的ACK / NACK域可表明前面的负载是否正确接收,决定是否需要重发或发送下一个分组。从单元将在主-从时隙后紧跟在从-主时隙中进行应答。主单元则将在下一个事件中应答,该事件将给出同一从单元地址。由于处理时间短,当分组接收时,解码选择在空闲时间进行,并要简化FEC编码结构,以加快处理速度。快速ARQ方案与停止等待ARQ方案相似,但时延最小,实际上没有由ARQ方案引起的附加时延。该结构比退后n帧ARQ更有效,并与选择重传ARQ 效率相同,但由于只有失效的分组被重发,可减少开销。
在快速ARQ方案中,收方为了辨别是重复帧还是新帧(即过滤重传数据),头部将附加SEQN位。通常,每次新的CRC数据有效载荷传输,SEQN位将交替变化。而在重传中,SEQN位不发生变化。这样,通过辨认SEQN位是否发生变化,收方即可辨别出是重复帧还是新帧。
3.2 蓝牙基带协议中的错误校验
在蓝牙无线连接中,至少应该对HEC进行分组头校验。另外,必要时其有效载荷也必须进行CRC校验。使用分组头HEC信息和有效载荷中的CRC信息,可以检测分组错误和传输错误。
3.2.1 分组头HEC检测
为了检测蓝牙分组头,每个分组头的最高8位定义为HEC ( Header-Error-Check,头部错误检测)信息。HEC由多项式647(八进制数)生成,在生成HEC之前,HEC生成器用一个8 位值来初始化。在初始化后,对分组头的其它10位进行计算,得到8位的HEC值。另外,在接收方校验HEC之前,也必须先进行适当的初始化。在接收分组时,首先校验的是访问码,由于在信道访问码中的64位同步字来源于24位主单元的低地址部分(LAP),这样就可以校验LAP是否正确,并可以防止接收方接收来自其它匹克网的分组。
3.2.2 有效载荷的CRC校验
CRC校验即循环冗余码校验,是一种常用的检错编码,而且已经有相应的国际标准,如CRC-CCITT。在蓝牙无线连接中,发送方按照国际标准CRC-CCITT ,即g (D) = ( D + 1 ) ( D7 +D4+D3+D2+D+1),并用线性反馈移位寄存器LFSR硬件电路生成有效载荷(数据信息)的CRC校验码,附加在数据信息后面构成完整的数据帧,由接收方在接收时检查。若出错,返回NAK,发送方收到NAK 后重发该数据帧。
3.3 蓝牙基带协议中的其它可靠性措施
3.3.1 教据加噪
所有的分组头和载荷信息在发送前都要利用数据加噪字进行加噪处理。这主要是为了避免在传输过程中出现过长的连续0或1的位流模式。基带处理器需要从接收到的模拟数据信号中判断数据是0还是1,但过长的连续0或1位流会造成问题。因为在接收到的模拟数据信号中并不存在象直流信号中那样的参考点,因此必须依靠接收到的最后几个传输信号进行校正。任何连续的0或1的长序列位流串都可能导致校正失败。因此需要采用数据加噪技术对信号进行扰码处理,以大大降低出现长序列0或1位流串的可能性。
在蓝牙无线连接的发送方,这种加噪过程先于FEC编码完成。在接收端,接收数据使用相同的数据加噪字进行还原处理,该还原处理在FEC解码后完成。
3.3.2 链路监测
在无线连接中,有很多原因能够引起连接中断,比如,设备关闭、设备移出了蓝牙通信范围。而且在连接中断发生时,通常不会有任何提前报警,所以,在蓝牙主、从单元两端对链路进行监测是非常必要的。
为此,在蓝牙主、从单元均使用链路监测定时器。一旦收到经过HEC校验的分组和正确的蓝牙活动成员地址(AMADDR),定时器就复位。如果在连接状态的任何时刻,定时器达到阈值(该阈值可协商),则连接复位。SCO和ACL 连接使用同一阈值。这样,就能够在蓝牙主、从单元两端对链路进行监测了。
4 蓝牙链路管理层(LM)中的可靠性措施
类似地,在蓝牙链路管理层(LM )中,也定义有保证可靠的无线连接的措施。
在蓝牙接收和发送设备的链路管理层之间是通过协议数据单元(PDU)来相互通信的。PDU 由操作码、事件ID和内容参数组成,其中,7 位操作码用来标识不同类型的PDU。
如果链路管理器收到不能识别操作码的PDU,就用LMP no accepted协议数据单元(PDU)应答,并且LMP no accepted PDU中含有原因码unknown LMP PDU。而且返回的操作码参数同样也是不能够识别的操作码。如果链路管理器收到含有无效参数的PDU,就用LMP no accepted PDU应答,并且LMP no accepted PDU中含有原因码invalid LMP PDU(无效LMP 参数).
