bluetooth

BlueToothProtocol

BlueToothProtocol

一、射頻及基帶部分

Bluetooth設(shè)備工作在2.4GHz的ISM（Industrial，Scienceand

Medicine）頻段，在北美和歐洲為2400~2483.5MHz，使用79個頻

道，載頻為2402+kMHz（k=0，1…，22）。無論是79個頻道還是

23個頻道，頻道間隔均為1MHz，采用時分雙工（TDD，

TimeDivisionDuplex）方式。調(diào)制方式為BT=0.5的GFSK，調(diào)制指

數(shù)為0.28~0.35，最大發(fā)射功率分為三個等級，分別是：100mW

（20dBm），2.5mW（4dBm）和1mW（0dBm），在4~20dBm

范圍內(nèi)要求采用功率控制，因此，Bluetooth設(shè)備間的有效通信距離

大約為10~100米。

Bluetooth的基帶符號速率為1Mb/s，采用數(shù)據(jù)包的形式按時隙

傳送，每時隙長0.625ūs，不排除將來采用更高的符號速率。

Bluetooth系統(tǒng)支持實時的同步面向連接傳輸和非實時的異步面向非

連接傳輸，分別成為SCO鏈路（SynchronousCcnnection-Oriented

Link）和ACL鏈路（AsynchronousConnection-LessLink），前者

只要傳送語音等實時性強的信息，在規(guī)定的時隙傳輸，后者則以數(shù)據(jù)

為主，可在任意時隙傳輸。但當(dāng)ACL傳輸占用SCO的預(yù)留時隙，一旦

系統(tǒng)需要SCO傳輸，ACL則自動讓出這些時隙以保證SCO的實時性。

數(shù)據(jù)包被分成3大類：鏈路控制包、SCO包和ACL包。已定義了4鐘

鏈路控制數(shù)據(jù)包，后兩者最多可分別定義12種，目前已定義了4種和

7種，即共定義了15種。大多數(shù)數(shù)據(jù)包只占用1個時隙，但有些包占

用3個或5個時隙。

Bluetooth支持64kb/s的實時語音傳輸和各種速率的數(shù)據(jù)傳輸，

語音編碼采用對數(shù)PCM或連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSD，

ContinuousVariableSlopeDeltaModulation）。語音和數(shù)據(jù)可單

獨或者同時傳輸。當(dāng)僅傳輸語音時，Bluetooth設(shè)備最多可同時支持3

路全雙工的語音通信；當(dāng)語音和數(shù)據(jù)同時傳輸或僅傳輸數(shù)據(jù)時，

Bluetooth設(shè)備支持433.9kb/s的對稱全雙工通信或723.2/57.6kb/s

的非對稱雙工通信，另外，采用CRC（CyclicRedundancyCheck）、

FEC（ForwardErrorCorrection）及ARQ（AutomaticRepeat

Request），保證了通信的可靠性。

跳頻是Bluetooth使用的關(guān)鍵技術(shù)之一，對應(yīng)于單時隙包，

Bluetooth的跳頻速率為1600跳每秒；對應(yīng)于多時隙包，跳頻速率有

所降低；但在建鏈?zhǔn)牵ò▽ず艉筒樵儯﹦t提高為3200跳每秒。使用

這樣高的跳頻速率，Bluetooth系統(tǒng)具有足夠高的抗干擾能力。

跳頻序列受控于Bluetooth48-bit設(shè)備地址碼（BD——ADDR）

中的28-bit和28-bit的時鐘，采用以多級碟形運算為核心的映射方案。

該跳頻方案和其他方案相比，具有硬件設(shè)備簡單、性能優(yōu)越、便于

79/23頻段兩種系統(tǒng)的兼容以及各種狀態(tài)的跳頻序列使用統(tǒng)一的電路

來實現(xiàn)等特點。

二、組網(wǎng)技術(shù)

Bluetooth根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的概念提供點對點和點對多點的無線鏈接，

