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重庆移动通信工程研究中心
引言
近年来，Internet和移动通信已成为信息产业（IT）中增长最快的两大领域，极大地推动了各种网络信息产品的飞速发展。伴随着21世纪的钟声，IT领域迎来了一项崭新的无线通信技术：Bluetooth（“蓝牙”），它推动和扩大了无线通信的应用范围，使网络中的各种数据和语音设备能互连互通，实现个人区域内的快速灵活的数据和语音通信。
蓝牙是由Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba五大公司在1998年5月联合推出的一项旨在实现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、高品质耳机等）互连的计划，并为纪念第一个统一北欧语言的人——Norse国王而命名为Bluetooth（蓝牙）。该计划公布后，迅速得到了Motorola、Lucent、Compaq、Siemens、Qualcomm、3Com、TDK等公司的广泛支持，并共同成立了蓝牙特别兴趣小组（Bluetooth Special Interest Group）来负责该项工作的开展。
本文从应用的角度分析了Bluetooth的主要技术、协议栈的分层结构和各层提供的服务。
主要技术概述
蓝牙技术涉及一系列软硬件技术、方法和理论，包括：无线通信与网络技术，软件工程、软件可靠性理论，协议的正确性验证、形式化描述和一致性与互联测试技术，嵌入式实时操作系统（Embedded RTOS），跨平台开发和用户界面图形化技术，软/硬件接口技术（如RS232，UART，USB等)，高集成、低功耗芯片技术等。
蓝牙的目标是要提供一种通用的无线接口标准，用微波取代传统网络中错综复杂的电缆，在蓝牙设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本低功耗的数据和话音通信。因此，其载频选用在全球都可用的2.45GHz ISM（工业、科学、医学）频带。
Bluetooth收发信机采用跳频扩谱（Frequency Hopping Spread Spectrum）技术，在2.45GHz ISM频带上以1600跳/秒的速率进行跳频。依据各国的具体情况，以2.45GHz为中心频率，最多可以得到79个1MHz带宽的信道。除采用跳频扩谱的低功率传输外，Bluetooth还采用鉴权和加密等措施来提高通信的安全性。
在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为721Kbps。并采用低功率“时分复用”方式发射，适合30英尺（约10米）范围内的通信。数据包在某个载频上的某个时隙内传递，不同类型的数据（包括链路管理和控制消息）占用不同信道，并通过查询（inquiry）和寻呼（paging）过程来同步跳频频率和不同Bluetooth设备的时钟。
蓝牙支持“点到点”和“点到多点”的链接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微网（Piconet），多个Piconet又可互连成“特殊分散网（ad hoc scatternet）”，形成灵活的多重微微网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。它能在一个微微网内寻址8个设备（实际上互连的设备数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个——1个“master”，7个“slave”）。
Bluetooth协议栈
蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分：卷1为核心（Core）部分，用以规定诸如射频、基带、链接管理、业务搜寻（service discovery），传输层，以及与不同通信协议间的互用、互操作性等组件；卷2为协议子集（Profile）部分，用以规定不同Bluetooth应用（也称“使用模式”）所需的协议和过程。
蓝牙规范的协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输，跳频和数据帧传输，连接的建立和释放，链路的控制、数据的拆装、业务质量（QoS）、协议的复用和分用等功能。在设计其协议栈，特别是高层协议时的原则就是最大限度地重用现存的协议。而且其高层应用协议（协议栈的垂直层）都使用公共的数据链路和物理层。Bluetooth协议栈的体系结构如图1所示。
Bluetooth协议可以分为4层：
* 核心协议层：Baseband、LMP、L2CAP和SDP；
* 电缆替代协议层：RFCOMM；
* 电话控制协议层：TCS BIN和AT-commands；
* 采纳的其它协议层：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、WAE、vCard、vCal等。
1．核心协议
Bluetooth的核心协议由基带、链路管理（LMP）、逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）和业务搜寻协议（SDP）4部分组成。从应用的角度看，射频、基带和LMP可以归为蓝牙的低层协议，它们对应用而言是十分透明的。
基带和LMP负责在蓝牙单元间建立物理RF链路，构成微微网。此外，LMP还要完成象鉴权和加密等安全方面的任务，包括生成和交换加密键，链路检查，基带数据包大小的控制，蓝牙无线设备的电源模式和时钟周期，微微网内蓝牙单元的链接状态等。
逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）完成基带与高层协议间的适配，并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务和分类提取，它允许高层协议和应用接收/发送长达64Kbytes的L2CAP数据包。
业务搜寻协议（SDP）是个极其重要的部分，它是所有使用模式的基础。通过SDP，可以查询设备信息、业务及业务特征，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的链接。SDP支持3种查询方式：按业务类别搜寻，按业务属性搜寻和业务浏览（browsing）。
