蓝牙是什么

fan问答2020-11-11 02:05:41阅读(...)

蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的全球规范,它是基于低成本的近距离无线连接,为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。

蓝牙是一种无线个人局域网(Wireless PAN),最初由爱立信创制,后来由蓝牙技术联盟订定技术标准。来自古老北欧国王 Harald Blåtand,借国王的姓“Blåtand”当名称,直接翻译成中文为“蓝牙”(Blå=蓝、Tand=牙)。

蓝牙 bluetooth

蓝牙的由来

蓝牙这个名字的来历颇具传奇色彩。公元 l0 世纪的北欧正值动荡年代,各国之间战争频繁,丹麦国王哈拉德二世挺身而出,到处疾呼和平。经过他的不懈努力,战争终于停止,各方领袖坐到了谈判桌前,至此,四分五裂的挪威和丹麦得以统一。关于这位国王的名字有两种说法:一种说法是他的全名是 Harald Blatand,Blatand 在英语中意思为“蓝牙”(Bluetooth);还有一种说法是这位英雄的丹麦国王酷爱吃蓝梅,以致于牙齿都被染成了蓝色,因此蓝牙(Bluetooth)成了他的绰号。

1000 年后的今天,世界范围内电子设备技术高速发展。瑞典的爱立信公司于 1994 年成立了一个专项科研小组,对移动电话及其附件的低能耗、低费用无线连接的可能性进行研究,他们的最初目的在于建立无线电话与 PC 卡、耳机及桌面设备等产品的连接。但是随着研究的深入,科研人员越来越感到这项技术所独具的个性和巨大的商业潜力.同时也意识到凭借一家企业的实力根本无法继续研究,于是,爱立信将其公诸于世,并极力说服其他企业加入到它的研究中来。他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术,并将此技术命名为“蓝牙”,来表达要将这种全新的无线传输技术在全球推广,并实现全球通用的雄心。

1998 年 2 月,瑞典爱立信(ERICSSON)、芬兰诺基亚(NOKIA)、日本东芝(TOSHIBA)、美国 IBM 和英特尔(Intel)公司五家著名厂商,组成了一个特殊利益集团(有的书译为特别兴趣小组)SIG(Special Interest Group)。之后,蓝牙引起了越来越多企业的关注。1999 年 11 月,比尔·盖茨专程到拉斯维加斯一间只有 11 名员工的小公司访问,只因这家公司已研制成功一种含蓝牙技术的胸卡,随后,微软便宣布加入 SIG。目前,包括索尼、惠普、戴尔在内的 2500 多家公司都签署了相关协议加入该组织,共享这一先进技术,而且数目还在不断的增长,从而在全球范围内掀起了一股蓝牙热潮。这么多的精英公司集中在一项技术的大旗下,在商业史上是史无前例的,一项公开的全球统一的技术规范得到了工业界如此广泛的关注和支持,也是以往所罕见的。这说明基于此项技术的产品具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。

蓝牙的发展

1994 年爱立信(Ericsson)公司发起了一项研究,旨在移动电话及其附件之间探求一种新的低功耗、低成本的空中接口。研究的目的之一是要找到一种新的连接方式,能够去除连接移动电话与耳机、笔记本计算机及其他设备之间繁杂的线缆,但更主要的目的则是分析有多少种不同的通信设备可以通过移动电话接入到蜂窝网中(上述的空中接口研究只是它的一部分)。爱立信公司得出的结论是蜂窝网的最后一段应该是短距离的无线连接,爱立信将这项新的无线通信技术命名为蓝牙(blue tooth)。随着项目的进展,蓝牙技术的应用前景也变得明朗起来。爱立信意识到要使这项技术最终获得成功,必须得到业界其他公司的支持与应用。1998 年 5 月,爱立信联合诺基亚(Nokia)、英特尔(Intel)、IBM 和东芝(Toshiba)这 4 家公司一起成立了蓝牙特殊利益集团(SIG),负责蓝牙技术标准的制定、产品测试,并协调各国蓝牙的具体使用。3Com、朗讯(Lucent)、微软(Microsoft)、摩托罗拉(Motorola)很快加盟 SIG,并组成领导小组(promoter group)。领导小组的职责是:创建蓝牙论坛,加强蓝牙协议的制定和改进,提供互操作性测试工具,进而指导 SIG 成员在蓝牙领域的研究工作。SIG 着眼于蓝牙在全球的发展与应用,将蓝牙技术标准完全公开,1999 年 7 月 SIG 公布了蓝牙规范 1.0 版;1999 年 12 月公布了蓝牙规范 1.ob 版;2001 年 4 月公布了 1.1 版;2003 年 11 月公布了 1.2 版本;2004 年 8 月公布了 2.0 版本。

