bluetooth关键技术的分析及其产品开发的体会_技术

关键词:蓝牙技术小范围无线通信协议栈产品示范工程
摘要:通过对蓝牙技术产生与发展的背景、关键技术、目前国内外进展及应用等方面的分析，阐述了蓝牙技术将是小范围无线通信领域应用最广泛的主流技术之一，剖析了蓝牙技术对我国ＩＴ行业乃至整个国民经济发展可能产生的影响，给出了作者及其同事在开发蓝牙系统的协议栈、ＰＳＴＮ网关、局域网接入点设备等蓝牙产品中的一些体会。

1 蓝牙技术产生与发展背景的分析
    自上世纪末以来，信息产业保持着迅猛的发展势头，特别是通信和计算机技术，已渗透到各行各业和人们生活的各个角落。因特网的发展使人们似乎一刻也不愿意脱离“网络”，人们期望能够将网络随身携带，亦即使用一种廉价的无线方法，随时随地实现多媒体传输，这就使得宽带无线通信成为新的热点。但由于频率资源的不可再生性，使得宽带和大容量成为一对主要矛盾，任何可在低成本前提下有效解决这对矛盾的方案，都会引起人们极大的兴趣，其中小范围应用具有代表性，比较典型的成果有：以无线ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）为典型应用的ＩＥＥＥ 802.11和ＨｉｐｅｒＬＡＮ；由“家用射频工作组”(ＨＲＦＷＧ, ＨｏｍｅＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＷｏｒｋｉｎｇＧｒｏｕｐ)提出的以家庭应用为主要背景的“共享无线访问协议”(ＳＷＡＰ, ＳｈａｒｅｄＷｉｒｅｌｅｓｓＡｃｃｅｓｓＰｒｏｔｏｃｏｌ)；由Ｅｒｉｃｓｓｏｎ等公司发起成立的“蓝牙特别兴趣组”(ＢＳＩＧ,ＢｌｕｅｔｏｏｔｈＳｐｅｃｉａｌＩｎｔｅｒｅｓｔＧｒｏｕｐ)并提出的“蓝牙系统”（ＢｌｕｅｔｏｏｔｈＳｙｓｔｅｍ）等。这些系统大多采用跳频技术，工作在2.4ＧＨｚ或5ＧＨｚ以上频段，虽然其标准目前还在不断修改，但已展现出强大的生命力，国际上一流的通信公司、计算机公司和软件公司一方面协作攻关，另一方面也正如火如荼地展开竞争。
    从网络的角度来看，继广域网(ＷＡＮ，ＷｉｎｄＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ或城域网;ＭＡＮ,ＭｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ)、局域网（ＬＡＮ，ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）之后，人们又提出了“无线个人域网”（ＷＰＡＮ,ＷｉｒｅｌｅｓｓＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）。这一新概念非常受人瞩目，1999年为此专门成立的ＩＥＥＥ 802.15现下设4个工作组，专职研究有关协议及协调现有标准与ＷＰＡＮ的互存性问题。
    比较而言，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系统更具有代表性，它正根据ＷＰＡＮ的概念向前发展，且与ＷＰＡＮ的概念相辅相成，成为ＷＰＡＮ的一个雏形。事实上，ＷＰＡＮ及其代表的小范围应用有着巨大的市场潜力，它和大范围快速移动情况下的应用相辅相成，互为补充，对发展国民经济和提高人们生活水平都具有重要的意义。从某种意义上说，前者的市场潜力可能更巨大，因为这种应用可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、各种数字数据系统甚至各种家用电器，使用廉价的无线方法建立它们之间的信息传输，涉及到的设备面广量大，容易形成新的经济增长点，其迅猛发展是必然的。
2 蓝牙技术特点和关键技术的分析
    从总体上看，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ有如下特点。
    · 工作在2.4ＧＨｚ的ＩＳＭ(ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＭｅｄｉｃｉｎｅ)频段，大多数国家使用79个频道，载频为2402＋ｋＭＨｚ (ｋ＝ 0,1,…,78)，信道间隔1ＭＨｚ。
    · 最大发射功率分为3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。
    · 调制方式为ＢＴ＝0.5的ＧＦＳＫ，调制指数为0.28～0.35。
    · 符号速率为1Ｍｂｉｔ／ｓ。
    · 按每时隙625μｓ划分信道；全双工通信时，采用ＴＤＤ方式。
    · 信道上信息以数据包的形式发送；支持电路交换和分组交换，支持多个异步数据信道或多达3个并发的同步话音信道，或同时传送一个同步话音和一个或多个异步数据的信道。
    · 每个话音信道支持64ｋｂｉｔ／ｓ的同步语音；异步信道支持最大921ｋｂｉｔ／ｓ、反向信道达57.6ｋｂｉｔ／ｓ的非对称连接，或432ｋｂｉｔ／ｓ的对称连接。