在任意一個有

效通信范圍呢，所有設(shè)備的地位都是平等的。首先提出通信要求

的設(shè)備稱為主設(shè)備（Master），被動進行通信的設(shè)備稱為從設(shè)備

（Slave）。利用TDMA，一個Master最多可同時與7個Slave進行

通信并和多個Slave（最多可超過200個）保持同步但不通信。一個

Master和一個以上的Slave構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為Bluetooth的主從網(wǎng)絡(luò)

（Piconet）。若兩個以上的Piconet之間存在著設(shè)備間的通信，則構(gòu)

成了Bluetooth的分散網(wǎng)絡(luò)（Scatternet）。基于TDMA原理和

Bluetooth設(shè)備的平等性，任意Bluetooth設(shè)備在Piconet和

Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，還可同時既是Master

又是Slave。因此，在Bluetooth中沒有基站的概念。另外，所有設(shè)備

都是可移動的。

Bluetooth的基本出發(fā)點是可使其設(shè)備能夠在全球范圍內(nèi)應(yīng)用于

任意的小范

圍通信。任一Bluetooth設(shè)備，都可根據(jù)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)得到一個

唯一的48-bie的BD_ADDR,它是一個公開的地址碼，可以通過人工或

自動進行查詢。在BD_ADDR基礎(chǔ)上，使用一些性能良好的算法可獲

得各種保密和安全碼，從而保證了設(shè)備識別碼（ID，Identification）

在全球的唯一性，以及通信過程中設(shè)備的鑒權(quán)和通信的安全保密。

三、Bluetooth的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

和許多的通信系統(tǒng)一樣，Bluetooth的通信協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)。

其地層為各類應(yīng)用所通用，高層則視具體應(yīng)用而有所不同，大體上分

為計算機背景和非計算機背景兩種方式，前者通過主機控制接口（HCI，

HostControllerInterface）實現(xiàn)高、低層的聯(lián)接，后者則不需用HCI。

層次結(jié)構(gòu)使其設(shè)備具有最大可能的通用性和靈活性。根據(jù)通信協(xié)議，

各種Bluetooth設(shè)備無論在任何地方，都可以通過人工或自動查詢來

發(fā)現(xiàn)其他Bluetooth設(shè)備，從而構(gòu)成Piconet或Scatternet，實現(xiàn)系

統(tǒng)提供的各種功能，使用起來十分方便。

藍牙協(xié)議棧

藍牙協(xié)議體系中的協(xié)議啊系統(tǒng)軟件的功能分為四層：

核心協(xié)議：BaBand、LMP、L2CAP、SDP；

電纜代協(xié)議：RFCOMM；

電話傳輸控制協(xié)議：TCSBinary、AT命令集；

可選協(xié)議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、

IrDA、WAE；

基帶（BaBand）協(xié)議描述了完成地層鏈路建立維護和執(zhí)行基帶

協(xié)議的鏈路控制器的規(guī)范；鏈路管理協(xié)議（LinkManagerProtocol）

定義了鏈路的建立與控制的規(guī)范，在接收側(cè)信號由解釋及過濾；邏輯

鏈路控制與適配協(xié)議（LogicalLinkControlandAdaptation

Protocol）支持高層協(xié)議復(fù)用、數(shù)據(jù)包分段重組、QoS信息服務(wù)并獲

得相應(yīng)的信息；RFCOMM是ETSITS07.10的子集，提供L2CAP之上

的串口防真；TCSBinary定義了在藍牙設(shè)備間建立語音與數(shù)據(jù)呼叫控

制信令；其他的一些協(xié)議都是已有的其他組織的協(xié)議。

除上述協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機控制接口（HCI），它為基帶

控制器、

連接管理器、硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令接口，用以想設(shè)備

供應(yīng)商提供像USB和UART（通用異步收發(fā)器）的通用接口。絕大多

數(shù)藍牙設(shè)備都需要核心協(xié)議（加上無線部分），而其他協(xié)議則根據(jù)應(yīng)

