“蓝牙”系统及其发展

▲ “蓝牙”（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）技术是使众多电信和电脑设备无须电缆就能联接起来的技术

▲ “蓝牙”将很快地与计算机、传真机、打印机乃至各种室内电子、信息和电器设备融为一体

▲  “蓝牙”与无线接入协议（ＷＡＰ）一样将是第三代移动通信中的关键技术

１ 引言

     Bｌｕｅｔｏｏｔｈ是由Ｅｒｉｃｓｓｏｎ、ＩＢＭ、Ｉｎｔｅｌ、Ｎｏｋｉａ和Ｔｏｓｈｉｂａ公司作为原始发起组织而推出的一种小范围无线通信的标准。从技术上讲，它属于小范围的无线多媒体通信，使用跳频（ＦＨ）和时分多址（ＴＤＭＡ）等先进技术来建立多种通信与信息系统之间的信息传输。其目的是在小范围内将各种移动通信设备、固定通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统（包括数字照相机、数字摄像机等）甚至各种家用电器，使用一种廉价的无线电缆方法联接起来。例如：装有Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ芯片的手机进入同样装有Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ芯片的固定通信设备的服务区后（典型的情况是自己家中），该手机即通过Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ信道和该固定设备建立通信而不必使用蜂窝网的信道。再例如：当数字照相机装上Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ芯片后，人们外出游览时便可随时随地通过同样装有Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ芯片的蜂窝网手机将所摄图片传回计算机中。由此可见，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统将不独立构成通信设备，它和现有设备相配合，使其具有无线传输的能力，或者使其传输更经济、使用更便利。由于它的应用将几乎可以渗透到所有通信及信息传输领域，具有极为广泛的应用前景，因此一经推出即受到众多厂商的重视。由上述５个公司发起成立的蓝牙兴趣组（ＢＳＩＧ），很快吸引了上千个国际上有影响的公司的参与。１９９９年底，美国的４家公司３ＣＯＭ、Ｌｕｃｅｎｔ、Ｍｉ-ｃｒｏｓｏｆｔ和Ｍｏｔｏｒｏｌａ，与上述５公司一样也参加Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的发起组织，使其发展前景更加明朗。与此同时, Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ 标准的制定工作也抓得很紧。上述５公司１９９９年７月份公布了Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｖｅｒｓｉｏｎ １．０，这是一个可作为Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备制造依据的标准，不少厂商已推出了根据该版本及其之后的修改版本１．０Ａ、１．０Ｂ而研制的Ｂｌｕｅ-ｔｏｏｔｈ设备。为了推动Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的发展，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的标准是非专利的，ＢＳＩＧ亦频繁召开各种研讨会。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ已成为通信领域目前的一个新热点，极有可能在不远的将来成为小范围无线多媒体通信的国际标准。

２ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统概述

２．１射频特性

    Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备工作在２．４ ＧＨｚ的工业、科学、和医药（ＩＳＭ）频段，在北美和欧洲 （法国和西班牙除外）为２ ４００～２ ４８３．５ＭＨｚ，使用７９个频道，载频为２ ４０２＋ｋ ＭＨｚ （ ｋ ＝ ０，１， …，７８ ）；法国和西班牙使用２３个频道，载频分别为２ ４５４＋ｋ ＭＨｚ和 ２ ４４９＋ｋ ＭＨｚ（ ｋ ＝ ０，１， …，２２ ），但已有提案改为统一的７９个频道，日本原使用２３个频道，但自１９９９年１０月开始已改为统一的７９个频道，原来的２３个频道所使用的２ ４７１～２ ４９７ＭＨｚ频段作为选用。无论是７９个频道还是２３个频道，频道间隔均为１ ＭＨｚ，采用时分双工（ＴＤＤ）方式。 调制方式为ＢＴ＝０．５的ＧＦ-ＳＫ，调制指数为０．２８～０．３５。最大发射功率分为三个等级，分别是：１００ｍＷ （２０ｄＢｍ），２．５ｍＷ （４ｄＢｍ） 和１ｍＷ （０ｄＢｍ），在４～２０ｄＢｍ范围内要求采用功率控制，因此，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备间的有效通信距离大约为１０～１００ｍ。

２．２ ＴＤＭＡ结构

     在１．０版本的标准中，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的基带符号速率为１Ｍｂｉｔ／ｓ，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙０．６２５μｓ，不排除将来采用更高的符号速率。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，分别成为面向连接的同步链路（ＳＣＯ）和非对称少连接链路（ＡＣＬ），前者主要传送话音等实时性强的信息，在规定的时隙传输；后者则以数据为主，可在任意时隙传输。但当ＡＣＬ传输占用ＳＣＯ的预留时隙时，一旦系统需要ＳＣＯ传输，ＡＣＬ则自动让出这些时隙以保证ＳＣＯ的实时性。数据包被分成三大类：链路控制包、ＳＣＯ包和ＡＣＬ包。已定义了４种链路控制数据包，后两者最多可分别定义１２种，目前已分别定义了４种和７种，即共定义了１５种。大多数数据包只占用１个时隙，但有些包占用３个或５个时隙。

     Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ支持６４ｋｂｉｔ／ｓ的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数ＰＣＭ或连续可变斜率增量调制（ＣＶＳＤ）。语音和数据可单独或同时传输。当仅传输语音时，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备最多可同时支持３路全双工的话音通信；当语音和数据同时传输或仅传输数据时，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备支持４３３．９ ｋｂｉｔ／ｓ 的对称全双工通信或７２３．２／５７．６ ｋｂｉｔ／ｓ 的非对称双工通信。另外，采用ＣＲＣ、前向纠错（ＦＥＣ）及自动要求重复（ＡＲＱ），保证了通信的可靠性。由此可见，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ提供了短距离的无线多媒体通信。

２．３ 使用跳频技术

     跳频是Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ使用的关键技术之一。对应于单时隙包，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的跳频速率为每秒１ ６００跳；对应于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时（包括寻呼和查询）则提高为３ ２００跳。使用这样高的跳频速率，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统具有足够高的抗干扰能力。

     跳频序列受控于Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ４８比特设备地址码（ＢＤ＿ ＡＤＤＲ）中的２８比特和２８比特的时钟，采用以多级蝶形运算为核心的映射方案。该跳频方案和其它方案相比，具有硬件设备简单、性能优越、便于７９／２３频段两种系统的兼容以及各种状态的跳频序列使用统一的电路来实现等特点。

２．４ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备的组网

    Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线链接，在任意一个有效通信范围内，所有设备的地位都是平等的。首先提出通信要求的设备称为主设备（Ｍａｓｔｅｒ），被动进行通信的设备称为从设备（Ｓｌａｖｅ）。利用ＴＤＭＡ，一个Ｍａｓｔｅｒ最多可同时与７个Ｓｌａｖｅ进行通信并和多个Ｓｌａｖｅ（最多可超过２００个）保持同步但不通信。一个Ｍａｓｔｅｒ和一个以上的Ｓｌａｖｅ构成的网络称为Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的主从网络（Ｐｉｃｏｎｅｔ）。若两个以上的Ｐｉｃｏｎｅｔ之间存在着设备间的通信，则构成了Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的分散网络（Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ）。基于ＴＤＭＡ原理和Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备的平等性，任一Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备在Ｐｉｃｏｎｅｔ和Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ中，既可作Ｍａｓｔｅｒ，又可作Ｓｌａｖｅ，还可同时既是Ｍａｓｔｅｒ又是Ｓｌａｖｅ。因此，在Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ中没有基站的概念。另外，所有设备都是可移动的。

２．５ 全球范围内的工作

     Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的基本出发点是可使其设备能够在全球范围内应用于任意的小范围通信。任一Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备，都可根据ＩＥＥＥ ８０２标准得到一个唯一的４８比特的ＢＤ＿ ＡＤＤＲ，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在ＢＤ＿ ＡＤＤＲ基础上，使用一些性能良好的算法可 获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码（ＩＤ）在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。

２．６ 软件的层次结构

     和许多通信系统一样，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的通信协议采用层次结构。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体上分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口（ＨＣＩ）实现高、低层的联接，后者则不需用ＨＣＩ。层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议，各种Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备，从而构成Ｐｉｃｏｎｅｔ或Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ ，实现系统提供的各种功能，使用起来十分方便。

３ 广泛的应用

     跳频、ＴＤＤ和ＴＤＭＡ等技术的使用使得Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的射频电路较为简单，通信协议的大部分内容可以用专用集成电路和软件来实现，因此从技术上保证了Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备的高性能和低成本。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网和因特网等现有网络增添了新功能，使各类计算机、传真机、打印机乃至各种室内电子、信息和电器设备增添无线传输和组网的功能，应用空间将极为广阔。１９９９年１２月在美国召开的蓝牙发展会议将会议主题定为“建立一个无线的世界”， 由此可见一斑。

      Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的目标是在所有移动设备之间以及任何小范围内各种信息传输设备乃至于各种电器设备之间建立起无线链接。在其１．０版本的标准中，已定义了包括使用无线应用协议（ＷＡＰ）连接Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的多种应用。就目前的发展来看，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ产品将会较快地和如下设备或系统融为一体，从而构成新的经济增长点。