现在 SIG 已发展成为一个相当庞大的工业界高新技术标准化组织,全球支持蓝牙技术的 2000 多家设备制造商都已经成为它的会员。近年来,世界上一些权威的标准化组织也都在关注蓝牙技术标准的制定和发展。例如,IEEE 就已经成立了 802.15 工作组,专门关注有关蓝牙技术标准的兼容和未来的发展等问题。

2000 年 6 月在新加坡召开的 Communication Asia 展览会上,爱立信公司推出了全球第一部使用蓝牙技术的 GPRS(通用分组无线业务)手机 R520,R520 手机融合了 GPRS、高速数据(HSCSD)、蓝牙技术和 wAP(无线应用协议),除了高速率外,R520 还可以借助其内置蓝牙芯片提供全面无线连接解决方案,从而避免了在电话和其他移动设备(如 PC 和免提设备)之间使用连接线缆。从 R520 问世至今,越来越多的手机制造商开始在其手机中植入蓝牙芯片,而这无疑又会带动蓝牙耳机的需求增长。蓝牙手机和蓝牙耳机使得用户可以进行无线会话。咨询机构 DC 的研究报告指出,2008 年全球销售的手机中将有 53%具备蓝牙功能,其中 65%的蓝牙手机在美国市场销售。

短距离无线蓝牙技术已经嵌入到了许多消费装置中,从笔记本计算机、手机到汽车都可以看到蓝牙的踪影。同时蓝牙在操作系统方面也得到了强有力的支持,目前已经有 PocketPC、WindowsCE.Net、苹果计算机的 MacOSX 操作系统、Palm 与多数手机操作系统增加了对蓝牙的支持。蓝牙进入企业的首要渠道来自手机、笔记本计算机与 PDA。

蓝牙的优势

(1)易于使用

当用户设备处于一定范围的时候,支持蓝牙无线技术的设备将自动互相识别,完成同步其电话本等工作。

(2)无缝的互操作性

设备应用程序的自动发现提供智能的按需访问。通过标准的高层协议子集(Profiles)进行应用程序连接,消除了设备和操作系统的依赖性。

(3)快速

2.4GHz 无线电发送,提供 1Mbiffs 的流量。

(4)安全

蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。鉴权是蓝牙系统中的关键部分,它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域,如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。

加密被用来保护连接中的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。鉴权和加密机制保证个人通信的绝对安全。

(5)连接范围

在开放空间里,客户端之间的连接可跨越 10m。客户端与接入点之间的距离可长达 100m(不一定要在视线范围内)。

(6)语音和数据支持

每个设备支持多达 3 个语音通道,7 个数据连接,实现多功能连接。

(7)被广泛地采纳

蓝牙技术被 1800 多家公司所采纳,这意味着不断地会有大量支持蓝牙无线技术的应用和设备。

(8)价格合理

这种价格合理的选择使广泛地部署和使用成为可能。

(9)节能

低功耗使众多的设备可以使用这种无线技术,如手机、手持电脑到打印机、数码相机。

(10)在个人的层次上进行连接

蓝牙技术将会渗透到日常生活的方方面面,无论是在家里,在工作中,还是在娱乐中。这里有 3 个例子,您将能够利用到蓝牙无线技术。

①连接您的世界

您的无线 PAN 把您所有的电子设备都连接在一起,解放您的双手和大脑去从事更重要的事。当您需要用无线头带设备进行通话时,只要在您的手持电话本上选一个名字,就能用您的电话拨号了。或者,您还可以用 HotSync 技术同步您的手持设备和电脑,这并不需要接上电线。