    由此可见，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ采用了ＣＤＭＡ和ＴＤＭＡ的混合多址方式，跳频、ＴＤＤ和ＧＦＳＫ调制方式使得它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，从技术上保证了其设备的高性能和低成本。因此，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ将具有设备简单，体积小、价格便宜和工作稳定等特点。
    但是，到目前为止，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ并没有干扰躲避机制，跳频的抗干扰能力和潜力尚未发挥出来；1Ｍｂｉｔ／ｓ的速率在多媒体应用中尚有诸多不利。这两个主要的问题已引起各方面的重视。
3 广泛的应用
    Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的基本出发点是使其设备能够在全球范围内应用于任意的小范围通信。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他Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ设备，从而构成网络，实现系统提供的各种功能。目前，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的标准提供以下应用：一般接入、服务发现协议、无绳电话、对讲系统、串口、耳机、拨号网络、传真、局域网访问、通用对象交换、对象推入、文件传输和同步应用。由此可见，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ可使蜂窝移动电话系统、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，应用空间极为广阔。根据我们的体会，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ产品将会较快地和如下设备或系统融为一体：各种电话系统、车载通信设备、无线电缆和ＷＬＡＮ、无线公文包、各类数字电子设备、电子商务、信息家电、工业控制、智能化建筑物、各种特殊场合应用等。
4 蓝牙产品的研制
    东南大学移动通信国家重点实验室从1998年开始跟踪蓝牙技术，是我国最早参加ＳＩＧ的单位之一，也是ＳＩＧ中国工作组ＴＦ9的成员单位。
    1999年，东南大学移动通信国家重点实验室与香港政府独资的“通讯科技中心有限公司”签署了“蓝牙系统的ＡＳＩＣ解决方案系统软件的研制”合作协议，共同完成香港特区政府创新科技基金（ＩＴＦ）项目“蓝牙系统的ＡＳＩＣ解决方案”。至2001年4月，已完成了两个版本协议栈的研制，2001年6月通过了江苏省科技厅组织的成果鉴定，目前正寻求ＳＩＧ的认证。2000年度，江苏省科技厅对蓝牙产品的研究开发课题给予强有力的支持，移动通信国家重点实验室承担了江苏省“十五”优先启动重点科技攻关项目“ＣＤＭＡ无线接入系统”，开发ＰＳＴＮ网关、局域网接入设备及有关终端设备等蓝牙产品，工作进展顺利。从2001年4月开始，实验室还作为中国电子器材深圳公司的技术支持单位，与之进行了多方面的合作，目前双方正在进行“基于Ｅｒｉｃｓｓｏｎ蓝牙模块的蓝牙系统演示及开发平台的研制”项目。另外，从 1999年年底开始，我们还承担了教育部科学技术研究重点项目“复杂环境下跳频多媒体通信关键技术的研究”；2000年，“ＷＰＡＮ环境下宽带高速跳频系统关键技术的研究”项目得到国家自然科学基金的资助；从2001年2月开始，我们与Ｍｏｔｏｒｏｌａ中国软件中心合作进行“ＨｉｐｅｒＬＡＮ／2关键算法的研究”项目。这些项目使我们掌握了蓝牙系统、无线局域网和无线个人域网的有关基础理论，并围绕实时优化问题，对若干算法进行了深入研究，对于下一步的发展将起到积极作用。
    下面简单介绍蓝牙ＰＳＴＮ网关和局域网接入点设备的研制情况。
    蓝牙电话网关是应用模型中定义的无绳电话模型(ＣｏｒｄｌｅｓｓＴｅｌｅｐｈｏｎｙＰｒｏｆｉｌｅ)的关键设备，其示意图如图1所示。

    蓝牙局域网接入点是蓝牙应用模型中局域网接入模型(ＬＡＮＡｃｃｅｓｓＰｒｏｆｉｌｅ)的关键设备，其示意图如图2所示。它可使蓝牙终端随时随地无线上网，免去了连接网线的麻烦。
    对于上述两种应用，我们已经研制出模型样机并将尽快推出实用产品。
5 结束语
    Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ是最近提出的一种小范围信息传输系统，已表现出较强的生命力，蓝牙技术及其发展的方向将会对国民经济产生重大影响，将成为应用广泛的主流技术之一。东南大学移动通信国家重点实验室以及一些兄弟院校、科研机构和企业，对它进行了较长时间的跟踪和研究，并且提出了自己的见解，研制开发了部分产品，基本上和国际同行处于同一层次。我国信息产业的市场巨大，蓝牙及其相关技术的应用前景广阔，在我国大力推进蓝牙技术的应用研究的条件已经成熟。因此，在政府引导下，通过产学研相结合并尽快使企业成为主角，一定能开发出越来越多的蓝牙产品，而创新应用则是开发蓝牙及其以后产品的生命线。