2．电缆替代协议
串行电缆仿真协议（RFCOMM）象SDP一样位于L2CAP之上，作为一个“电缆替代（cable replacement）”协议，它通过在蓝牙的基带上仿真RS-232的控制和数据信号，为那些将串行线用作传输机制的高级业务（如OBEX协议）提供传输能力。该协议由Bluetooth SIG在ETSI的TS07.10的基础上开发而成。
图 1 Bluetooth协议栈的体系结构
3．电话控制协议
电话控制协议包括电话控制规范二进制（TCS BIN）协议和一套电话控制命令（AT-commands）。其中，TCS BIN定义了在蓝牙设备间建立话音和数据呼叫所需的呼叫控制信令。AT-commands则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它由Bluetooth SIG在ITU-T的Q.931的基础上开发而成。
4．采纳的其它协议
电缆替代层、电话控制层和被采纳的其它协议层可归为应用专用（application-specific）协议。在Bluetooth中，应用专用协议可以加在RFCOMM之上或直接加在L2CAP之上（如图1）。
如前所述，被采纳的其它协议有PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、WAE、vCard、vCal等。在Bluetooth技术中，PPP运行于RFCOMM之上，用以实现点到点的链接。UDP/TCP/IP由IETF（Internet工程任务组）定义，主要用于Internet上的通信。IrOBEX（short OBEX）是红外数据协会（IrDA）开发的一个会话协议，能以简单自发的方式交换目标，OBEX则采用客户/服务器（client-server）模式提供与HTTP相同的基本功能。WAP是由WAP论坛创建的一种工作在各种广域（wide-area）无线网上的无线协议规范，其目的就是要将Internet和电话业务引入数字蜂窝电话和其它无线终端。VCard和vCalendar则定义了电子商务卡和个人日程表的格式。
5．其它
在Bluetooth协议栈中，还有一个主机控制接口（HCI）和音频（Audio）接口。HCI是个到基带控制器、链路管理器以及访问硬件状态和控制寄存器的命令接口。利用音频接口，可以在一个或多个Bluetooth设备之间传递音频数据，该接口与基带直接相连。
发展前景
随着Internet和移动通信的迅速发展，使人们对电话通信以外的各种数据资源和网络服务的需求正在日益增长，也出现了诸如笔记本电脑（Notebook）、手持式计算机（HPC）、个人数字助理（PDA）和能够提供数据业务、上网服务的数字蜂窝移动电话等电子信息产品。蓝牙作为一个全球公开的无线应用标准，通过把各种语音和数据设备用无线链路链接起来，使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。无疑，它将在人们的日常生活和工作中扮演重要角色，市场潜力巨大，正成为21世纪的投资热点。
引言
近年来，Internet和移动通信已成为信息产业（IT）中增长最快的两大领域，极大地推动了各种网络信息产品的飞速发展。伴随着21世纪的钟声，IT领域迎来了一项崭新的无线通信技术：Bluetooth（“蓝牙”），它推动和扩大了无线通信的应用范围，使网络中的各种数据和语音设备能互连互通，实现个人区域内的快速灵活的数据和语音通信。
蓝牙是由Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba五大公司在1998年5月联合推出的一项旨在实现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、高品质耳机等）互连的计划，并为纪念第一个统一北欧语言的人——Norse国王而命名为Bluetooth（蓝牙）。该计划公布后，迅速得到了Motorola、Lucent、Compaq、Siemens、Qualcomm、3Com、TDK等公司的广泛支持，并共同成立了蓝牙特别兴趣小组（Bluetooth Special Interest Group）来负责该项工作的开展。
本文从应用的角度分析了Bluetooth的主要技术、协议栈的分层结构和各层提供的服务。
主要技术概述
蓝牙技术涉及一系列软硬件技术、方法和理论，包括：无线通信与网络技术，软件工程、软件可靠性理论，协议的正确性验证、形式化描述和一致性与互联测试技术，嵌入式实时操作系统（Embedded RTOS），跨平台开发和用户界面图形化技术，软/硬件接口技术（如RS232，UART，USB等)，高集成、低功耗芯片技术等。
蓝牙的目标是要提供一种通用的无线接口标准，用微波取代传统网络中错综复杂的电缆，在蓝牙设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本低功耗的数据和话音通信。因此，其载频选用在全球都可用的2.45GHz ISM（工业、科学、医学）频带。
Bluetooth收发信机采用跳频扩谱（Frequency Hopping Spread Spectrum）技术，在2.45GHz ISM频带上以1600跳/秒的速率进行跳频。依据各国的具体情况，以2.45GHz为中心频率，最多可以得到79个1MHz带宽的信道。除采用跳频扩谱的低功率传输外，Bluetooth还采用鉴权和加密等措施来提高通信的安全性。
在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为721Kbps。并采用低功率“时分复用”方式发射，适合30英尺（约10米）范围内的通信。数据包在某个载频上的某个时隙内传递，不同类型的数据（包括链路管理和控制消息）占用不同信道，并通过查询（inquiry）和寻呼（paging）过程来同步跳频频率和不同Bluetooth设备的时钟。