②与其他人、其他设备相连

您需要跨出个人区域网络后,同样可以没有障碍地进行连接。走到打印机前,就可以打印出会议的日程。可以在会议室的虚拟电子白板下载记录,和其他与会者交换电子名片、文档。

③访问整个世界

蓝牙无线技术也许还能在您观看体育比赛时帮助您下载运动员的档案、获得其他比赛的最新比分情况、预定座位、用电子货币结算。在体育馆里,您可以向全世界的朋友发电子邮件。

蓝牙技术

1.特点

1.成本低

为了能够替代一般电缆,它必须具备和一般电缆差不多的价格,这样才能被广大普通消费者所接受,也才能使这项技术普及开来。蓝牙的最终目标是集成于单价为 5 美元的 CMOS 芯片。目前,蓝牙芯片价格降不下来,既有经济原因,也有技术原因。从技术角度来看,蓝牙芯片集成了无线、基带和链路管理层功能,而链路管理功能实际上既可以通过硬件实现,也可以通过软件实现,如果由软件实现链路管理层功能,那么芯片被简化,价格也将变得合理。

2.功耗低、体积小

蓝牙技术本来目的就是用于互连小型移动设备及其外设,它的市场目标是移动笔记本电脑、移动电话、小型的 PDA 以及它们的外设,因此蓝牙芯片必须具有功耗低、体积小的特点,以便于集成到小型便携设备中去。蓝牙产品输出功率很小(只有 lmW),仅是微波炉使用功率的百万分之一,是移动电话的一小部分。

3.近距离通信

蓝牙技术通信距离为 10m,如果需要的话,还可以选用放大器使其扩展到 100m。这已经足够在办公室内任意搂敖外围设备,而不用再担心电缆长度是否够用。

4.安全性

同其它无线信号一样,蓝牙信号很容易被截取,因此蓝牙协议提供了认证和加密功能,以保证链路级的安全。蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供,采用流密码加密技术,适合于硬件实现,密钥由高层软件管理。如果用户有更高级别的保密要求,可以使用更高级、更有效的传输层和应用层安全机制。认证可以有效防止电子欺骗以及不期望的访问,而加密则保护链路隐私。除此之外,跳频技术的保密性和蓝牙有限的传输范围也使窃听变得困难。

然而,在提供链路级认证和加密的同时,也阻碍了一些公共性较强应用模型的用户友好访问,比如服务发现和商业卡虚拟交换等。因此,为了满足这些不同的安全需求,蓝牙协议定义了三种安全模式。模式 1 不提供安全保障,模式 2 提供业务级安全,模式 3 则提供链路级安全。

2.典型应用

蓝牙技术适用于以下三个方面的短距离无线连接:

  • 数据和语音接人点。
  • 替代电线和电缆。
  • 包含硬件、软件和互操作需求的一种无固定中心站的网络。

对用户而言,蓝牙技术则试图实现把所有的设备——包括笔记本电脑、鼠标、打印机、接人点、移动电话和话筒等——都使用蓝牙协议无线地连接在一起,进行语音和数据的交换。同时,还可以通过无线或有线的接人点(如 PSTN,ISDN,LAN,xDSL)与外界相连。

蓝牙技术的几种典型应用如下:

(1)三合一电话

蓝牙技术使一部移动电话手机能在多种场合内使用:在办公室里,这部手机是内部电话,不计电话费;在家里,是无绳电话,计固定电话费;出门在外,是一部移动电话。

(2)Intemet 网桥

蓝牙技术可以使便携式电脑在任何地方都能通过移动电话手机进入因特网,随时随地到因特网上去“冲浪”。

(3)交互性会议

在会议中,蓝牙技术可以迅速使自己的信息通过便携电脑、手机、PDA 等供其他与会者共享。

(4)手机公文包

笔记本电脑还在皮包里时收到了外来的电子邮件,用户的移动电话就会发出声音,提醒用户“电脑收到了电子邮件”。这时用户不用打开电脑,在手机上就可以浏览收到的电子邮件。注意,该功能与现有的如搜狐、网易提供的类似功能的实现方式是完全不同的。

(5)图像的无线传输

蓝牙技术可将数字相机中的图像发送给其他的数字相机或者 PC 机、PDA 等。

(6)家用设备的遥控和家电网络

家用微波炉、电磁炉、空调、冰箱以及照明灯具等,均可以使用蓝牙技术进行“智能化”的遥控和互连。

3.蓝牙技术的最新进展

下面对蓝牙技术的新产品和新技术规范做介绍。

1.新产品

爱立信公司发布了基于蓝牙技术的无线耳机,并投放了内置蓝牙收发信号模块的移动电话手机;摩托罗拉公司在消费类电子产品展览会上将展示因特网接人和同步服务;E13A 公司提供了蓝牙 ISDN 产品。蓝牙的 PCMCIA 卡和调制解调器也即将面世。另外,越来越多的公司宣布将生产各种各样基于蓝牙技术的产品。

在芯片方面,有关厂商已经开发出了各种蓝牙专用集成电路(ASIC),并发布了相应的开发工具包,使较早采用此技术的厂商能更快更容易地生产出应用产品。

在软件方面,不少公司也开发出厂相应的蓝牙协议栈。特别值得一提的是,总部在加拿大而开发工作在北京进行的 IVT 公司实现了用 C 代码和 SDL 的蓝牙协议栈,可以用于不同的操作系统,该公司还开发出了相应的软件开发包。

蓝牙技术把各种便携式电脑、移动电话和家用电器等用无线链路连接起来,将计算机与通信更加密切结合起来,使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。人们相信,蓝牙技术将掀起无线连接与通信的革命。因此,电信业、计算机业、家电业都对蓝牙技术很重视,认为蓝牙技术将对未来的无线移动数据通信业务有巨大的促进作用,预计在最近几年内无线数据通信业务将迅速增长。蓝牙技术被认为是无线数据通信最为重大的进展之一。

2.蓝牙 2.0

主导蓝牙技术的爱立信技术许可公司描述了蓝牙 2.0 的一些基本功能,它可以支持 4Mbit/s、8Mbit/s 和 12Mbit/s 多种传输速度。即将推出的蓝牙 2.0 无线通信设备瞄准的是个人区域网络(PAN)。

蓝牙 2.0 使用“非跳跃窄带信道和分布式媒体访问控制协议(non-hopping narrowband channel and distributed media-access control protocols),可以在现有蓝牙规范的基础上提供新的通信模式。蓝牙 2.0 采用速度较高的模式,应答时间会更短,并可以提供内置服务质量(QoS),还支持广播/多点传播。

蓝牙 2.0 预计将同现在的蓝牙规范一样,在 10m 内的范围工作,其最大耗电量估计将是现有蓝牙规范的两倍。

蓝牙 2.0 采用的分布式协议将用于缓解现有蓝牙主从(master/slave)设备的 Piconet 所存在的问题。在现有蓝牙规范里,主设备离开后,Piconet 就关闭了。蓝牙 2.0 免除了主设备,使得 Piconet 里的任何设备都成为主设备,因此在一台设备离开后,Piconet 上的其他设备仍可继续进行通信。