某一方在等待对方响应时,如果发现超过了最大响应时间或者检测到链路丢失,等待应答的一方就可以认为该过程已经终止。
信道出错或发送方系统出错都会引起发送错误的消息。为了检测后一种情况,LM应监测错误消息数量,一旦超过阈值就将其断开,该阈值可根据实际情况进行设置。
由于无法实时地截获PDU,在链路两端的LM都对同一过程进行初始化而且都没有成功时,很可能会发生冲突。这时,主单元将通过发送含有原因码“LMP Error Transaction Collision ”的LMP no accepted PDU,中止从单元的初始化过程,从而保证主单元的初始化过程能够顺利进行。
5 蓝牙应用层中可采用的可靠性措施
5.1 稳定、可靠的蓝牙文件传输协议:RBTFT
蓝牙的文件传输是通过RFCOMM协议建立一条端到端的连接。所以在蓝牙RFCOMM协议的基础之上建立了本文所描述的蓝牙的文件传输协议,称之为RBTFT(表示为Reliable Bluetooth File Transfer),其主要目标是在蓝牙设备之间建立一条可靠的无线连接通道,进行可靠的文件传输。该协议目前的开发是采用VC+ +,应用平台为WIN98/2000/NT,但作为RBTFT 协议的本身不受具体编程语言及操作系统所限制。
RBTFT 协议支持一次传输多个文件、断点续传和CRC校验。其设计思想是基于帧传输方式,即在发送数据时是一帧一帧地发送,为保证可靠的传输,RBTFT协议对RBTFT帧进行了精心的定义,RBTFT 帧由报头、数据子包组成,报头指明帧类型(有些帧是不带数据的命令帧、信息帧,如BTFNAK ) ,还携带CRC校验信息。而数据子包还有不同的子包结束符,指明后面是否有后续包等。在进行数据传输时,采用发送/应答/握手/失败方式,即发送一帧数据,一个应答,若应答没收到,重新进行协商握手,握手失败则向应用程序报告错误。
在利用RBTFT 协议进行实际的文件传输时,首先第一步是进行串口初始化操作,在串口初始化成功时,通过异步消息RBTFT C0NNECT向应用程序报告,表示一条通信链路建立完毕。开始发送数据时,应用程序根据内部缓冲区的大小决定每次真正可发送的数据量,数据将被存储在内部缓冲区内,按照RBTFT协议,内部缓冲区的数据分割成一帧一帧并加人帧信息和CRC校验信息,每一帧将调用内部线程发送数据,当内部缓冲区的数据全部发送完毕(即内部缓冲区为空)时,则向应用程序发送消息表示内部缓冲区的数据全部发送完毕,应用程序将可继续发送其余的数据。在接收方,每到达一帧时,接收方就判读帧信息、对到达的数据进行接收并进行CRC校验,若发生错误则通过RBTFT协议所定义的方式进行重发或协商,当通信能继续则不向应用程序发送任何消息,继续保持链路,若通信不能继续,则放弃此链路,并且向应用程序发送RBTFT ERROR的消息,应用程序将重新复位此链路或进行其它相应的处理。另外,当有任何一方断开链接,应用程序将接收到RBTFT CLOSE消息,表示此链路已经断开。在接收端,所接收到的分帧的数据被去掉帧头重新归到接收缓冲区流,重新拼装为所传输的文件。然后,再进行下一个文件的传输,直至传输完所有的文件。
对于在应用层提高蓝牙无线连接的可靠性而言,最为可贵的是RBTFT协议支持断点续传。我们目前所实现的也就是将RBTFT文件传输协议嵌人到蓝牙无线文件传输的应用中,这样,即便出现文件传输中断的情况,也可以进行断点续传。这对于大文件无线传输尤为有意义。
RBTFT协议支持断点续传的原理在于RBTFT数据帧在报头中携带有指明文件数据在文件具体某个位置开始的偏移量。当发生错误或连接中断时,接收方发送一个带有偏移量的信息帧,说明它希望发送方从该位置重新开始传输。这样就无需重传整个文件,从而实现了断点续传。
5.2 蓝牙文件传翰RBTFT协议发送文件的详细过程
以下是蓝牙文件传输RBTFT 协议发送单个文件的详细过程:
n =0; //初始化重试次数计数器,收发双方建立连接;
file = fopen (filename,“rb ”); 设置并发送包含文件名、文件长度的报头;
for ( ; ;) {
message =所读取接收方发来的响应报头信息;
switch (message) {
case 接收方返回“已经准备接收”:
发送第一个数据子包,并以子包结束符指明后面有后续包;
Continue ;
case 接收方拒绝接收:
fclose (file);
return OK;
case 接收方返回确认信息:
发下一个包;
Continue;
case 超时:n=n+l;
if (n>20)//重试20 次,若还不能恢复连接,则放弃
{return ERROR;}
else if
{重新建立连接;
请求接收方发送带有偏移量的信息帧;
接收该信息帧;
从指定偏移量处开始继续传送;
Continue;}
case 接收方放弃传输:
return ERROR;
case 文件传输完毕:
输出“文件传输完毕”的屏幕提示信息;
return OK;