蓝牙支持“点到点”和“点到多点”的链接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微网（Piconet），多个Piconet又可互连成“特殊分散网（ad hoc scatternet）”，形成灵活的多重微微网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。它能在一个微微网内寻址8个设备（实际上互连的设备数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个——1个“master”，7个“slave”）。
Bluetooth协议栈
蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分：卷1为核心（Core）部分，用以规定诸如射频、基带、链接管理、业务搜寻（service discovery），传输层，以及与不同通信协议间的互用、互操作性等组件；卷2为协议子集（Profile）部分，用以规定不同Bluetooth应用（也称“使用模式”）所需的协议和过程。
蓝牙规范的协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输，跳频和数据帧传输，连接的建立和释放，链路的控制、数据的拆装、业务质量（QoS）、协议的复用和分用等功能。在设计其协议栈，特别是高层协议时的原则就是最大限度地重用现存的协议。而且其高层应用协议（协议栈的垂直层）都使用公共的数据链路和物理层。Bluetooth协议栈的体系结构如图1所示。
Bluetooth协议可以分为4层：
* 核心协议层：Baseband、LMP、L2CAP和SDP；
* 电缆替代协议层：RFCOMM；
* 电话控制协议层：TCS BIN和AT-commands；
* 采纳的其它协议层：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、WAE、vCard、vCal等。
1．核心协议
Bluetooth的核心协议由基带、链路管理（LMP）、逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）和业务搜寻协议（SDP）4部分组成。从应用的角度看，射频、基带和LMP可以归为蓝牙的低层协议，它们对应用而言是十分透明的。
基带和LMP负责在蓝牙单元间建立物理RF链路，构成微微网。此外，LMP还要完成象鉴权和加密等安全方面的任务，包括生成和交换加密键，链路检查，基带数据包大小的控制，蓝牙无线设备的电源模式和时钟周期，微微网内蓝牙单元的链接状态等。
逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）完成基带与高层协议间的适配，并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务和分类提取，它允许高层协议和应用接收/发送长达64Kbytes的L2CAP数据包。
业务搜寻协议（SDP）是个极其重要的部分，它是所有使用模式的基础。通过SDP，可以查询设备信息、业务及业务特征，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的链接。SDP支持3种查询方式：按业务类别搜寻，按业务属性搜寻和业务浏览（browsing）。
2．电缆替代协议
串行电缆仿真协议（RFCOMM）象SDP一样位于L2CAP之上，作为一个“电缆替代（cable replacement）”协议，它通过在蓝牙的基带上仿真RS-232的控制和数据信号，为那些将串行线用作传输机制的高级业务（如OBEX协议）提供传输能力。该协议由Bluetooth SIG在ETSI的TS07.10的基础上开发而成。
图 1 Bluetooth协议栈的体系结构
3．电话控制协议
电话控制协议包括电话控制规范二进制（TCS BIN）协议和一套电话控制命令（AT-commands）。其中，TCS BIN定义了在蓝牙设备间建立话音和数据呼叫所需的呼叫控制信令。AT-commands则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它由Bluetooth SIG在ITU-T的Q.931的基础上开发而成。
4．采纳的其它协议
电缆替代层、电话控制层和被采纳的其它协议层可归为应用专用（application-specific）协议。在Bluetooth中，应用专用协议可以加在RFCOMM之上或直接加在L2CAP之上（如图1）。
如前所述，被采纳的其它协议有PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、WAE、vCard、vCal等。在Bluetooth技术中，PPP运行于RFCOMM之上，用以实现点到点的链接。UDP/TCP/IP由IETF（Internet工程任务组）定义，主要用于Internet上的通信。IrOBEX（short OBEX）是红外数据协会（IrDA）开发的一个会话协议，能以简单自发的方式交换目标，OBEX则采用客户/服务器（client-server）模式提供与HTTP相同的基本功能。WAP是由WAP论坛创建的一种工作在各种广域（wide-area）无线网上的无线协议规范，其目的就是要将Internet和电话业务引入数字蜂窝电话和其它无线终端。VCard和vCalendar则定义了电子商务卡和个人日程表的格式。
5．其它
在Bluetooth协议栈中，还有一个主机控制接口（HCI）和音频（Audio）接口。HCI是个到基带控制器、链路管理器以及访问硬件状态和控制寄存器的命令接口。利用音频接口，可以在一个或多个Bluetooth设备之间传递音频数据，该接口与基带直接相连。
发展前景
随着Internet和移动通信的迅速发展，使人们对电话通信以外的各种数据资源和网络服务的需求正在日益增长，也出现了诸如笔记本电脑（Notebook）、手持式计算机（HPC）、个人数字助理（PDA）和能够提供数据业务、上网服务的数字蜂窝移动电话等电子信息产品。蓝牙作为一个全球公开的无线应用标准，通过把各种语音和数据设备用无线链路链接起来，使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。无疑，它将在人们的日常生活和工作中扮演重要角色，市场潜力巨大，正成为21世纪的投资热点。