用的需要而定。

四、應(yīng)用模型

Profiles部分規(guī)定不同藍牙應(yīng)用所需的協(xié)議，整個Profiles部分涉

及了從耳機到局域網(wǎng)接入點等多種應(yīng)用。對于每一個應(yīng)用，應(yīng)用模型

給出其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，并針對每一層具體規(guī)定一些必須實現(xiàn)的內(nèi)容，諸

如消息序列、功能集以及空中接口。依據(jù)應(yīng)用模型實現(xiàn)應(yīng)用，有利于

不同廠家設(shè)備之間的互通性。

例如應(yīng)用模型的第一個是一般接入應(yīng)用模型，這個模型定義了用

于發(fā)現(xiàn)藍牙設(shè)備的過程、用于鏈接管理的過程、使用不同安全級別的

過程，并描述了用戶界面層次上參數(shù)的表示格式。模型首先給出了協(xié)

議棧結(jié)構(gòu)，而后分別描述了藍牙地址、藍牙設(shè)備類型、藍牙PIN碼在

用戶層面的表示格式，同時就認(rèn)證等安全方面的內(nèi)容給出流程圖，最

后描述設(shè)備發(fā)現(xiàn)及鏈路維護的消息序列，依照這個模型實現(xiàn)的設(shè)備互

相可以發(fā)現(xiàn)對方并根據(jù)用戶需求建立鏈路。

Bluetooth的四種應(yīng)用模式

（1）通用訪問應(yīng)用（GAP）模式：定義了兩個藍牙單元如何互發(fā)

現(xiàn)和建立連接，它是用來處理連接設(shè)備之間的相互發(fā)現(xiàn)和建立連接的。

它保證兩個藍牙設(shè)備，不管是哪一家廠商的產(chǎn)品，都能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備支

持何種應(yīng)用，并能夠交換信息。

（2）服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用（SDAP）模式：定義了發(fā)現(xiàn)注冊在其他藍牙

設(shè)備中的服務(wù)的過程，并且可以獲得與這些服務(wù)相關(guān)的信息。

（3）串口應(yīng)用（SPP）模式：定義了在兩個藍牙設(shè)備間基于

RFCOMM建立虛擬的串口連接的過程和要求。

（4）通用對象交換應(yīng)用（GOEP）模式：定義了處理對象交換的

協(xié)議和步驟，文件傳輸應(yīng)用和同步應(yīng)用都是基于這一應(yīng)用的，筆記本

電腦、PDA、移動電話是這一應(yīng)用模式的典型應(yīng)用。

Bluetooth的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

藍牙規(guī)范（SpecificationoftheBluetoothSystem）就是藍牙無

線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了藍牙應(yīng)用產(chǎn)品應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)和需要達到的

要求,有SIG頒布.

藍牙規(guī)范包括核心協(xié)議（Core）與應(yīng)用框架（Profiles）兩個文件。

協(xié)議規(guī)范部分定義了藍牙的各層通信協(xié)議，應(yīng)用框架指出了如何采用

這些協(xié)議實現(xiàn)具體的應(yīng)用產(chǎn)品。藍牙協(xié)議規(guī)范遵循開放系統(tǒng)互連參考

模型（OpenSystemInterconnetion/ReferencedModel,

OSI/RM），從低到高地定義了藍牙協(xié)議堆棧的

各個層次。

按照藍牙協(xié)議的邏輯功能，協(xié)議堆棧由下至上分為3個部分：傳

輸協(xié)議、中介協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議。其功能簡介如下。

1．傳輸協(xié)議

負(fù)責(zé)藍牙設(shè)備間相互確認(rèn)對方的位置，以及建立和管理藍牙設(shè)備

間的物理和邏輯鏈路。這一部分又進一步分為低層傳輸協(xié)議和高層傳

輸協(xié)議。低層傳輸協(xié)議側(cè)重于語音與數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奈锢韺崿F(xiàn)以及藍