３．１ 各种电话系统

     Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ产品将会首先应用于数字手机、家庭及办公室电话、小型用户交换机等电话系统中，实现真正意义上的个人通信。这样，从消费者角度来讲既方便又节约，相当于手机既连接着蜂窝系统，又连接着公众交换电话网（ＰＳＴＮ）及办公室电话系统，使手机可享受合理的通信开支（例如在办公室的内部通话为免费，在家中为公众交换电话网的市话费用）；对于网络营运商来说，ＰＳＴＮ将增加话务量自不必说，蜂窝系统由于手机的话务量被分流到公众交换电话网及用户交换机等系统，看起来可能会使其收费减少，但手机的平均话务量减少将使系统容量增加，特别是随着ＷＡＰ协议的使用将使手机上网的机会越来越多，容量问题将会更加突出，因此移动通信营运商也是乐于接受Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的。目前，国际上各大手机制造商都在加紧开发Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ手机，无绳电话和有线电话的制造商也感受到Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ带来的挑战和机遇，竞相研发带有Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的新产品。

３．２ 无线电缆

      无论是实验室、办公室还是家庭，计算机及其外设的应用越来越普及，它们之间的通信传统上必然要通过网线，这给使用带来很大的不便。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ基于无线电缆的概念，使这类信息传输设备除电源线外再无其它连线，甚至包括键盘、鼠标等也采用无线传输。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ企图建立一个全无线的工作环境和生活环境，由于这些设备类多量广，无论是硬件还是软件，都有着极大的商机。

３．３ 无线公文包

      以便携式计算机和掌上电脑为代表，采用无线方式和其它设备或网络相连接，使人们拥有一个可流动的办公室。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ标准已制定了和计算机以及与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ、ＰＳＴＮ、ＩＳＤＮ、有线和无线ＬＡＮ及ＷＡＮ、ｘＤＳＬ等网络的接口协议，其目标是用单一的Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ标准来建立起和众多国际标准的连接。目前它用１Ｍｂｉｔ／ｓ的速率已完全可以胜任这些工作，将来还可以提高速率。

３．４ 各类数字电子设备

      数字照相机、数字摄像机等设备装上Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统，既可免去使用电缆的不便，又可不受存储器满的困扰，随时随地可将所摄图片或影像通过同样装备Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统的手机或其它设备传回指定的计算机中。

个人数字助理（ＰＤＡ）装上Ｂｌｕｅ-ｔｏｏｔｈ系统后，可采用无线方式收、发Ｅ－ｍａｉｌ，甚至浏览网页将更为方便。

      Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的硬件电路微型化后，在手持设备上应用非常合适。装上Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统的手持设备可以和手机进行无线连接，也可以使人在小范围内自由走动地打电话、收听音乐，在较大的范围内召开电话会议，应用前景十分诱人。

       微型化、低功耗和低成本的特性给Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ在人们日常生活中的应用开拓了近乎无限的空间。例如，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ构成的无线电电子锁比其它非接触式电子锁或ＩＣ锁具有更高的安全性和适用性，各种无线电遥控器（特别是汽车防盗和遥控）比红外线遥控器的功能更强大，在餐馆酒楼用膳时菜单的双向无线传输或招呼服务员提供指定的服务（如添茶、加某种饮料）将更为方便等。

３．５ 电子商务

      Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的安全保密特性将大大扩展现有电子商务系统的功能。例如，用于消费场合构成电子付帐系统，用于宾馆接待处进行电子登记服务等处。

３．６ 将来的应用

      Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ芯片的微型化和低成本将为它在家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等场合开辟广阔的应用前景。

４ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统的实现

     由上述应用可见，低成本和小型化是Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ实现的关键。目前，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的研制者主要寻求其专用集成电路（ＡＳＩＣ）的解决方案，包括射频和基带部分。现在已有多种将基带ＡＳＩＣ 电路和射频ＡＳＩＣ电路做成一个电路模块的方案，预计很快将会进入批量生产的阶段。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ标准详细论述了Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统的通信协议，大部分内容可用软件来实现，加载到ＦＬＡＳＨ ＲＡＭ中。由此可见，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统容易实现低成本和小型化，而且容易扩充功能。

５ 结束语

     Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ是最近提出的一种新型信息传输系统，预计将有较强的生命力。目前国际上已有１ ４００多个公司包括众多著名的跨国公司加入它的ＳＩＧ，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ已渐成气候，成为通信界的一个新热点。香港通讯科技中心于１９９９年获得香港特区政府“创新及科技基金”资助，正和Ｅｒｉｃｓｓｏｎ、东南大学合作，共同开发和推广Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统，相信会对香港和中国内地通信事业的发展有所贡献。

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（收稿日期：２０００－０２－１６）