就在蓝牙 2.0 即将出现之时,IEEE 标准组织也在加速无线 LAN 和无线 PAN 技术的工作进程,以解决家庭内部音频和视频设备之间无线连接的问题。尽管其他无线技术的推广给蓝牙带来了竞争,但蓝牙 2.0 的优势则在互动游戏和多媒体应用方面,除蓝牙技术外的任何其他的无线技术都不能满足手机所要求的低耗电量、低成本功能。

蓝牙协议

蓝牙协议是由 Bluetooth SIG 开发的无线通信协议,主要面向近距离的无线数据语音传输,完成电缆替代的核心应用。从层次上区分,蓝牙协议可以分为底层协议、中间层协议及应用层协议。蓝牙底层协议包括:射频(Radio)、基带(BaseBand)、链路管理协议(Link Manager Protocol,LMP)、逻辑链路控制与适配协议(Logical Link Control and Adaptation Protocol,L2CAP)、主控制器接口(Host Controller Interface,HCI)协议等;中间层协议包括:服务发现协议(Service Discovery Protocol,SDP)、串口仿真协议(RFCOMM)、电话控制协议规范(TelCtrl)、与红外通信协议的互操作性(IrDAOper)、对象交换协议(Object Exchange,OBEX)等,底层协议与中间层协议共同组成蓝牙核心层协议;蓝牙应用层协议也称为蓝牙应用规范 PROHLE(也有翻译成剖面),都建立在核心协议的基础上。蓝牙应用规范很多,其中较典型的有服务发现(Service Discovery Application,SDA)、互通(Intercom)、无绳电话(Cordless Telephony)、传真(FAX)、拨号网络(Dialup Networking)、耳机(Headset)、局域网访问(LAN Access)、文件传输(File Transfer)、同步(Synchronization)、Object Push 等。各种 Profile 从协议栈中选取不同的协议组合来完成特定的功能。

蓝牙技术发展中经历了 V1.0、V1.1、V1.2、V2.0、V2.1 等 5 个版本,其中 V1.0 是最早的版本,V1.1 协议是最早成熟的协议,对蓝牙早期的产品统一起到很大的作用,V1.2 是最成熟的蓝牙应用协议,V2.0 在 V1.2 的基础上增加了 EDR(增强数据率),V2.1 是最新提出的版本,所有的蓝牙协议都向下兼容,不同版本的协议可以互联互通。

下面,对蓝牙协议 V1.1、V1.2、V2.0 与 V2.1 进行简单的介绍与比较。

1.Bluetooth V1.1

由于没有考虑到设备互操作性的问题,Bluetooth V1.0 规范在标准方面有所欠缺。例如出于安全性方面的考虑,Bluetooth V1.0 设备之间的通信都是经过加密的——当两台蓝牙设备之间尝试建立起一条通信链路时,它们会因为不同厂家设置的口令不同不匹配而无法正常通信;或如果响应设备(辅设备)处理信息的速度高于主设备,随之而来的竞争态势会使两台设备都得出自己是通信主设备的计算结果等。Bluetooth V1.1 规范对这一问题进行了解决,Bluetooth V1.1 技术规范要求会话中的每一台设备都需要确认其在主设备/辅设备关系中所扮演的角色。

此外,Bluetooth 技术本来将 2.4GHz 的频带划分为 79 个子频段,而为了适应一些国家的军用需要,Bluetooth V1.0 重新定义了另一套子频段划分标准,将整个频带划分为 23 个子频段,以避免使用 2.4GHz 频段中指定的区域。这造成了使用 79 个子频段的设备与那些设计为使用 23 个子频段的设备之间互不兼容。BluetoothV1.1 标准取消了 23 个子频段的副标准,所有的 BluetoothV1.1 设备都使用 79 个子频段在 2.4GHz 的频谱范围之内进行相互的通信。

此外,Bluetooth V1.1 规范也修正了因互不兼容的数据格式引发的 Bluetooth V1.0 设备之间的互操作性问题,允许从设备主动与主设备进行通信并告知主设备有关分组大小方面的信息。