牙設(shè)備的物理和邏輯鏈路。低層傳輸協(xié)議包括藍牙的射頻（Radio）部

分、基帶與鏈路管理協(xié)議（Baband&&LinkManagerProtocol,

LMP）。高層傳輸協(xié)議包括邏輯鏈路控制的物理實現(xiàn)以及藍牙設(shè)備間

的連接于組網(wǎng)。高層傳輸協(xié)議包括邏輯鏈路控制與適配協(xié)議（Logical

LinkControlandAdaptationProtocol,L2CAP）和主機控制器接口

（HostControllerInterface,HCI）。這部分為高層應(yīng)用程序屏蔽了

諸如跳頻序列選擇等低層傳輸操作，并為高層應(yīng)用傳輸提供了更加有

效和更有利于實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分組格式。

2．中介協(xié)議

為高層應(yīng)用協(xié)議或程序在藍牙邏輯鏈路上工作提供了必要的支持，

為應(yīng)用曾提供了各種不同的標(biāo)準(zhǔn)接口。這部分協(xié)議包括以下幾部分。

（1）.串口仿真協(xié)議（RFCOMM）

基于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（EuropeanTelecommunication

StandardizationInstitute,ETSI）的TS07.10標(biāo)準(zhǔn)制定。該協(xié)議用于

模擬串行接口環(huán)境，使得基于串口的傳統(tǒng)應(yīng)用僅作少量的修改或者不

做任何修改可以直接在該層上運行。

（2）.服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（ServiceDidcoveryProtocol，SDP）

為實現(xiàn)藍牙設(shè)備之間相互查詢及訪問對方提供的服務(wù)。

（3）.IrDA（InfraredDataAssociation）互操作協(xié)議

藍牙規(guī)范采用了IrDA的對象交換協(xié)議（OBEX），使得傳統(tǒng)的基

于紅外技術(shù)的對象（如電子名片（vCard）和電子日歷（vCal）等)交

換應(yīng)用同樣可以運行在藍牙無線接口之上。

網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議：該部分協(xié)議包括點對點協(xié)議（PointtoPoint

Protocol,PPP）、網(wǎng)際協(xié)議（InternetProtocol,IP）、傳輸控制協(xié)議

（TransferControlProtocol,TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（Ur

DatagramProtocol,UDP）等，用于實現(xiàn)藍牙設(shè)備的撥

號上網(wǎng)，或通過網(wǎng)絡(luò)接入點訪問Internet和本地局域網(wǎng)。

（4）.電話控制協(xié)議

該協(xié)議包括TCS、AT指令集和音頻。電話控制協(xié)議性能

（TelephoneControlProtocolSpecification，TCS）是基于國際電

信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（InternationalTelecommunicationUnion-

Telecommunication，ITU-T）的Q.931標(biāo)準(zhǔn)制定的，用于支持電話

功能；藍牙直接在基帶上處理音頻信號（主要指數(shù)字語音信號），采

用SCO鏈路傳輸語音，可以實現(xiàn)頭戴式耳機和無繩電話等的應(yīng)用。

3．應(yīng)用協(xié)議

是指那些位于藍牙協(xié)議堆棧之上的應(yīng)用軟件和其中所涉及的協(xié)議，

包括開發(fā)驅(qū)動各種諸如撥號上網(wǎng)和通信等功能的藍牙應(yīng)用程序。藍牙

規(guī)范提供了傳輸層及中介層定義和應(yīng)用框架，在傳輸層及中介層之上，

不同的藍牙設(shè)備必須采用統(tǒng)一符合藍牙規(guī)范的形式；而在應(yīng)用層上，

完全由開發(fā)人員自主實現(xiàn)。事實上，許多傳統(tǒng)的應(yīng)用都可以幾乎不用

修改就在藍牙協(xié)議堆棧之上運行，如基于串口和OBEX協(xié)議的應(yīng)用。

通常藍牙技術(shù)應(yīng)用程序接口（ApplicationProgrammingInterface，

API）函數(shù)的開發(fā)由開發(fā)工具的設(shè)計人員來完成，這樣有利于藍牙技術(shù)

與各類應(yīng)用的緊密結(jié)合。