Bluetooth V1.1 规范中,辅设备可以在必要的时候通知主设备发送包含多少时隙(Slots)的数据包。

2.Bluetooth V1.2

Bluetooth V1.1 标准的缺点与优点同样明显,例如它很容易受到主流 802.1lb 设备干扰。Bluetooth SIG 新发布的 V1.2 标准就提供了更好的同频抗干扰能力,并且加强了语音识别能力,并向下兼容 V1.1 的设备。

V1.2 版本最大的改进在于增加了自适应跳频技术(Adaptive Frequency Hopping,AFH),并主要针对现有蓝牙协议和 802.1lb/g 之间的互相干扰问题进行了全面的改进,防止用户在同时使用支持蓝牙和无线局域网的两种装置的时候出现互相干扰的情况。

1.2 版本增强了语音处理,改善了语音连接的品质(可以提高蓝牙耳机的音质),并能更快速地连接设备。

3.Bluetooth V2.0+EDR

新版蓝牙规范提高了带宽,使得新版本的蓝牙设备可以传输更大的文件,同时 V2.0+EDR 版本兼容所有旧版规范。V2.0+EDR 版的开发是基于当前对提升数据吞吐量的需要,比如传输 CD 音质的流媒体文件,数码相片和激光打印等。蓝牙核心规范 V2.0+EDR 主要内容如下:

(1)3 倍数据传输速率(最大可以达到 10 倍);

(2)更多的带宽简化了多连接模式;

(3)向后兼容早期蓝牙设备;

(4)降低了误比特率 BER(BitErrorRate)。

4.Bluetooth V2.1+EDR

虽然 BluetoothV2.0+EDR 标准在技术上作了大量的改进,但从 1.X 标准延续下来的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。为了改善旧版蓝牙技术存在的问题,蓝牙 SIG 组织推出了 BluetoothV2.1+EDR 版本的蓝牙技术。

蓝牙核心规范 V2.1+EDR 的主要改进包括如下两点:

(1)改善装置配对流程。由于有许多使用者在进行硬件之间的蓝牙配对时,会遭遇到许多问题,不管是单次配对,或者是永久配对,配对的过程与必要操作过于繁杂,以往在连接过程中,需要利用个人识别码来确保连接的安全性,而改进后的连接方式则是会自动使用数字密码来进行配对与连接,举例来说,只要在手机选项中选择连接特定装置,在确定之后,手机会自动列出目前环境中可使用的设备,并且自动进行连接。

而在短距离配对方面,也具备了在两个支持蓝牙的手机之间互相进行配对与通信传输的 NFC(Near Field communication)机制。NFC 是短距离的无线 RFID 技术,在针对 1~2m 的短距离联机应用上,以电磁波为基础,取代传统无线电传输。由于 NFC 机制掌控了配对的起始侦测,当范围内的两台装置要进行配对传输时,只要简单地在手机屏幕上点选是否接受联机即可。不过要应用 NFC 功能,系统必须内建 NFC 芯片或具备相关硬件功能。

(2)更佳的省电效果。蓝牙 2.1 版本加入了 Sniff Subrating 的功能,通过设定在两个装置之间互相确认信号的发送间隔来达到节省功耗的目的。一般来说,当两个进行连接的蓝牙装置进人待机状态之后,蓝牙装置之间仍需要通过相互的呼叫来确定彼此是否仍保持在联机状态,因此,蓝牙芯片就必须随时保持在工作状态,即使手机的其他组件都已进入休眠模式。为了改善这一状况,蓝牙 2.1 将装置之间相互确认的信号发送时间间隔从旧版的 0.1s 延长到 0.5s 左右,这样一来可以让蓝牙芯片的工作负载大幅降低,也让蓝牙模块可以有更多的时问彻底休眠。根据官方的报告,采用此技术之后,蓝牙装置在开启蓝牙联机之后的待机时间可以有效延长 5 倍以上。

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